単純な線形回帰における回帰係数の分散を導き出す

単純な線形回帰では、。ここで、です。推定量を導き出しました： ここでおよびはおよびサンプル平均です。$y = \beta_0 + \beta_1 x + u$$u \sim iid\;\mathcal N(0,\sigma^2)$

$$\hat{\beta_1} = \frac{\sum_i (x_i - \bar{x})(y_i - \bar{y})}{\sum_i (x_i - \bar{x})^2}\ ,$$ $\bar{x}$$\bar{y}$$x$$y$

ここで、\ hat \ beta_1の分散を見つけたいと思います$\hat\beta_1$。次のようなものを導き出しました：

$$\text{Var}(\hat{\beta_1}) = \frac{\sigma^2(1 - \frac{1}{n})}{\sum_i (x_i - \bar{x})^2}\ .$$

派生は次のとおりです。

$$\begin{align} &\text{Var}(\hat{\beta_1})\\ & = \text{Var} \left(\frac{\sum_i (x_i - \bar{x})(y_i - \bar{y})}{\sum_i (x_i - \bar{x})^2} \right) \\ & = \frac{1}{(\sum_i (x_i - \bar{x})^2)^2} \text{Var}\left( \sum_i (x_i - \bar{x})\left(\beta_0 + \beta_1x_i + u_i - \frac{1}{n}\sum_j(\beta_0 + \beta_1x_j + u_j) \right)\right)\\ & = \frac{1}{(\sum_i (x_i - \bar{x})^2)^2} \text{Var}\left( \beta_1 \sum_i (x_i - \bar{x})^2 + \sum_i(x_i - \bar{x}) \left(u_i - \sum_j \frac{u_j}{n}\right) \right)\\ & = \frac{1}{(\sum_i (x_i - \bar{x})^2)^2}\text{Var}\left( \sum_i(x_i - \bar{x})\left(u_i - \sum_j \frac{u_j}{n}\right)\right)\\ & = \frac{1}{(\sum_i (x_i - \bar{x})^2)^2}\;\times \\ &\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;E\left[\left( \sum_i(x_i - \bar{x})(u_i - \sum_j \frac{u_j}{n}) - \underbrace{E\left[\sum_i(x_i - \bar{x})(u_i - \sum_j \frac{u_j}{n})\right] }_{=0}\right)^2\right]\\ & = \frac{1}{(\sum_i (x_i - \bar{x})^2)^2} E\left[\left( \sum_i(x_i - \bar{x})(u_i - \sum_j \frac{u_j}{n})\right)^2 \right] \\ & = \frac{1}{(\sum_i (x_i - \bar{x})^2)^2} E\left[\sum_i(x_i - \bar{x})^2(u_i - \sum_j \frac{u_j}{n})^2 \right]\;\;\;\;\text{ , since } u_i \text{ 's are iid} \\ & = \frac{1}{(\sum_i (x_i - \bar{x})^2)^2}\sum_i(x_i - \bar{x})^2E\left(u_i - \sum_j \frac{u_j}{n}\right)^2\\ & = \frac{1}{(\sum_i (x_i - \bar{x})^2)^2}\sum_i(x_i - \bar{x})^2 \left(E(u_i^2) - 2 \times E \left(u_i \times (\sum_j \frac{u_j}{n})\right) + E\left(\sum_j \frac{u_j}{n}\right)^2\right)\\ & = \frac{1}{(\sum_i (x_i - \bar{x})^2)^2}\sum_i(x_i - \bar{x})^2 \left(\sigma^2 - \frac{2}{n}\sigma^2 + \frac{\sigma^2}{n}\right)\\ & = \frac{\sigma^2}{\sum_i (x_i - \bar{x})^2}\left(1 - \frac{1}{n}\right) \end{align}$$

ここで何か間違ったことをしましたか？

行列表記ですべてを行うと、${\rm Var}(\hat{\beta_1}) = \frac{\sigma^2}{\sum_i (x_i - \bar{x})^2}$。しかし、概念を理解するためだけに、マトリックス表記を使用せずに答えを導き出そうとしています。

導出の開始時に、と両方を展開するプロセスで、ブラケットを掛けます。前者は合計変数依存しますが、後者は依存しません。をそのままにしておくと、 Y I ˉ Y I ˉ Y Σ I（X I - ˉ X）ˉ $\sum_i (x_i - \bar{x})(y_i - \bar{y})$$y_i$$\bar{y}$$i$$\bar{y}$

$$\begin{align} \sum_i (x_i - \bar{x})\bar{y} &= \bar{y}\sum_i (x_i - \bar{x})\\ &= \bar{y}\left(\left(\sum_i x_i\right) - n\bar{x}\right)\\ &= \bar{y}\left(n\bar{x} - n\bar{x}\right)\\ &= 0 \end{align}$$

したがって

$$\begin{align} \sum_i (x_i - \bar{x})(y_i - \bar{y}) &= \sum_i (x_i - \bar{x})y_i - \sum_i (x_i - \bar{x})\bar{y}\\ &= \sum_i (x_i - \bar{x})y_i\\ &= \sum_i (x_i - \bar{x})(\beta_0 + \beta_1x_i + u_i )\\ \end{align}$$

