最小平方估计量

Abstract

遵循最小平方被估量(estimand)的构造思路,推导相应的最小平方估计量(estimator)。

已知总体最小平方误差定义为

S(b)=E[(Y−XTb2)]

其矩估计量(moment estimator)为

S^(b)=1n∑i=1n(Yi−XiTb)2

定义最小平方估计量 β^ 为

β^≡arg⁡minb∈Rk⁡S^(b)

注意,β 是总体参数,是一个数;β^ 是一个样本估计量,是一个随机变量,其随机性来源于抽样。

求解估计量

定义残差为

e^i≡Yi−XiTβ^

定义残差平方和(sum of squared risiduals)为

SSR(β^)=∑i=1n(e^i)2=e^Te^

显然残差平方和是目标函数的等价形式

SSR(b)=nS^(b)⟹β^=arg⁡minb∈Rk⁡SSR(b)=arg⁡minb∈Rk⁡e^Te^

解法一

先展开再求导:

e^Te^=(Y−Xb)T(Y−Xb)=YTY−YTXb−bTXTY+bTXTXb=YTY−2bTXTY+bTXTXb

F.O.C.(称之为正规方程组)

∂SSR(b)∂b=−2XTY+2XTXb=0

therefore

β^≡(XTX)−1(XTY)

S.O.C.

∂2SSR(b)∂b∂bT=2XTX

这要求 XTX 是正定矩阵。

解法二

先求导再展开:

F.O.C. (前导不变,后导转置)

∂SSR(b)∂b=∂e^T(b)e^(b)∂b=∂e^T(b)∂be^(b)+[e^T(b)∂e^(b)∂b]T=2∂e^T(b)∂be^(b)=−2XT(Y−Xb)=0

其中

∂e^T(b)∂b=∂(Y−Xb)T∂b=−XT

注意到最后一个等式相当于

XTe^=0k×1

若自变量包含常数项,则有

[1nTX1T⋮Xk−1T]e^=0⟹1nTe^=0⟹e¯=0

推广:若自变量包含虚拟变量,则残差的分组均值为零。(详见 Frisch-Waugh-Lovell Theorem)


附录:no-matrix calculus

单变量回归的情形

SSR(b)=∑i=1n(Yi−Xib)2=(∑i=1nYi2)+2b(∑i=1nXiYi)+b2(∑i=1nXi2)

F.O.C

dSSR(b)db=2(∑i=1nXiYi)+2b(∑i=1nXi2)=0

therefore

β^≡∑i=1nXiYi∑i=1nXi2

多变量回归的情形

SSR(b)=∑i=1n(Yi−XiTb)(Yi−XiTb)=∑i=1nYi2−2∑i=1nYiXiTb+∑i=1nXiTbXiTb=∑i=1nYi2−2bT∑i=1nXiYi+bT∑i=1nXiXiTb

注意:XiTb 是一个数因此转置后不变,即 XiTb=bTXi,这样变换将有助于后续应用 矩阵求导 公式。

F.O.C.

dSSR(b)db=−2∑i=1nXiYi+[(∑i=1nXiXiT)+(∑i=1nXiXiT)T]b=−2∑i=1nXiYi+2∑i=1nXiXiTb=0

注意:∑i=1nXiXiT 是一个对称矩阵所以转置后不变。

therefore

β^≡(∑i=1nXiXiT)−1(∑i=1nXiYi)

S.O.C

∂SSR(b)∂b∂bT=2∑i=1nXiXiT

which is a positive semi-definite matrix

二阶条件对应总体模型的假设 E(XXT)≻O