R- 제곱의 조건부 기대


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간단한 선형 모형을 고려하십시오.

와이y = X ' ββ + ϵ

yy=X′ββ+ϵ

여기서 및 , p ≥ 2 및 X 는 열을 포함합니다. 상수.ϵ i ∼ i . 나는 . d .N ( 0 , σ 2 ) X ∈ R n × pϵi∼i.i.d.N(0,σ2)X∈Rn×pp≥2X

내 질문은 E ( X ' X )E(X′X) , ββ 및 σ 가 주어지면 E ( R 2 ) * σ에 사소한 상한에 대한 공식이 있습니까? (모델이 OLS에 의해 추정되었다고 가정).E(R2)

* 내가이 글을 쓰는, 가정이 점점 E ( R 2 )E(R2) 자체가 불가능했을 것입니다.

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Stéphane Laurent (아래 참조)에서 파생 된 솔루션을 사용하여 E ( R 2 ) 에 대한 사소한 상한을 얻을 수 있습니다 E(R2). 일부 수치 시뮬레이션 (아래)은이 한계가 실제로 매우 엄격하다는 것을 보여줍니다.

: 스테판 랑은 다음 유래 R 2 ~ B ( P - 1 , N - P , λ ) B ( P - 1 , N - P , λ는 ) 비 중심적 파라미터 비 중앙 베타 분포 λ 로를R2∼B(p−1,n−p,λ)B(p−1,n−p,λ)λ

λ = | | X ' β - E ( X ) ' β 1 n | | 2σ 2

λ=||X′β−E(X)′β1n||2σ2

그래서

E ( R 2 ) = E ( χ (2) P - 1 ( λ )χ 2 p - 1 ( λ ) + χ 2 n − p )≥E(χ 2 p - 1 (λ))E ( χ (2) P - 1 ( λ ) ) + E ( χ 2 N - P )

E ( R2) = E ( χ2p - 1( λ )χ2p - 1( λ ) + χ2n - p) ≥ E ( χ2p - 1( λ ) )E ( χ2p - 1( λ ) ) + E ( χ2n - p)

여기서 χ 2 k ( λ ) 는 매개 변수 λ 와 k 자유도를 가진 비 중심 χ 2 입니다 . 따라서 E ( R 2 )에 대한 사소한 상한 은χ2케이( λ )χ2λ케이E ( R2)

λ + p - 1λ + n - 1

λ + p - 1λ + n - 1

그것은이다 매우 (I 가능한 것 기대했던 것보다 훨씬 엄격한) 꽉 :

예를 들어 다음을 사용합니다.

rho<-0.75
p<-10
n<-25*p
Su<-matrix(rho,p-1,p-1)
diag(Su)<-1
su<-1
set.seed(123)
bet<-runif(p)

1000 개 이상의 시뮬레이션 에서 R 2 의 평균은 입니다 . 위의 이론 상한은 다음과 같습니다 . 바운드는 많은 R 2 값에서 똑같이 정확 해 보입니다 . 정말 놀랍습니다!R20.9608190.9609081R2

EDIT2 :

더욱 연구 한 결과,이 표시 의 상한의 근사 품질 것을 E ( R 2 ) 보다로서 얻을 λ + (P)의 증가 (과 다른 모든 동등 λ 로 증가 없음 ).E(R2)λ+pλn


R 2 는 n 과 p 에만 의존하는 매개 변수를 가진 베타 분포를 가지고있습니다. 아니 ? R2np
— Stéphane Laurent

1
죄송합니다. 이전의 주장은 "널 모델"(인터셉트 만)의 가설 하에서 만 사실입니다. 그렇지 않으면 R 2 의 분포는 비 중심 베타 분포와 유사해야하며 알 수없는 매개 변수를 포함하는 비 중심 매개 변수가 있어야합니다. R2
— Stéphane Laurent

@ StéphaneLaurent : 감사합니다. 알려지지 않은 매개 변수와 베타의 매개 변수 사이의 관계에 대해 더 알고 싶으십니까? 나는 붙어있어 어떤 포인터라도 환영받을 것이다 ...
— user603

당신은 절대적으로 대처해야합니까 E [ R 2 ] ? 아마도위한 간단한 정확한 수식가 E [ R (2) / ( 1 - R 2 ) ] . E[R2]E[R2/(1−R2)]
— Stéphane Laurent

1
내 대답의 표기법으로 일부 스칼라 k의 경우 R 2 / ( 1 - R 2 ) = k F 이며 비 중앙 F 분포 의 첫 번째 순간 은 간단합니다. R2/(1−R2)=kFkF
— Stéphane Laurent

답변:


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Any linear model can be written Y=μ+σGY=μ+σG where GG has the standard normal distribution on RnRn and μμ is assumed to belong to a linear subspace WW of RnRn. In your case W=Im(X)W=Im(X).

