Perché la traccia di


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Nel modello y=Xβ+ϵ , potremmo stimare β usando l'equazione normale :

β^=(X′X)−1X′y,
e potremmo ottenere y =X β .
y^=Xβ^.

Il vettore dei residui è stimato da

ϵ^=y−Xβ^=(I−X(X′X)−1X′)y=Qy=Q(Xβ+ϵ)=Qϵ,

dove

Q=I−X(X′X)−1X′.

La mia domanda è come ottenere la conclusione di

tr(Q)=n−p.

Risposte:


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La conclusione conta semplicemente le dimensioni degli spazi vettoriali. Tuttavia, non è generalmente vero.

Le proprietà più elementari della moltiplicazione della matrice mostrano che la trasformazione lineare rappresentata dalla matrice soddisfaH=X(X′X)−X′

H2=(X(X′X)−X′)2=X(X′X)−(X′X)(X′X)−X′=H,

esibendolo come un operatore di proiezione . Pertanto il suo complemento

Q=1−H

(come indicato nella domanda) è anche un operatore di proiezione. La traccia di è il suo rango h (vedi sotto), da cui la traccia di Q è uguale a nHhQ .n−h

Dalla sua stessa formula è evidente che è la matrice associata alla composizione di due trasformazioni lineari J = ( X ′ X ) - X ′ e X stessa. Il primo ( J ) trasforma il n -vettore y in p -vettore β . Il secondo ( X ) è una trasformazione da R p a R n in y = XH

J=(X′X)−X′
XJnypβ^XRpRny^=Xβ^. Il suo rango non può superare la più piccola di quelle due dimensioni, che in un'impostazione dei minimi quadrati è sempre (ma potrebbe essere inferiore a p , ogni volta che J non è di rango completo). Di conseguenza la posizione di composizione H = X J non può superare la posizione di X . La conclusione corretta , quindi, èppJH=XJX

se e solo se J è di rango massimo; e in generale n ≥ tr ( Q ) ≥ n - p . Nel primo caso si dice che il modello è "identificabile" (per i coefficienti di β ).tr(Q)=n−pJn≥tr(Q)≥n−pβ

sarà al massimo se e solo se X ′ X è invertibile.JX′X


Interpretazione geometrica

rappresenta la proiezione ortogonale da n -vettori y (che rappresentano la "risposta" o "variabile dipendente") sullo spazio attraversato dalle colonne di X (che rappresentano le "variabili indipendenti" o "covariate"). La differenza Q = 1 - H mostra come scomporre qualsiasi n -vettore y in una somma di vettori y = H ( y ) + Q ( y ) , dove il primo può essere "previsto" da XHnyXQ=1−Hny

y=H(y)+Q(y),
X e il secondo è perpendicolare ad esso . Quando il ple colonne di generano uno spazio p- dimensionale (ovvero, non sono collineari), il rango di H è p e il rango di Q è n - p , che riflette le dimensioni aggiuntive n - p della variazione nella risposta che non sono rappresentate all'interno delle variabili indipendenti. La traccia fornisce una formula algebrica per queste dimensioni.XpHpQn−pn−p

Sfondo di algebra lineare

Un operatore di proiezione su uno spazio vettoriale (come R n ) è una trasformazione lineare P : V → V (cioè, un endomorfismo di V ) tale che P 2 = P . Questo rende il suo complemento Q = 1 - P anche un operatore di proiezione, perchéVRnP:V→VVP2=PQ=1−P

Q2=(1−P)2=1−2P+P2=1−2P+P=Q.

Tutte le proiezioni fissano ogni elemento delle loro immagini, poiché ogni volta che possiamo scrivere v = P ( w ) per alcuni w ∈ V , da cui w = P ( v ) = P 2 ( v ) = P ( P ( v ) ) = P ( w ) .v∈Im(P)v=P(w)w∈V

w=P(v)=P2(v)=P(P(v))=P(w).

Associati a qualsiasi endomorfismo di V sono due sottospazi: il suo kernel ker ( P ) = { vPV e la suaimmagine Im ( P ) = { v

ker(P)={v∈v|P(v)=0}
Ogni vettore v ∈ V può essere scritto nella forma v = w + u dove w ∈ Im ( P ) e u ∈ Ker ( P ) . Possiamo quindi costruire una base E ∪ F per V per la quale E ⊂ Ker ( P ) e F ⊂ Im
Im(P)={v∈v|∃w∈VP(w)=v}.
v∈V
v=w+u
w∈Im(P)u∈Ker(P)E∪FVE⊂Ker(P)di . Quando V è di dimensione finita, la matrice di P in questa base sarà quindi in forma di blocco diagonale, con un blocco (corrispondente all'azione di P su E ) tutti gli zeri e l'altro (corrispondente all'azione di P su F ) uguale allamatrice di identità f by f , dove la dimensione di F è f . La traccia di P è la somma dei valori sulla diagonale e quindi deve essere uguale a f × 1 = f . Questo numero è ilgrado PF⊂Im(P)VPPEPFffFfPf×1=fP: la dimensione della sua immagine.

La traccia di è uguale alla traccia di 1 (pari a n , la dimensione di V ) meno la traccia di P .1−P1nVP

Questi risultati possono essere riassunti con l'affermazione che la traccia di una proiezione è uguale al suo rango.


Grazie mille. Ho imparato molte conoscenze estese dalla tua risposta.
— zhushun0008,

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@Dougal ha già dato una risposta, ma eccone un'altra, un po 'più semplice.

Innanzitutto, usiamo il fatto che . Quindi, otteniamo: t r ( Q ) = t r ( I ) - t r ( X ( X ′ X ) - 1 X ′ ) . Ora sono una matrice di identità n × n , quindi ttr(A−B)=tr(A)−tr(B)

tr(Q)=tr(I)−tr(X(X′X)−1X′).
In×n . Ora usiamo il fatto che t r ( A B ) = t r ( B A ) , cioè la traccia è invariante nelle permutazioni cicliche. Quindi, abbiamo: t r ( Q ) = n - t r ( ( X ′ X ) - 1 ( X ′ X ) ) . Quando moltiplichiamo ( X ′ X )tr(I)=ntr(AB)=tr(BA)
tr(Q)=n−tr((X′X)−1(X′X)).
con( X ′ X), otteniamo unamatrice di identitàp×p, la cui traccia èp. Quindi, otteniamo: t r (Q)=n-p.(X′X)−1(X′X)p×pp
tr(Q)=n−p.

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Supponiamo che e che X sia al livello massimo.n≤pX

Considera la decomposizione compatta del valore singolare , dove Σ ∈ R p × p è diagonale e U ∈ R n × p , V ∈ R p × p hanno U T U = V T V = V V T = I p (ma nota che U U T è al massimo p quindi non può essere I nX=UΣVTΣ∈Rp×pU∈Rn×p,V∈Rp×pUTU=VTV=VVT=IpUUTpIn). Poi

X(XTX)−1XT=UΣVT(VΣUTUΣVT)−1VΣUT=UΣVT(VΣ2VT)−1VΣUT=UΣVTVΣ−2VTVΣUT=UUT.

U2∈Rn×n-pUn=[UU2]è unitario. Possiamo scrivere

I−X(XTX)−1XT=UnUnT−UUT=Un(In−[Ip000])UnT=Un[000In−p]UnT.
This form shows that Q is positive semidefinite, and since it is a valid svd and the singular values are the square of the eigenvalues for a square symmetric matrix, also tells us that Q has eigenvalues 1 (of multiplicity n−p) and 0 (of multiplicity p). Thus the trace of Q is n−p.
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