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単回帰モデルの最良線形不偏推定量 α編

単回帰モデルの最良線形不偏推定量 α

単回帰モデル

yi=α+βxi+ϵi(i=1,,n)ϵiiidN(0,σ2)

単回帰モデルに対する線形推定量の期待値

単回帰モデルの線形推定量に対して期待値を求めると,以下のように式展開される. E[i=1nciyi]=E[i=1nci(α+βxi+ϵi)]yi=α+βxi+ϵi=E[i=1nciα+i=1nciβxi+i=1nciϵi](A+B)=A+B=E[αi=1nci+βi=1ncixi+i=1nciϵi]cA=cA=αi=1nci+βi=1ncixi+E[i=1nciϵi]E[X+t]=E[X]+t=αi=1nci+βi=1ncixi+i=1nE[ciϵi]E[i=1nXi]=E[X1++Xn]=E[X1]++E[Xn]=i=1nE[Xi]=αi=1nci+βi=1ncixi+i=1nciE[ϵi]E[cX]=cE[X]=αi=1nci+βi=1ncixi+i=1nci0E[ϵi]=0=αi=1nci+βi=1ncixi

単回帰モデルに対する線形推定量の分散

V[i=1nciyi]=i=1nV[ciyi]=i=1nci2V[yi]=i=1nci2σ2=σ2i=1nci2

αの線形推定量

単回帰モデルの推定量αの線形推定量をα~とすると,この期待値は以下のように求められる. E[α~]=E[i=1nciyi]α~=i=1nciyi=αi=1nci+βi=1ncixi このα~が不偏推定量であるためには上記のα~の期待値がαである必要がある.
よって式展開した結果のα,βの係数であるi=1nci,i=1ncixiが以下の条件を満たす必要があるが, 逆に条件を満たせば不偏推定量である. {i=1nci=1i=1ncixi=0 不偏推定量となる線形推定量α~の中で分散σ2i=1nci2が最小となるものを 最良線形不偏推定量(best linear unbiased estimator; BLUE)と呼ぶ.ここではα^BLUEと表すこととする. {f(c1,,cn)=σ2i=1nci2g(c1,,cn)=i=1nci1=0h(c1,,cn)=i=1ncixi=0

α^BLUEの最良線形不偏推定量を求める

ラグランジュの未定乗数法を用いる.束縛条件に係数をかけて目的凾数と線形結合した式を作成する. L=L(c1,,cn,λ,μ)=f(c1,,cn)+λg(c1,,cn)+μh(c1,,cn)=σ2(i=1nci2)+λ(i=1nci1)+μ(i=1ncixi) Lを各変数ciで微分したものを連立させる. Lci=0(i=1,,n)2σ2ci+λ+μxi=0(i=1,,n)LcinA 連立させた式をまとめた式を一つ作る(その1). 2σ2i=1nci+λi=1n1+μi=1nxi=0Ai2σ2i=1nci+λn+μnx¯=0i=1n1=n,i=1nxi=nx¯2σ21+λn+μnx¯=0i=1nci=1()2σ2+λn+μnx¯=0 連立させた式をまとめた式を一つ作る(その2). ci(2σ2ci+λ+μxi)=ci0(i=1,,n)Aci2σ2ci2+λci+μcixi=0(i=1,,n)2σ2i=1nci2+λi=1nci+μi=1ncixi=0i2σ2i=1nci2+λ1+μ0=0i=1nci=1(),i=1ncixi=0()2σ2i=1nci2+λ=0 連立させた式をまとめた式を一つ作る(その3). xi(2σ2ci+λ+μxi)=xi0(i=1,,n)Axi2σ2cixi+λxi+μxi2=0(i=1,,n)2σ2i=1ncixi+λi=1nxi+μi=1nxi2=0i2σ2i=1ncixi+λnx¯+μi=1nxi2=0i=1nxi=nx¯2σ20+λnx¯+μi=1nxi2=0i=1ncixi=0()λnx¯+μi=1nxi2=0 まとめた式を改めて連立させる. {2σ2+λn+μnx¯=02σ2i=1nci2+λ=0λnx¯+μi=1nxi2=0

α^BLUEλ,μを求める

改めて連立させた式を用いて定数λ,μを求めていく. 2σ2+λn+μnx¯=0μnx¯=2σ2λnμ=(2σ2+λn)nx¯λnx¯+μi=1nxi2=0λnx¯+2σ2λnnx¯i=1nxi2=0nx¯(λnx¯+2σ2λnnx¯i=1nxi2)=nx¯0λn2x¯2+(2σ2λn)i=1nxi2=0λn2x¯22σ2i=1nxi2λni=1nxi2=0λn2x¯2λni=1nxi2=2σ2i=1nxi2nλ(i=1nxi2nx¯2)=2σ2i=1nxi2nλSxx=2σ2i=1nxi2Sxx=i=1nxi2nx¯2λ=2σ2i=1nxi2nSxx=2σ2i=1nxi2nSxxλnx¯+μi=1nxi2=0μi=1nxi2=λnx¯μ=λnx¯i=1nxi2=2σ2i=1nxi2nSxxnx¯i=1nxi2=2σ2x¯Sxx

α^BLUEciを求める

求めた定数λ,μを用いて,最小となる変数ciを求める. 2σ2ci+λ+μxi=0ci=λ+μxi2σ2=12σ2(2σ2i=1nxi2nSxx+2σ2x¯Sxxxi)=12σ2(2σ2i=1nxi2nSxx+2nσ2x¯nSxxxi)=12σ2(2σ2i=1nxi2+2nσ2x¯xinSxx)=12σ2(2σ2(i=1nxi2nx¯xi)nSxx)=i=1nxi2nx¯xinSxx=An+BSxx,ASxx+Bn=i=1nxi2nx¯xi=1n+x¯(x¯xi)SxxASxx+Bn=i=1nxi2nx¯xiA(i=1nxi2nx¯2)+Bn=i=1nxi2nx¯xiAi=1nxi2Anx¯2+Bn=i=1nxi2nx¯xiAi=1nxi2=i=1nxi2A=1()Anx¯2+Bn=nx¯xiB=x¯2x¯xi=x¯(x¯xi)()=1nx¯(xix¯)Sxx これは最小二乗推定量α^と同じである. α^BLUE=i=1nciyi=i=1n(1nx¯(xix¯)Sxx)yici=1nx¯(xix¯)Sxx=i=1n1nyii=1nx¯(xix¯)Sxxyi(Ai+Bi)=Ai+Bi=1ni=1nyix¯Sxxi=1n(xix¯)yicAi=cAi=1nny¯SxySxxx¯i=1nyi=ny¯,i=1n(xix¯)yi=Sxy=y¯β^x¯β^=SxySxx=α^α^=y¯β^x¯

α^BLUEの分散

α^BLUEの分散σ2i=1nci2を最小とするための変数ciを用いて以下のようになる. 2σ2i=1nci2+λ=0σ2i=1nci2=12λ=122σ2i=1nxi2nSxx=σ2i=1nxi2nSxx=σ2(An+BSxx),ASxx+Bn=i=1nxi2=σ2(1n+x¯2Sxx)ASxx+Bn=i=1nxi2A(i=1nxi2nx¯2)+Bn=i=1nxi2(Sxx=i=1nxi2nx¯2)Ai=1nxi2Anx¯2+Bn=i=1nxi2Ai=1nxi2=i=1nxi2A=1()Anx¯2+Bn=0B=x¯2()

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