線形回帰係数推定の分析解


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私は行列の表記法を理解しようとしています、そしてベクトルと行列で作業しています。

今、私は、係数のベクトルを推定する方法を理解したいと思いβ重回帰では計算されます。β^

基本的な方程式は

ddβ(yXβ)(yXβ)=0.

ここで、ベクトルここでどのように解決しますか?β

編集:待って、行き詰まっています。私は今ここにいて、続行する方法がわかりません:

ddβ((y1y2yn)(1x11x12x1p1x21x22x2p1xn1xn2xnp)(β0β1βp))((y1y2yn)(1x11x12x1p1x21x22x2p1xn1xn2xnp)(β0β1βp))

ddβi=1n(yi(1xi1xi2xip)(β0β1βp))2

のすべてのためにインターセプトされます。xi0=1i

ddβi=1n(yik=0pxikβk)2

私を正しい方向に向けることができますか?


@GaBorgulyaは、編集のおかげで、について知らsmallmatrixなかったため、数式を数行に分割する通常の解決策はここでは機能しなかったため、編集を試みませんでした。
mpiktas

回答:


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我々は持っています

ddβ(yXβ)(yXβ)=2X(yXβ)

コンポーネントを使用して式を明示的に記述することで表示できます。たとえば、ではなくと記述します。次に、、、...、に関する導関数を取り、すべてをスタックして答えを取得します。すばやく簡単に説明するには、から始めます。 β β 1 β 2 β P、P = 2(β1,,βp)ββ1β2βpp=2

経験に基づいて、一般的なルールを作成しますその一部は、たとえば、そのドキュメントに記載さています

質問の追加部分をガイドするために編集します

、我々は持っていますp=2

(yXβ)(yXβ)=(y1x11β1x12β2)2+(y2x21β1x22β2)2

に関する導関数は、β1

2x11(y1x11β1x12β2)2x21(y2x21β1x22β2)

同様に、に関する導関数はβ2

2x12(y1x11β1x12β2)2x22(y2x21β1x22β2)

したがって、に関する導関数はβ=(β1,β2)

(2x11(y1x11β1x12β2)2x21(y2x21β1x22β2)2x12(y1x11β1x12β2)2x22(y2x21β1x22β2))

ここで、最後の式を次のように書き換えることができます。

2(x11x21x12x22)(y1x11β1x12β2y2x21β1x22β2)=2X(yXβ)

もちろん、すべてが同じように大きなに対して行われます。p


すごい、私はまさにそのタイプのpdfを探していました。トンありがとう!
アレクサンダーエンゲルハート

ああ、今は自分でできると思ったのですが、できません。私の手順が正しいかどうか、またはこれを解決するために「別の方法」を使用する必要があるかどうかを教えていただけますか?
アレクサンダーエンゲルハート

@Alexx Hardt:編集の最初の方程式は、p = 2の特定の場合の最後の方程式と同じです。したがって、コンポーネント3、4、...、pの計算を模倣できます。
ocram 2011

もう一度ありがとう:)私は実際に3つすべての提案を使用すると思います。私は、基本的な統計行列代数を説明して要約する.pdfを作成しています。クラスで学んだときに、どういうわけかそれを学びたくなかったからです。3つの異なる方法で解決することで、理解が深まると思います。
Alexander Engelhardt

ああ、でもこれはp = 2とn = 2のためですよね?n = 3と書いてみます。
アレクサンダーエンゲルハート

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マトリックスクックブックの数式を使用することもできます。我々は持っています

(yXβ)(yXβ)=yyβXyyXβ+βXXβ

ここで、各用語の導関数を取ります。ことに気が付くでしょう。に関する項の導関数はゼロです。残りの期間Y ' Y ββXy=yXβyyβ

βXXβ2yXβ

関数の形

f(x)=xAx+bx,

本の11ページの式(88)では、、およびです。導関数は式(89)で与えられます。A = X ' X B = - 2 X '、Yx=βA=XXb=2Xy

fx=(A+A)x+b

そう

β(yXβ)(yXβ)=(XX+(XX))β2Xy

今以来我々は所望の解を得ます:(XX)=XX

XXβ=Xy

+1 mpiktas:あなたのソリューションは私のソリューションよりも独創的であり、より複雑な実際の状況で使用する必要があると思います。
ocram

1
@ocram、ありがとう。私はそれを独創的とは言いません、それは既存の公式の標準的なアプリケーションです。あなただけの式を知る必要があります:)
mpiktas

