間違いしかありません.コメントにてご指摘いただければ幸いです(気が付いた点を特に断りなく頻繁に書き直していますのでご注意ください).

単回帰における最小二乗推定量の分散(variance)・共分散(covariance)

単回帰における最小二乗推定量α^,β^の分散(variance)・共分散(covariance)

単回帰における観測値yiの分散・共分散について

yi=α+βxi+ϵi(i=1,,n){ϵi|i=1,,n}:ϵiiidN(0,σ2)(independentandidenticallydistributed;IID,i.i.d.,iid)E[ϵi]=0,V[ϵi]=σ2,(Cov[ϵi,ϵj]={V[ϵi]=σ2(i=j)0(ij))V[yi]=V[α+βxi+ϵi]=V[ϵi]V[X±t]=V[X](t:)=σ2Cov[yi,yj]=E[(yiE[yi])(yjE[yj])]Cov[X,Y]=E[(XE[X])(YE[Y])]=E[(α+βxi+ϵiE[α+βxi+ϵi])(α+βxj+ϵjE[α+βxj+ϵj])]yi=α+βxi+ϵi=E[(α+βxi+ϵiαβxiE[ϵi])(α+βxj+ϵjαβxjE[ϵj])]E[X±t]=E[X]±t=E[(ϵiE[ϵi])(ϵjE[ϵj])]=Cov[ϵi,ϵj] 上記を踏まえて(xix¯)を加えた分散・共分散について Cov[(xix¯)(yiy¯),(xjx¯)(yjy¯)]=(xix¯)(xjx¯)Cov[(yiy¯),(yjy¯)]Cov[c0Xi,c1Xj]=c0c1Cov[Xi,Xj]=(xix¯)(xjx¯)E[{(yiy¯)E[yiy¯]}{(yjy¯)E[yjy¯]}]Cov[X,Y]=E[(XE[X])(YE[Y])]=(xix¯)(xjx¯)E[{yiy¯E[yi]+y¯}{yjy¯E[yj]+y¯}]E[X±t]=E[X]±t=(xix¯)(xjx¯)E[(yiE[y¯])(yjE[y¯])]=(xix¯)(xjx¯)Cov[yi,yj]Cov[X,Y]=E[(XE[X])(YE[Y])]={(xix¯)2σ2(i=j)(xix¯)(xjx¯)0(ij)Cov[yi,yj]=Cov[ϵi,ϵj]={V[ϵi]=σ2(i=j)0(ij)V[(xix¯)yi]=(xix¯)2V[yi]V[cX]=c2V[X]=(xix¯)2σ2i=j

Sxyの分散

V[Sxy]=V[i=1n(xix¯)(yiy¯)]Sxy=i=1n(xix¯)(yiy¯)=i=1nV[(xix¯)(yiy¯)]+2i<jCov[(xix¯)(yiy¯),(xjx¯)(yjy¯)]V[i=1nXi]=i=1nV[Xi]+2i<jCov[Xi,Xj]=i=1n(xix¯)2σ2+2i<j0V[(xix¯)(yiy¯)]=(xix¯)2σ2Cov[(xix¯)(yiy¯),(xjx¯)(yjy¯)]=0(ij)=σ2i=1n(xix¯)2i=0ncXi=ci=0nXi=σ2SxxSxx=i=1n(xix¯)2

最小2乗推定量β^の分散

V[β^]=V[SxySxx]β^=SxySxx,Sxx=i=1n(xix¯)2,Sxy=i=1n(xix¯)(yiy¯)=1Sxx2V[Sxy]V[cX]=c2V[X]=1Sxx2σ2SxxV[Sxy]=σ2Sxx=1Sxxσ2

最小2乗推定量α^の分散

V[α^]=V[y¯β^x¯]α^=y¯β^x¯=V[y¯SxySxxx¯]β^=SxySxx,Sxx=i=1n(xix¯)2,Sxy=i=1n(xix¯)(yiy¯)=V[y¯]+V[SxySxxx¯]2Cov[y¯,SxySxxx¯]V[X±Y]=V[X]±2Cov[X,Y]+V[Y]=V[y¯]+V[SxySxxx¯]20Cov[y¯,SxySxxx¯]=0()=V[y¯]+x¯2Sxx2V[Sxy]=V[1ni=1nyi]+x¯2Sxx2σ2SxxV[Sxy]=σ2Sxx=1n2V[i=1nyi]+x¯2Sxxσ2V[cX]=c2V[X]=1n2{i=1nV[yi]+2i<jCov[yi,yj]}+x¯2Sxxσ2V[i=1nXi]=i=1nV[Xi]+2i<jCov[Xi,Xj]=1n2{i=1nσ2+2i<j0}+x¯2Sxxσ2V[yi]=σ2,Cov[yi,yj]=0=1n2nσ2+x¯2Sxxσ2i=0nc=nc=(1n+x¯2Sxx)σ2

最小2乗推定量α^β^の共分散

Cov[α^,β^]=E[(α^E[α^])(β^E[β^])]Cov[X,Y]=E[(XE[X])(YE[Y])]=E[((y¯β^x¯)E[y¯β^x¯])(β^E[β^])]α=y¯β^x¯=E[(y¯SxySxxx¯E[y¯SxySxxx¯])(SxySxxE[SxySxx])]β^=SxySxx,Sxx=i=1n(xix¯)2,Sxy=i=1n(xix¯)(yiy¯)=E[(y¯SxySxxx¯E[y¯]+E[SxySxxx¯])(SxySxxE[SxySxx])]E[X±Y]=E[X]±E[Y]=E[(y¯SxySxxx¯E[y¯]+x¯SxxE[Sxy])(SxySxx1SxxE[Sxy])]E[cX]=cE[X]=E[{y¯E[y¯]x¯Sxx(SxyE[Sxy])}{1Sxx(SxyE[Sxy])}]=E[x¯Sxx(SxyE[Sxy])1Sxx(SxyE[Sxy])]y¯E[y¯]=y¯y¯=0=E[x¯Sxx2(SxyE[Sxy])2]=x¯Sxx2E[(SxyE[Sxy])2]E[cX]=cE[X]=x¯Sxx2σ2SxxE[(SxyE[Sxy])2]=V[Sxy]=σ2Sxx=x¯Sxxσ2

Cov[y¯,SxySxxx¯]=0について

Cov[y¯,SxySxxx¯]=E[(y¯E[y¯])(SxySxxx¯E[SxySxxx¯])]Cov[X,Y]=E[(XE[X])(YE[Y])]=E[(y¯y¯)(SxySxxx¯x¯SxxE[Sxy])]E[y¯]=y¯,E[cX]=cE[X]=E[0x¯Sxx(SxyE[Sxy])]=E[0]=0

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