Чому слід


13

У моделі ми могли б оцінити за допомогою звичайного рівняння:y=Xβ+ϵβ

у =Х β .

β^=(X′X)−1X′y,
і ми могли б отримати
y^=Xβ^.

Вектор залишків оцінюється за

ϵ^=y−Xβ^=(I−X(X′X)−1X′)y=Qy=Q(Xβ+ϵ)=Qϵ,

де

Q=I−X(X′X)−1X′.

Моє запитання - як отримати висновок

tr(Q)=n−p.

Відповіді:


12

Висновок лише підраховує розміри векторних просторів. Однак це, як правило, не відповідає дійсності.

Найбільш основні властивості множення матриці показують, що лінійне перетворення, представлене матрицею задовольняєH=X(X′X)−X′

H2=(X(X′X)−X′)2=X(X′X)−(X′X)(X′X)−X′=H,

демонструючи це як оператор проекції . Тому його доповнення

Q=1−H

(як зазначено у питанні) також є оператором проекції. Слід - це його ранг (див. Нижче), звідки слід дорівнює . h Q n - hHhQn−h

З самої його формули видно, що - матриця, пов'язана зі складом двох лінійних перетворень і самПерший ( ) перетворює - вектор в р -векторних р . Другий ( Х ) є перетворення з R р в R п визначається у = X р . Її ранг не може перевищувати менший з цих двох розмірів, який у налаштуваннях мінімум квадратів є завждиJ = ( X ′ X ) -H X J n y

J=(X′X)−X′
XJnypβ^XRpRny^=Xβ^ (але може бути менше p , коли J не є повноцінним). Отжеранг композиції Н = Х J не може перевищувати ранг X . Правильний висновок, отже, такийppJH=XJX

тоді і тільки тоді, коли J є повним рангом; і взагалі n ≥ tr ( Q ) ≥ n - p . У першому випадку модель, як кажуть, "ідентифікована" (для коефіцієнтів β ).tr(Q)=n−pJn≥tr(Q)≥n−pβ

буде повноцінним, якщо і лише тоді, коли X ′ X є зворотним.JX′X


Геометрична інтерпретація

являє ортогональну проекцію з n- векторів y (представляє "відповідь" або "залежна змінна") на простір, що охоплюється стовпцями X (представляючи "незалежні змінні" або "коваріати"). Різниця Q = 1 - H показує, як розкласти будь-який n- вектор y на суму векторів y = H ( y ) + Q ( y ) , де перший можна "передбачити" віда другий перпендикулярно до нього . КолиHnyXQ=1−Hny

y=H(y)+Q(y),
p X p H p Q n - p n - pXpстовпці породжують - мірний простір (тобто, не колінеарні), ранг є і рангом є , що відображає додаткових розмірів варіації у відповідь які не представлені в межах незалежних змінних. Слід дає алгебраїчну формулу для цих вимірів.XpHpQn−pn−p

Фон лінійної алгебри

Оператор проекції на векторному просторі (наприклад, ) є лінійним перетворенням (тобто, ендоморфізм з ) таким чином, що . Це робить його доповнення також оператором проекції, оскількиR n P : V → V V P 2 = P Q = 1 - PVRnP:V→VVP2=PQ=1−P

Q2=(1−P)2=1−2P+P2=1−2P+P=Q.

Усі проекції фіксують кожен елемент їх зображень, тому що коли ми можемо записати для деякого , звідкиv = P ( w ) w ∈ V w = P ( v ) = P 2 ( v ) = P ( P ( v ) ) = P ( w ) .v∈Im(P)v=P(w)w∈V

w=P(v)=P2(v)=P(P(v))=P(w).

З будь-яким ендоморфізмом з є два підпростори: його ядро та його зображення Кожен вектор може бути записаний у формі де та . Тому ми можемо побудувати основу для для якої і . Коли V ker ( P ) = { v ∈ vPV Im ( P ) = { v ∈ v

ker(P)={v∈v|P(v)=0}
v ∈ V v = w + u w ∈ Im ( P ) u ∈ Ker ( P ) E ∪ F V E ⊂ Ker ( P ) F ⊂ Im ( P ) V P P E P F f f F f F P f ×
Im(P)={v∈v|∃w∈VP(w)=v}.
v∈V
v=w+u
w∈Im(P)u∈Ker(P)E∪FVE⊂Ker(P)F⊂Im(P)Vє кінцевомірною, матриця в цій основі буде, таким чином, у блочно-діагональній формі, з одним блоком (відповідним дії на ) всі нулі та інший (відповідний дія на ) дорівнює по матриці тотожності , де розмірність дорівнює . Слід - це сума значень по діагоналі і тому повинна дорівнювати . Це число є ранг з : розмірність його образу.PPEPFffFfPPf×1=fP

Слід дорівнює сліду (дорівнює , розмірність ) мінус слід . 1 n V P1−P1nVP

Ці результати можна підсумувати твердженням, що слід проекції дорівнює його рангу.


Дуже дякую. Я дізнався багато розширених знань з вашої відповіді.
— zhushun0008

19

@Dougal вже дав відповідь, але ось ще одна, трохи простіша.

Спочатку скористаємося тим, що . Отже, отримуємо:Тепер це одинична матриця, так . Тепер скористаємося тим, що , тобто слід є інваріантним при циклічних перестановках. Отже, маємо:Коли ми помножимо на , отримаємо матрицю тотожності , слід якої - . Отже, отримуємо:tr(A−B)=tr(A)−tr(B)

tr(Q)=tr(I)−tr(X(X′X)−1X′).
In×ntr(I)=ntr(AB)=tr(BA)
tr(Q)=n−tr((X′X)−1(X′X)).
(X′X)−1(X′X)p×pp
tr(Q)=n−p.

6

Припустимо, що і що є повноцінним.n≤pX

Розглянемо компактне розкладання значення однини , де - діагональне, а мають (але зауважте, що є рейтингом не більше тому він не може бути ). ПотімX=UΣVTΣ∈Rp×pU∈Rn×p,V∈Rp×pUTU=VTV=VVT=IpUUTpIn

X(XTX)−1XT=UΣVT(VΣUTUΣVT)−1VΣUT=UΣVT(VΣ2VT)−1VΣUT=UΣVTVΣ−2VTVΣUT=UUT.

Тепер існує матриця така, що є єдиною. Ми можемо записати Ця форма показує, що є позитивним напіввизначеним, а оскільки це дійсний svd, а особливі значення є квадратом власних значень квадратної симетричної матриці, також говорить нам, що має власні значення 1 (кратності ) і 0 (множинності ).U2∈Rn×n−pUn=[UU2]QQn-ppQn-p

I−X(XTX)−1XT=UnUnT−UUT=Un(In−[Ip000])UnT=Un[000In−p]UnT.
QQn−ppQn−p.
Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.