问题(一)

本文解析了OLS回归中的关键概念,包括β^1的证明、β1和β0的方差公式、同方差假设的应用、以及相关公式推导。涉及证明步骤、常数项处理和误差项性质,适合深入理解回归分析。

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OLS回归问题

1、对以下式子的证明不理解:

β^1=β1+∑i=1n(xi−x‾)uiSSTx=β1+1SSTx∑i=1ndiui\hat \beta_1= \beta_1 + \frac{\sum_{i=1}^n(x_i-\overline x)u_i}{SST_x}=\beta_1 +\frac{1}{SST_x}\sum_{i=1}^nd_iu_iβ^1=β1+SSTxi=1n(xix)ui=β1+SSTx1i=1ndiui

证明:
β^1=∑i=1n(xi−x‾)yi∑i=1n(xi−x‾)2        (1)\hat \beta_1=\frac{\sum_{i=1}^n(x_i-\overline x)y_i}{\sum_{i=1}^n(x_i-\overline x)^2}~~~~~~~~(1)β^1=i=1n(xix)2i=1n(xix)yi        (1)

yi=β0+βixi+uiy_i=\beta_0+\beta_i x_i+u_iyi=β0+βixi+ui代入,分子变为

∑i=1n(xi−x‾)β0+∑i=1n(xi−x‾)β1xi+∑i=1n(xi−x‾)ui        (2)\sum_{i=1}^n(x_i-\overline x)\beta_0+\sum_{i=1}^n(x_i-\overline x)\beta_1x_i+\sum_{i=1}^n(x_i-\overline x)u_i ~~~~~~~~(2)i=1n(xix)β0+i=1n(xix)β1xi+i=1n(xix)ui        (2)

既然∑i=1n(xi−x‾)=0\sum_{i=1}^n(x_i-\overline x)=0i=1n(xix)=0
那么∑i=1n(xi−x‾)β1xi=∑i=1n(xi−x‾)2β1\sum_{i=1}^n(x_i-\overline x)\beta_1x_i=\sum_{i=1}^n(x_i-\overline x)^2\beta_1i=1n(xix)β1xi=i=1n(xix)2β1

前面的(2)式就可以约掉很多项,代到(1)式中,变成

β^1=β1+∑i=1n(xi−x‾)uiSSTx=β1+1SSTx∑i=1ndiui\hat \beta_1= \beta_1 + \frac{\sum_{i=1}^n(x_i-\overline x)u_i}{SST_x}=\beta_1 +\frac{1}{SST_x}\sum_{i=1}^nd_iu_iβ^1=β1+SSTxi=1n(xix)ui=β1+SSTx1i=1ndiui

  • 我的问题是既然∑i=1n(xi−x‾)=0\sum_{i=1}^n(x_i-\overline x)=0i=1n(xix)=0,为什么(2)式没有直接等于0?
  • 答: (2)式中只有第一项等于零,后面两项都不等于零,所以消掉的只是第一项。

2、如何证明
对于β1,\beta_1,β1,

Var(β^1)=σSSTxVar(\hat \beta_1)=\frac{\sigma}{SST_x}Var(β^1)=SSTxσ

β1\beta_1β1是一个常数,

Var(β^1)=(1SSTx)2Var(∑i=1ndiui)=(1SSTx)2(∑i=1ndi2σ2)=σ2SSTxVar(\hat \beta_1)=(\frac{1}{SST_x})^2Var(\sum_{i=1}^nd_iu_i)=(\frac{1}{SST_x})^2(\sum_{i=1}^nd_i^2\sigma^2)=\frac{\sigma^2}{SST_x}Var(β^1)=(SSTx1)2Var(i=1ndiui)=(SSTx1)2(i=1ndi2σ2)=SSTxσ2

但是以下β0\beta_0β0的公式不知道如何解释

Var(β^0)=σ2SSTx×n−1∑i=1nxi2Var(\hat \beta_0)=\frac{\sigma^2}{SST_x}\times n^{-1}\sum_{i=1}^nx_i^2Var(β^0)=SSTxσ2×n1i=1nxi2

其中di=(xi−x‾),    SSTx=∑i=1n(xi−x‾)2其中 d_i=(x_i-\overline x),~~~~SST_x=\sum_{i=1}^n(x_i-\overline x)^2di=(xix),    SSTx=i=1n(xix)2

  • 如何证明Var(β^0)Var(\hat \beta_0)Var(β^0)的式子?
    在这里插入图片描述
    (ps:弄这道前先弄第11题以及第12题。)

3、为什么Cov(ui,u‾)=1nVar(ui)Cov(u_i,\overline u)=\frac{1}{n}Var(u_i)Cov(ui,u)=n1Var(ui)


  • 在这里插入图片描述

4、为什么Var(∑i=1ndiui)=SSTx×σ2,其中di=xi−x‾Var(\sum_{i=1}^nd_iu_i)=SST_x\times \sigma^2,其中d_i=x_i-\overline xVar(i=1ndiui)=SSTx×σ2di=xix

  • -
    因为di是非随机的,所以di和求和符号都可以提出来,提出来要加上平方,就变成了SSTx。而ui的方差一直都是 σ2\sigma^2σ2 。我想问这里“非随机的”,是什么意思?
    答:非随机的意思是,把只含有x的项看做常数,也就是认为只含有x的项是给定的,不是随机变量。

