05-回归分析


Dr. Kempthorne
2013 年秋

回归分析

1. 回归分析

  • 线性回归概述;
  • 普通最小二乘法(OLS);
  • Gauss–Markov 定理;
  • 广义最小二乘法(GLS);
  • 分布理论:正态回归模型;
  • 最大似然估计;
  • 广义 M 估计。

数据集

共有 个观测案例:

每个案例包含:

  • 一个响应变量(因变量)
  • 个解释变量(自变量)

回归分析的目标

提取并利用 与 之间的关系。主要用途包括:

  • 预测;
  • 因果推断;
  • 近似;
  • 描述函数关系。

对每个案例 ,条件分布 由下式描述:

其中拟合值为

回归参数向量为

这些参数对所有案例保持不变;而残差或误差变量 会随案例变化。

一般线性模型涵盖范围很广:

多项式近似

若解释变量是同一个变量 的不同幂,可令

Fourier 级数

可令

或

即把 Fourier 展开的不同正弦、余弦项作为解释变量。

时间序列回归

以 表示时间,并在解释变量中加入响应变量的滞后值。

需要注意:即使解释变量由 的非线性函数构成,只要 对回归参数 仍是线性的,该模型就仍属于线性回归模型。

  1. 提出模型。
    • 明确响应变量 ,包括其度量尺度;
    • 确定解释变量 ;
    • 必要时加入解释变量的不同函数;
    • 对各案例上的误差 分布作出假设。
  2. 规定评价准则。 定义如何判断不同估计量的优劣。
  3. 求出并应用最佳估计量。 刻画在所选准则下的最佳估计量,并把它用于数据。
  4. 检查第 1 步中的假设。
  5. 修正并迭代。 必要时修改模型或假设,然后返回第 1 步。

第 1 步中可以采用不同层次的误差分布假设。

Gauss–Markov 假设

  • 均值为零;
  • 方差恒定;
  • 不同案例的误差不相关。

正态线性模型

即各误差相互独立、同分布,均服从均值为 0、方差为 的正态分布。

广义 Gauss–Markov 假设

  • 均值为零;
  • 允许一般形式的协方差矩阵;
  • 误差可以相关;
  • 方差可以不齐,即存在异方差。

非正态或非高斯分布

例如:

  • Laplace 分布;
  • Pareto 分布;
  • 污染正态分布。

在污染正态模型中,占比 的误差满足

其余占比 的误差服从某种污染分布,用于描述异常值或厚尾现象。

第 2 步中的估计量准则

  • 最小二乘;
  • 最大似然;
  • 稳健方法,即抵抗污染分布和异常值;
  • Bayes 方法:把 视为具有已知先验分布的随机变量;
  • 能够处理不完整或缺失数据的方法。

第 4 步中的案例分析

残差分析

模型误差 无法直接观测。若拟合得到回归参数

则模型残差为

影响诊断

识别哪些观测案例会对拟合结果产生特别大的影响。

异常值检测

查找明显偏离模型总体规律的观测。

本讲将依次讨论:

  1. 线性回归概述;
  2. 普通最小二乘法;
  3. Gauss–Markov 定理;
  4. 广义最小二乘法;
  5. 正态回归模型的分布理论;
  6. 最大似然估计;
  7. 广义 M 估计。

给定

定义最小二乘准则

普通最小二乘估计 是使 最小的参数向量。

矩阵记号

因此, 是 向量, 是 设计矩阵,而 是 向量。

拟合值向量为

于是

OLS 解 满足一阶条件

对第 个参数求偏导:

其中 表示 的第 列。

把所有参数的偏导数组合成梯度:

因此,OLS 估计 满足“正规方程”

等价地,

若 可逆,则

OLS 解唯一存在的条件为

可逆具有满列秩

OLS 参数估计为

拟合值为

用矩阵表示,

其中

是 的帽子矩阵(hat matrix)。它把观测响应向量 映射为拟合值 ,仿佛给 “戴上一顶帽子”。

帽子矩阵 把 正交投影到设计矩阵 的列空间。

各观测的残差为

残差向量为

正规方程意味着

因此,最小二乘残差向量 与 的列空间正交。

本节转入 Gauss–Markov 定理,随后讨论广义最小二乘与正态回归模型的分布理论。

观测向量与设计矩阵为

若 是随机向量

的一次观测,且满足以下条件,则称数据服从满足 Gauss–Markov 假设的线性模型:

其中

是 维回归参数向量;并且存在 ,使

也就是说,在给定 后,产生各观测的随机变量互不相关,并具有相同方差 。

给定已知常数 ,考虑估计

在 Gauss–Markov 假设下,以最小二乘估计代入得到

这个估计量具有两个性质:

  1. 它是 的无偏估计量;
  2. 它是 的线性估计量,即存在只由 决定的已知常数 ,使

Gauss–Markov 定理
在 Gauss–Markov 假设下, 在 的所有线性无偏估计量中具有最小方差。因此它是 BLUE:

