Perché RSS distribuito chi square times np?


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Vorrei capire perché, sotto il modello OLS, l'RSS (somma residua dei quadrati) è distribuito ( è il numero di parametri nel modello, il numero di osservazioni).p n

χ2⋅(n−p)
pn

Mi scuso per aver posto una domanda così basilare, ma sembra che non riesca a trovare la risposta online (o nei miei libri di testo più orientati all'applicazione).


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Si noti che le risposte dimostrano che l'affermazione non è del tutto corretta: la distribuzione di RSS è σ2 (non n−p ) volte una distribuzione χ2(n−p) dove σ2 è la vera varianza degli errori.
— whuber

Risposte:


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Considero il seguente modello lineare: y=Xβ+ϵ .

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′ .

Osserva che tr(Q)=n−p (la traccia è invariante sotto permutazione ciclica) e che Q′=Q=Q2 . Gli autovalori di Q sono quindi 0 e 1 (alcuni dettagli di seguito). Quindi, esiste una matrice unitaria V tale che (le matrici sono diagonali dalle matrici unitarie se e solo se sono normali. )

V′QV=Δ=diag(1,…,1⏟n−p times,0,…,0⏟p times)

Ora, lascia .K=V′ϵ^

Dal momento che , abbiamo e quindi . cosìK~N(0,σ2Δ)Knϵ^∼N(0,σ2Q)K∼N(0,σ2Δ)Kn−p+1=…=Kn=0

‖K‖2σ2=‖K⋆‖2σ2∼χn−p2

con .K⋆=(K1,…,Kn−p)′

Inoltre, poiché è una matrice unitaria, abbiamo ancheV

‖ϵ^‖2=‖K‖2=‖K⋆‖2

così

RSSσ2∼χn−p2

Infine, osserva che questo risultato lo implica

E(RSSn−p)=σ2

Poiché , il polinomio minimo di divide il polinomio . Quindi, gli autovalori di sono tra e . Poiché è anche la somma degli autovalori moltiplicati per la loro molteplicità, abbiamo necessariamente che è un autovalore con molteplicità e zero è un autovalore con molteplicità .Q2−Q=0Qz2−zQ01tr(Q)=n−p1n−pp


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(+1) Buona risposta. Si può limitare l'attenzione a ortogonale, anziché unitaria, poiché è reale e simmetrica. Inoltre, cos'è ? Non lo vedo definito. Riavviando leggermente l'argomento, si può anche evitare l'uso di una normale degenerata, nel caso in cui ciò causi una certa costernazione a coloro che non lo conoscono. VQSCR
— cardinale il

2
@Cardinale. Buon punto. SCR ("Somme des Carrés Résiduels" in francese) avrebbe dovuto essere RSS.
— Ocram,

Grazie per la risposta dettagliata Ocram! Alcuni passaggi mi richiedono di guardare di più, ma ho uno schema a cui pensare ora - grazie!
— Tal Galili,

@Glen_b: Oh, ho apportato una modifica un paio di giorni fa per cambiare SCR in SRR. Non ricordavo che SCR fosse menzionato nel mio commento. Dispiace per la confusione.
— Ocram,

@Glen_b: avrebbe dovuto significare RSS: -S modificato di nuovo. Thx
— ocram,

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IMHO, la notazione matriziale complica le cose. Il linguaggio dello spazio vettoriale puro è più pulito. Il modello può essere scritto Y = μ + σ G dove G ha la distribuzione normale standard su R n e si presume che μ appartenga a un sottospazio vettore W ⊂ R n .Y=Xβ+ϵY=μ+σGGRnμW⊂Rn

Ora entra in gioco il linguaggio della geometria elementare. I minimi quadrati estimatore μ di μ è altro che P W Y : la proiezione ortogonale della osservabile Y sullo spazio W a cui μ è assunto appartenere. Il vettore dei residui è P ⊥ W Y : proiezione sul complemento ortogonale W ⊥ di W in R n . La dimensione di W ⊥ è fioca ( W ⊥ ) = n -μ^μPWYYWμPW⊥YW⊥WRnW⊥ .dim⁡(W⊥)=n−dim⁡(W)

Infine, e P ⊥ W G ha la distribuzione normale standard su W ⊥ , quindi la sua norma al quadrato ha la distribuzione χ 2 con dim ( W ⊥ ) gradi di libertà.

PW⊥Y=PW⊥(μ+σG)=0+σPW⊥G,
PW⊥GW⊥χ2dim⁡(W⊥)

Questa dimostrazione usa solo un teorema, in realtà un teorema di definizione:

Definizione e teorema . Un vettore casuale in ha la distribuzione normale standard su uno spazio vettoriale U ⊂ R n se prende i suoi valori in U e le sue coordinate in uno (RnU⊂RnU⟺in tutto) le basi ortonormali di sono distribuzioni normali standard unidimensionali indipendentiU

(da questo teorema di definizione, il teorema di Cochran è così ovvio che non vale la pena dichiararlo)

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