Питання про нормальне підтвердження рівняння


11

Як можна довести, що нормальні рівняння: мають один чи більше розв’язків без припущення, що X є незворотним?(XTX)β=XTY

Єдина моя здогадка - це щось спільне з узагальненим зворотним, але я повністю втрачений.


1
Ви набираєте бали, задаючи питання, які провокують дивовижні відповіді.
— Nikana Reklawyks

Відповіді:


14

Можна спокуситись глібом і зазначити це тому, що квадратична форма

β→(Y−Xβ)′(Y−Xβ)

є позитивним напіввизначеним, існує для якого він мінімальний, і цей мінімум знайдений (встановивши градієнт відносно β до нуля) з нормальними рівняннямиββ

X′X(Y−Xβ)=0,

звідки має бути принаймні одне рішення , незалежно від рангу X′X . Однак, здається, цей аргумент не відповідає духу питання, який, як видається, є суто алгебраїчним твердженням. Можливо, цікаво зрозуміти, чому таке рівняння повинно мати рішення та за яких саме умов. Тож почнемо спочатку і зробимо вигляд, що ми не знаємо зв’язку з найменшими квадратами.


Це все зводиться до значення , транспонованою X . Це виявиться питанням простого визначення, відповідного позначення та концепції невідродженої напівлінійної форми. Нагадаємо, що X - "матриця проектування" з n рядків (по одному для кожного спостереження) та p стовпців (по одній для кожної змінної, включаючи постійну, якщо така є). Отже, це являє собою лінійне перетворення з векторного простору V = R p в W = R n .X′XXnpV=RpW=Rn

Транспонування , що розглядається як лінійне перетворення , є лінійним перетворенням подвійних просторів X ′ : W ∗ → V ∗ . Для того , щоб мати сенс композиції , як X ' X , то необхідно визначити W * з W . Це те, що звичайне скалярний твір (сума квадратів) на W робить.X X′:W∗→V∗X′XW∗WW

Насправді є два внутрішні добутки і g W, визначені на V і W відповідно. Це дійсні значення білінеарних симетричних функцій, які не вироджуються . Останнє означає, щоgVgWVW

gW(u,v)=0 ∀u∈W⟹v=0,

з аналогічною звітністю за . Геометрично ці внутрішні вироби дозволяють нам вимірювати довжину та кут. Умова г ( U , V ) = 0 можна розглядати як у будучи «перпендикулярно» до V . Невиродженість означає, що тільки нульовий вектор перпендикулярний до всього векторного простору. (Ця спільність означає , що отримані тут результати будуть застосовуватися до узагальненим методом найменших квадратів , що встановлюють, для яких г W не обов'язково звичайне скалярний твір дається як сума добутків компонент, але деяка довільна невироджених форма. Ми могли б обійтися без гgVg(u,v)=0uvgW взагалі, визначаючи X ′ : W → V ∗ , але я очікую, що багато читачів будуть незнайомими або незручними з подвійними пробілами, і тому вирішують уникати цієї формулювання.)gVX′:W→V∗

З цими внутрішніми продуктами в русі перенесення будь-якого лінійного перетворення визначається X ' : W → V черезX:V→WX′:W→V

gV(X′(w),v)=gW(w,X(v))

для всіх і про ∈ V . Що існує насправді вектор X ′ ( w ) ∈ V з цією властивістю, можна встановити, виписавши речі з підстав для V і W ; що цей вектор унікальний випливає з не виродженості внутрішніх продуктів. Бо якщо v 1 і v 2 - два вектори, для яких g V ( v 1 , v ) = g V ( v 2 , vw∈Wv∈VX′(w)∈VVWv1v2 для всіх v ∈ V , тоді (від лінійності в першому компоненті) g V ( v 1 - v 2 , v ) = 0 для всіх v, що означає v 1 - v 2 = 0 .gV(v1,v)=gV(v2,v)v∈VgV(v1−v2,v)=0vv1−v2=0

Коли запис U ⊥ для безлічі всіх векторів , перпендикулярних до кожного вектору в U . Крім того, напишіть X ( V ) для зображення X , визначеного як множина { X ( v ) | v ∈ V } ⊂ W . Фундаментальне співвідношення між X та його транспонтом X ' єU⊂W,U⊥UX(V)X{X(v)|v∈V}⊂WXX′

X′(w)=0⟺w∈X(V)⊥.