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これは、実際により一般的な設定への適用があり、私が有用であると思う回帰の二乗和を最小化するための手法です。

ベクトル行列計算を完全に回避しようとしましょう。

を最小化することに関心があるとし ここで、および。簡単にするために、およびと仮定します。YR nはXR N × P β R P P N rはN個のKX= P

E=(yXβ)T(yXβ)=yXβ22,
yRnXRn×pβRppnrank(X)=p

すべてのについて、 E=Y-X β +X β -Xβ 2 2β^Rp

E=yXβ^+Xβ^Xβ22=yXβ^22+X(ββ^)222(ββ^)TXT(yXβ^).

右側の最後の項がすべてのに対してゼロであるようなベクトル(見つける!)選択できる場合、それは。 ββEY-X β 2 2β^ βminβEyXβ^22

しかし、すべてのためのの場合に限りとこの最後の方程式は、場合にのみ当てはまります。したがって、はを取ることで最小化されます。β X TY(ββ^)TXT(yXβ^)=0βX T X β = X T Y E β = X T X - 1 X T yXT(yXβ^)=0XTXβ^=XTyEβ^=(XTX)1XTy


これは微積分を避けるための「トリック」のように見えるかもしれませんが、実際にはより広いアプリケーションがあり、興味深いジオメトリがいくつかあります。

この手法により、導関数がどの行列-ベクトル計算アプローチよりもはるかに単純になる1つの例は、行列の場合に一般化した場合です。ましょう、および。パラメータの行列 全体でを最小化したいとし ます。ここで、は共分散行列です。YRn×pXRn×qBRq×p

E=tr((YXB)Σ1(YXB)T)
BΣ

上記と全く同様のアプローチは、をとることによって、の最小値が達成されることを すばやく確立し つまり、応答が共分散ベクトルであり、観測値が独立している回帰設定では、応答の成分に対して個別の線形回帰を行うことにより、OLS推定が達成されます。EΣ

B^=(XTX)1XTY.
Σp

幸い、フォーラムのルールにより、すべての回答に+1を追加できます。みんな、教育ありがとう!
DWin

@DWin、これを質問のコメントの下に投稿するつもりでしたか?
枢機卿、

私は持っていたと思います。(MathMLの処理がぎくしゃくしないようにした後)質問とすべての回答を順に調べて、それぞれの回答が有益であることを発見しました。私があなたのコメントを読んだのは、私が読んだのをやめたからです。
DWin

1
@DWin、はい、レンダリングは少しファンキーです。この投稿には投票(賛成または反対)がないため、コメントが不適切であるように思われたため、別の投稿のコメントを意図しているのではないかと思いました。乾杯。
2011

1
@cardinal +1、便利なトリック。この質問はかなり参考になることがわかりました。
mpiktas '26

6

理解に役立つ方法の1つは、行列代数を使用せずに、各コンポーネントをそれぞれの点で区別し、結果を列ベクトルに「格納」することです。だから私たちは:

βki=1N(Yij=1pXijβj)2=0

これで、ベータごとに1つずつ、のこれらの方程式ができました。これはチェーンルールの単純なアプリケーションです。p

i=1N2(Yij=1pXijβj)1(βk[Yij=1pXijβj])=0
2i=1NXik(Yij=1pXijβj)=0

これで、括弧内の合計を だからあなたは得る:j=1pXijβj=xiTβ

i=1NXikYii=1NXikxiTβ=0

これでのこれらの方程式ができました。列ベクトルに「スタック」します。どのように注意してくださいに依存項のみである我々は、ベクターにこれを積み重ねることができるように、と我々が得ます:pXikkxi

i=1NxiYi=i=1NxixiTβ

これで、ベータを合計の外に出すことができます(ただし、合計のRHSを維持する必要があります)。次に、詳細を調べます。

(i=1NxixiT)1i=1NxiYi=β
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