そして

$$\begin{align} \text{Var}(\hat{\beta_1}) & = \text{Var} \left(\frac{\sum_i (x_i - \bar{x})(y_i - \bar{y})}{\sum_i (x_i - \bar{x})^2} \right) \\ &= \text{Var} \left(\frac{\sum_i (x_i - \bar{x})(\beta_0 + \beta_1x_i + u_i )}{\sum_i (x_i - \bar{x})^2} \right), \;\;\;\text{substituting in the above} \\ &= \text{Var} \left(\frac{\sum_i (x_i - \bar{x})u_i}{\sum_i (x_i - \bar{x})^2} \right), \;\;\;\text{noting only $u_i$ is a random variable} \\ &= \frac{\sum_i (x_i - \bar{x})^2\text{Var}(u_i)}{\left(\sum_i (x_i - \bar{x})^2\right)^2} , \;\;\;\text{independence of } u_i \text{ and, Var}(kX)=k^2\text{Var}(X) \\ &= \frac{\sigma^2}{\sum_i (x_i - \bar{x})^2} \\ \end{align}$$

それはあなたが望む結果です。

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補足として、私はあなたの派生のエラーを見つけるために長い時間を費やしました。最終的に、裁量は勇気のより良い部分であり、よりシンプルなアプローチを試すことが最善であると判断しました。ただし、記録については、このステップが正当化されているかどうかはわかりませんでした 、によるクロスタームを逃しているためです。

$$\begin{align} & =. \frac{1}{(\sum_i (x_i - \bar{x})^2)^2} E\left[\left( \sum_i(x_i - \bar{x})(u_i - \sum_j \frac{u_j}{n})\right)^2 \right] \\ & = \frac{1}{(\sum_i (x_i - \bar{x})^2)^2} E\left[\sum_i(x_i - \bar{x})^2(u_i - \sum_j \frac{u_j}{n})^2 \right]\;\;\;\;\text{ , since } u_i \text{ 's are iid} \\ \end{align}$$ $\sum_j \frac{u_j}{n}$

あなたの証明の問題は、の二乗の期待値を取るステップだと思います。これは、フォームである、。したがって、二乗するとます。さて、明示的な計算から、なので、 as$\sum_i (x_i - \bar{x} )\left( u_i -\sum_j \frac{u_j}{n} \right)$$E \left[\left(\sum_i a_i b_i \right)^2 \right]$$a_i = x_i -\bar{x}; b_i = u_i -\sum_j \frac{u_j}{n}$$E \left[ \sum_{i,j} a_i a_j b_i b_j \right] = \sum_{i,j} a_i a_j E\left[b_i b_j \right]$$E\left[b_i b_j \right] = \sigma^2 \left( \delta_{ij} -\frac{1}{n} \right)$$E \left[ \sum_{i,j} a_i a_j b_i b_j \right] = \sum_{i,j} a_i a_j \sigma^2 \left( \delta_{ij} -\frac{1}{n} \right) = \sum_i a_i^2 \sigma^2$$\sum_i a_i = 0$。

「派生は次のとおりです」から始めてください：7番目の「=」は間違っています。

なぜなら

$\sum_i (x_i - \bar{x})(u_i - \bar{u})$

$= \sum_i (x_i - \bar{x})u_i - \sum_i (x_i - \bar{x}) \bar{u}$

$= \sum_i (x_i - \bar{x})u_i - \bar{u} \sum_i (x_i - \bar{x})$

$= \sum_i (x_i - \bar{x})u_i - \bar{u} (\sum_i{x_i} -n \bar{x})$

$= \sum_i (x_i - \bar{x})u_i - \bar{u} (\sum_i{x_i} -\sum_i{x_i})$

$= \sum_i (x_i - \bar{x})u_i - \bar{u} 0$

$= \sum_i (x_i - \bar{x})u_i$

したがって、7番目の「=」の後は次のようになります。

$\frac {1} {(\sum_i(x_i-\bar{x})^2)^2}E\left[\left(\sum_i(x_i-\bar{x})u_i\right)^2\right]$

$=\frac {1} {(\sum_i(x_i-\bar{x})^2)^2}E\left(\sum_i(x_i-\bar{x})^2u_i^2 + 2\sum_{i\ne j}(x_i-\bar{x})(x_j-\bar{x})u_iu_j\right)$

=$\frac {1} {(\sum_i(x_i-\bar{x})^2)^2}E\left(\sum_i(x_i-\bar{x})^2u_i^2\right) + 2E\left(\sum_{i\ne j}(x_i-\bar{x})(x_j-\bar{x})u_iu_j\right)$

=、なぜならおよびは独立しており、0を意味するため、$\frac {1} {(\sum_i(x_i-\bar{x})^2)^2}E\left(\sum_i(x_i-\bar{x})^2u_i^2\right)$$u_i$$u_j$$E(u_iu_j) =0$

=$\frac {1} {(\sum_i(x_i-\bar{x})^2)^2}\left(\sum_i(x_i-\bar{x})^2E(u_i^2)\right)$

$\frac {\sigma^2} {(\sum_i(x_i-\bar{x})^2)^2}$