5、同方差假设在什么时候用?5、同方差假设在什么时候用?5

  • -
    同方差假设的提出是为了得到OLS估计量的方差,所以只要需要用到OLS估计量的方差的情况,都要假定同方差假设是成立的。

6、课后习题中有一道题,6、课后习题中有一道题,6
β~1=β0(∑i=1nxi)/(∑i=1nxi2)+β1+(∑i=1nxiui)/(∑i=1nxi2)\widetilde \beta_1=\beta_0(\sum_{i=1}^nx_i)/(\sum_{i=1}^nx_i^2)+\beta_1+(\sum_{i=1}^nx_iu_i)/(\sum_{i=1}^nx_i^2)β1=β0(i=1nxi)/(i=1nxi2)+β1+(i=1nxiui)/(i=1nxi2)

Var(β~1)=(∑i=1nxi2)−2Var(∑i=1nxiui)=σ2/(∑i=1nxi2)−2Var(\widetilde \beta_1)=(\sum_{i=1}^nx_i^2)^{-2}Var(\sum_{i=1}^nx_iu_i)=\sigma^2/(\sum_{i=1}^nx_i^2)^{-2}Var(β1)=(i=1nxi2)2Var(i=1nxiui)=σ2/(i=1nxi2)2

我想问为什么方差公式中只保留了有uiu_iui的这一项?

  • -
    在这里插入图片描述
    7、课本中β1\beta_1β1有两个公式,

β^1=∑i=1n(xi−x‾)(yi−y‾)∑i=1n(xi−x‾)\hat \beta_1=\frac{\sum_{i=1}^n(x_i-\overline x)(y_i-\overline y)}{\sum_{i=1}^n(x_i-\overline x)}β^1=i=1n(xix)i=1n(xix)(yiy)

β^1=∑i=1n(xi−x‾)yi∑i=1n(xi−x‾)\hat \beta_1=\frac{\sum_{i=1}^n(x_i-\overline x)y_i}{\sum_{i=1}^n(x_i-\overline x)}β^1=i=1n(xix)i=1n(xix)yi

为什么可以这样变动?

  • -
    在这里插入图片描述

8、Cov(β^1−β1,u‾)=E[(β^1−β1)u‾]Cov(\hat \beta_1-\beta_1,\overline u)=E[(\hat \beta_1-\beta_1)\overline u]Cov(β^1β1,u)=E[(β^1β1)u]是怎么算的?

  • -
    在这里插入图片描述
    9、为什么Var(u‾)=1nσ2Var(\overline u)=\frac{1}{n} \sigma^2Var(u)=n1σ2
  • -
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

10、为什么E(uiu‾)=E(ui2n)=σnE(u_i\overline u)=E(\frac{u_i^2}{n})=\frac{\sigma}{n}E(uiu)=E(nui2)=nσ

  • -
    在这里插入图片描述

11、对于OLS回归:
β^0=y‾−β^x‾\hat \beta_0 = \overline y-\hat \beta \overline xβ^0=yβ^x

y‾=β0+β1x‾+u‾\overline y=\beta_0+\beta_1 \overline x+\overline uy=β0+β1x+u

β^0−(β0+β1x‾+u‾)−β^1x‾=β0+u‾−(β^1−β1)x‾\hat \beta_0-(\beta_0+\beta_1\overline x+\overline u)-\hat \beta_1 \overline x=\beta_0+\overline u-(\hat \beta_1-\beta_1)\overline xβ^0(β0+β1x+u)β^1x=β0+u(β^1β1)x

Var(β^0)Var(\hat \beta_0)Var(β^0)

=Var(u‾)+Var(β^1)x‾2=Var(\overline u)+Var(\hat \beta_1)\overline x^2=Var(u)+Var(β^1)x2

=σ2/n+(σ2/SSTx)x‾2=\sigma^2/n+(\sigma^2/SST_x)\overline x^2=σ2/n+(σ2/SSTx)x2

=σ2/n+σ2x‾2/SSTx=\sigma^2/n+\sigma^2\overline x^2/SST_x=σ2/n+σ2x2/SSTx

我想问的是这里为什么β0以及β1不用管,而u‾要管\beta_0以及\beta_1不用管,而\overline u要管β0β1u

本来觉得β0、β1\beta_0、\beta_1β0β1是总体中的真值,是常数所以计算方差的时候不要考虑进去。
但是 u‾\overline uu 也是常数。

  • -
    在这里插入图片描述

12、还是一个计算问题,为什么以下式子成立?
SSTx/n=n−1∑i=1nxi2−(x‾)2SST_x/n=n^{-1}\sum_{i=1}^nx_i^2-(\overline x)^2SSTx/n=n1i=1nxi2(x)2

这个式子解释清楚了就可以解答第二题:

Var(β~0)Var(\tilde \beta_0)Var(β~0)

=σ2[(SSTx/n)+x‾2)/SSTx=\sigma^2[(SST_x/n)+\overline x^2)/SST_x=σ2[(SSTx/n)+x2)/SSTx

=σ2[(n−1∑i=1nxi2−x‾)+x‾2)/SSTx=\sigma^2[(n^{-1}\sum_{i=1}^nx_i^2-\overline x)+\overline x^2)/SST_x=σ2[(n1i=1nxi2x)+x2)/SSTx

=σ2SSTx×n−1∑i=1nxi2=\frac{\sigma^2}{SST_x}\times n^{-1}\sum_{i=1}^nx_i^2=SSTxσ2×n1i=1nxi2
在这里插入图片描述
(这个我回去拿书就放上去)

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