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).

単回帰モデルの最小二乗推定量の分布

単回帰モデルの最小二乗推定量α^,β^の分布

単回帰モデル

yi=α+βxi+ϵi(i=1,,n)ϵiiidN(0,σ2)E[yi]=E[α+βxi+ϵi]=α+βxi+E[ϵi]E[X+t]=E[X]+t=α+βxi+0ϵiiidN(0,σ2)=α+βxiV[yi]=V[α+βxi+ϵi]=V[ϵi]V[X+t]=V[X]=σ2ϵiiidN(0,σ2)yiN(α+βxi,σ2) yiN(α+βxi,σ2)に従う確率変数である.

β^i=1nciyiの形で表す

推定量がi=1ncixi(xi:,ci:)の形で表現できるとき,この推定量を線形推定量(linear estimate)という.
(よく知られる線形推定量の例として平均x¯があり,x¯=i=1n1nxiで表現される) β^=SxySxxβ^=SxySxx,Sxx=i=1n(xix¯)2,x¯=1ni=1nxi=1Sxxi=1n(xix¯)(yiy¯)=1Sxxi=1n(xix¯)yii=1n(xix¯)(yiy¯)=Sxy=i=1n(xix¯)yi=i=1nxix¯Sxxyi=i=1nciyici=xix¯Sxx

β^の期待値をi=1nciyiから求めてみる

E[i=1nciyi]=E[i=1nxix¯Sxxyi]=E[SxySxx],SxySxx=i=1nxix¯Sxxyi=E[β^]β^=SxySxx=βE[β^]=β

β^の分散をi=1nciyiから求めてみる

V[i=1nciyi]=V[i=1nxix¯Sxxyi]=i=1nV[xix¯Sxxyi]yiCov[yi,yj]=0,V[X+Y]=V[X]+V[Y]=i=1n(xix¯Sxx)2V[yi]V[cX]=c2V[X]=i=1n(xix¯Sxx)2σ2=σ2Sxx2i=1n(xix¯)2=σ2Sxx2SxxSxx=i=1n(xix¯)2=σ2SxxV[SxySxx]=σ2Sxx

β^の分布

以上のように,β^は線形推定量であり,正規分布に従うyiの定数倍の和で表すことができた.よってβ^は同様に正規分布に従い,その期待値と分散はそれぞれ上記で求めたとおりである Z=c1X+c2Y(XN(μ1,σ12),YN(μ2,σ22),ZN(c1μ1+c2μ2,c12σ12+c22σ22))β^N(β,σ2Sxx)

α^i=1nciyiの形で表す

α^=y¯β^x¯α^=y¯β^x¯=i=1n1nyiSxySxxx¯=i=1n1nyi(i=1nxix¯Sxxyi)x¯,SxySxx=i=1nxix¯Sxxyi=i=1n1nyix¯i=1nxix¯Sxxyi=i=1n1nyii=1nx¯(xix¯)Sxxyi=i=1n(1nx¯(xix¯)Sxx)yi=i=1nciyici=1nx¯(xix¯)Sxx

α^の期待値をi=1nciyiから求めてみる

E[i=1nciyi]=E[i=1n(1nx¯(xix¯)Sxx)yi]=E[i=1n(1nyix¯(xix¯)Sxxyi)]=E[i=1n1nyii=1nx¯(xix¯)Sxxyi]=E[i=1n1nyii=1nx¯(xix¯)Sxxyi]=E[i=1n1nyi]E[i=1nx¯(xix¯)Sxxyi]E[X+Y]=E[X]+E[Y]=E[1ni=1nyi]E[x¯i=1n(xix¯)Sxxyi]=1nE[i=1nyi]x¯E[i=1n(xix¯)Sxxyi]E[cX]=cE[X]=1ni=1nE[yi]x¯E[SxySxx],SxySxx=i=1nxix¯Sxxyi=1ni=1n(α+βxi)x¯E[SxySxx]E[yi]=α+βxi=1n(αi=1n1+βi=1nxi)x¯E[β^]β^=SxySxx=1n(nα+βnx¯)x¯βE[β^]=β=1nn(α+βx¯)x¯β=(α+βx¯)x¯β=αE[α^]=α

α^の分散をi=1nciyiから求めてみる

V[i=1nciyi]=V[i=1n(1nx¯(xix¯)Sxx)yi]=i=1nV[(1nx¯(xix¯)Sxx)yi]V[SxySxx]=σ2Sxx=i=1n(1nx¯(xix¯)Sxx)2V[yi]V[cX]=c2V[X]=i=1n(1nx¯(xix¯)Sxx)2σ2=σ2i=1n(1nx¯(xix¯)Sxx)2=σ2i=1n(1n221nx¯(xix¯)Sxx+(x¯(xix¯)Sxx)2)=σ2(i=1n1n2i=1n21nx¯(xix¯)Sxx+i=1n(x¯(xix¯)Sxx)2)=σ2(1n2i=1n12x¯nSxxi=1n(xix¯)+x¯2Sxx2i=1n(xix¯)2)=σ2(1n2n2x¯nSxx0+x¯2Sxx2Sxx)=σ2(1n2n2x¯nSxx0+x¯2Sxx2Sxx)=σ2(1n+x¯2Sxx)V[y¯β^x¯]=(1n+x¯2Sxx)σ2

α^の分布

以上のように,α^は線形推定量であり,正規分布に従うyiの定数倍の和で表すことができた.よってα^は同様に正規分布に従い,その期待値と分散はそれぞれ上記で求めたとおりである Z=c1X+c2Y(XN(μ1,σ12),YN(μ2,σ22),ZN(c1μ1+c2μ2,c12σ12+c22σ22))α^N(α,σ2(1n+x¯2Sxx))

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