Best Linear Unbiased Estimator,即最佳线性无偏估计量。

不失一般性,令 ,并定义

对

其最小二乘估计为

其中

所以 是 的线性估计。

考虑另一个线性估计量

其中 为固定系数。定义

则

若 无偏,因为 也无偏,所以

对所有

因此 与 的列空间正交。而 属于 的列空间,所以

由 与 正交,

利用 ,

故 在所有线性无偏估计量中方差最小。证毕。

本节进入广义最小二乘法(GLS)。

把线性回归模型的 Gauss–Markov 假设推广为

其中随机 维误差向量满足

这里:

  • 是未知尺度参数;
  • 是已知的 正定矩阵;
  • 描述各观测的相对方差及相关关系。

对白化后的数据定义

模型变为

其中

由 Gauss–Markov 定理, 的最佳线性无偏估计,即 GLS 估计为

当 时,GLS 退化为普通最小二乘法。

本节进入正态线性回归模型的分布理论。

对每个观测 ,

假设

则在给定 后,

并且各 之间相互独立。

使用向量形式:

其中

响应向量的条件均值为

响应向量的条件协方差矩阵为

逐元素写成

其中 Kronecker delta 满足

接下来将使用矩母函数推导:

  • 的联合分布;
  • 的联合分布。

对 维随机向量 和常数向量

其多元矩母函数为

因此

即 服从均值向量为 、协方差矩阵为 的 元正态分布。

对 维随机向量 与常数向量

定义

则

因此

代入

可得

以及

所以

这是多元正态分布的矩母函数,因而

因为

每个分量 的边际分布为

其中

考虑把 解释变量矩阵写成

其中:

  • 是 列正交矩阵,满足
  • 是 上三角矩阵。

记

则 的各列可以通过对

的列执行 Gram–Schmidt 标准正交化得到。

设

第一列满足

所以

第二列满足

左乘 ,利用列正交性:

因此 可由已知的 和 直接计算。

在 和 已知后,

对两边取平方范数:

右侧各项均已知。求得 后,

按同样方式继续,可逐列求出 的元素和 的列。

利用

可以把 OLS 公式化简为

参数估计的协方差为

帽子矩阵变为

因而

QR 分解既揭示了投影结构,也提供了比显式计算 更稳定的数值求解方法。

假设

即

定理
设 是秩为 的 矩阵。若

则 仍为正态随机向量:

其中

前面取 ,即可得到 的分布。下面换一种 来证明更完整的回归分布定理。

设

其中 为秩 的 矩阵,并且

则:

1.
与
相互独立;
2.

3.

4. 对 ,

其中

原幻灯片的分母文字层遗漏了 ;按照 的标准误公式恢复为 。

结论 4 可由结论 1—3 与 Student 分布定义直接推出。

设 是约化 QR 分解。构造

使 为 正交矩阵,即

可通过继续 Gram–Schmidt 标准正交化得到:在构造完 后,以 的其余列补齐 的标准正交基。

考虑变换

其中 为 向量, 为 向量。

因为 ,

又因为 正交,

因此

从而

且 与 相互独立。

只需进一步说明:

1.

因此二者分别是两个独立随机向量的函数,故相互独立。
2. 对 应用正态向量线性变换定理,即得

3.

右侧是 个独立 随机变量的平方和,所以

由 及 ,

对于残差,

又因 正交且其行由 构成,

于是

本节进入最大似然估计。

考虑正态线性回归模型

即

似然函数定义为

其中右侧是:在已知数据矩阵 ,给定未知参数 时,观测向量 的条件联合概率密度。

参数的最大似然估计是使

达到最大的 取值;换言之,它们使实际观测到的数据 在模型下具有最大的密度。

因为各 独立,且

所以

忽略与参数无关的常数,对数似然为

其中

正是最小二乘准则。因此, 的 OLS 估计也是最大似然估计。

对 求导并令其为零,得到

该估计有偏。因为

所以无偏估计应使用

本节进入广义 M 估计。

给定数据 ,拟合线性回归模型

可以把 定义为使下列目标最小的参数:

不同的损失函数 产生不同估计量。

1. 最小二乘

2. 平均绝对偏差(MAD)

3. 最大似然

假设 独立,密度为

则负对数似然损失为

4. 稳健 M 估计

其中 为偶函数,并在 上单调递增。通过让大残差的损失增长慢于平方损失,可以降低异常值的影响。

给定固定分位数水平

采用不对称绝对损失:

  • 对应第 90 百分位数,即上十分位点;
  • 时两侧权重相同,对应绝对偏差估计,也就是中位数回归。

分位数回归不只估计条件均值,而能刻画响应变量条件分布的不同位置。


文章作者: Gustavo
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