Тобто, знаходиться в ядрі X ' тоді і тільки тоді , коли ш перпендикулярно до образу X . wX′wX Це твердження говорить про дві речі:

  1. Якщо , то g W ( w , X ( v ) ) = g V ( X ′ ( w ) , v ) = g V ( 0 , v ) = 0 для всіх v ∈ V , що просто означає, що w перпендикулярно до X ( V ) .X′(w)=0gW(w,X(v))=gV(X′(w),v)=gV(0,v)=0v∈VwX(V)

  2. Якщо перпендикулярно X ( V ) , це означає лише g W ( w , X ( v ) ) = 0 для всіх v ∈ V , але це еквівалентно g V ( X ′ ( w ) , v ) = 0 і не виродженість g V означає X ′ ( w ) = 0 .wX(V)gW(w,X(v))=0v∈VgV(X′(w),v)=0gVX′(w)=0

Ми фактично закінчили зараз. Аналіз показав, що розкладається як прямий добуток W = X ( V ) ⊕ X ( V ) ⊥ . Тобто, ми можемо взяти будь-який довільний y ∈ W і записати його однозначно як y = y 0 + y ⊥ з y 0 ∈ X ( V ) і y ⊥ ∈ X ( V ) ⊥ . Це означає, що y 0WW=X(V)⊕X(V)⊥ y∈Wy=y0+y⊥y0∈X(V)y⊥∈X(V)⊥y0має вигляд принаймні один & beta ; ∈ V . Зверніть увагу, щоX(β)β∈V

y−Xβ=(y0+y⊥)−y0=y⊥∈X(V)⊥

Фундаментальне співвідношення говорить, що те саме, що ліва сторона знаходиться в ядрі :X′

X′(y−Xβ)=0,

βX′Xβ=X′y.


ny∈Wy0Xy⊥y0y0pβ∈VX(V)XXVW

VU=X(V)⊂WXU


Один цікавий результат цієї абстрактної алгебраїчної демонстрації - це те, що ми можемо розв’язати нормальні рівняння у довільних векторних просторах. Результат справедливий, скажімо, для складних просторів, для просторів над кінцевими полями (де мінімізація суми квадратів має мало сенсу), і навіть над нескінченномірними просторами, які підтримують відповідні послідовні форми.


1
У мене ніколи не було представника, щоб прийняти цю відповідь набагато пізніше. Я просто натрапив на це і хотів ще раз подякувати вам!
— ryati

β↦(Y−Xβ)′(Y−Xβ)
β→(Y−Xβ)′(Y−Xβ),
f:A→B.
— Майкл Харді

@Michael У вашому коментарі має бути помилка друку. Чи проти зауважити, що ви мали на увазі?
— whuber

“↦''“→''
— Майкл Харді

@Michael Пробач, що не бачив цієї відзнаки, незважаючи на багато прочитаних. Незалежно від мене перша стрілка стосується ін'єкційної функції, тоді як друга стосується будь-якої функції, але я підозрюю, що це не те, що ви маєте намір. Ви не проти пояснити свою нотацію?
— whuber

0

nXTXxxi=xyy¯


X=[1 x1;1 x2;…;1 xn]X=[1 x11…xm1;…;1 x1n…xmn]

3
X′X

0

У типовій регресії X є худим і тому, безумовно, не оберненим (хоча це може бути залишено зворотним.) Нескладно довести (запитайте, чи потрібна вам допомога), що якщо X худий і лівий незворотній, то X ^ T * X є незворотним. У цьому випадку тоді буде рівно одне рішення. І якщо X не має повного рангового стовпця, то X ^ T * X не буде повним рангом, і тому у вас буде недостатньо визначена система.


1
X′XX0β=0 β

whuber: звичайно, вони вирішують питання: один soln, якщо X повна стовпчаста колонка (як я вже згадував), і нескінченні рішення, якщо це
— недостатньо визначена

1
Той факт, що система "недостатньо визначена", не означає, що вона взагалі не має ніяких рішень. Питання полягає у існуванні рішень.
— whuber
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.