Let [1]⊂W[1]⊂W be the one-dimensional linear subspace generated by the vector (1,1,…,1)(1,1,…,1). Taking U=[1]U=[1] below, the R2R2 is highly related to the classical Fisher statistic F=‖PZY‖2/(m−ℓ)‖P⊥WY‖2/(n−m),

F=∥PZY∥2/(m−ℓ)∥P⊥WY∥2/(n−m),
for the hypothesis test of H0:{μ∈U}H0:{μ∈U} where U⊂WU⊂W is a linear subspace, and denoting by Z=U⊥∩WZ=U⊥∩W the orthogonal complement of UU in WW, and denoting m=dim(W)m=dim(W) and ℓ=dim(U)ℓ=dim(U) (then m=pm=p and ℓ=1ℓ=1 in your situation).

Indeed, ‖PZY‖2‖P⊥WY‖2=R21−R2

∥PZY∥2∥P⊥WY∥2=R21−R2
because the definition of R2R2 is R2=‖PZY‖2‖P⊥UY‖2=1−‖P⊥WY‖2‖P⊥UY‖2.
R2=∥PZY∥2∥P⊥UY∥2=1−∥P⊥WY∥2∥P⊥UY∥2.

Obviously PZY=PZμ+σPZGPZY=PZμ+σPZG and P⊥WY=σP⊥WGP⊥WY=σP⊥WG.

When H0:{μ∈U}H0:{μ∈U} is true then PZμ=0PZμ=0 and therefore F=‖PZG‖2/(m−ℓ)‖P⊥WG‖2/(n−m)∼Fm−ℓ,n−m

F=∥PZG∥2/(m−ℓ)∥P⊥WG∥2/(n−m)∼Fm−ℓ,n−m
has the Fisher Fm−ℓ,n−mFm−ℓ,n−m distribution. Consequently, from the classical relation between the Fisher distribution and the Beta distribution, R2∼B(m−ℓ,n−m)R2∼B(m−ℓ,n−m).

In the general situation we have to deal with PZY=PZμ+σPZGPZY=PZμ+σPZG when PZμ≠0PZμ≠0. In this general case one has ‖PZY‖2∼σ2χ2m−ℓ(λ)∥PZY∥2∼σ2χ2m−ℓ(λ), the noncentral χ2χ2 distribution with m−ℓm−ℓ degrees of freedom and noncentrality parameter λ=‖PZμ‖2σ2λ=∥PZμ∥2σ2, and then F∼Fm−ℓ,n−m(λ)F∼Fm−ℓ,n−m(λ) (noncentral Fisher distribution). This is the classical result used to compute power of FF-tests.

The classical relation between the Fisher distribution and the Beta distribution hold in the noncentral situation too. Finally R2R2 has the noncentral beta distribution with "shape parameters" m−ℓm−ℓ and n−mn−m and noncentrality parameter λλ. I think the moments are available in the literature but they possibly are highly complicated.

Finally let us write down PZμPZμ. Note that PZ=PW−PUPZ=PW−PU. One has PUμ=ˉμ1PUμ=μ¯1 when U=[1]U=[1], and PWμ=μPWμ=μ. Hence PZμ=μ−ˉμ1PZμ=μ−μ¯1 where here μ=Xβμ=Xβ for the unknown parameters vector ββ.


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PZxPZx is the orthogoanl projection of xx on the linear subspace ZZ. And P⊥P⊥ denotes projection on the orthogonal.
— Stéphane Laurent

1
Beware of Px≠‖Px‖2Px≠∥Px∥2. I'm going to edit my post to write the formulas.
— Stéphane Laurent

1
Done - do you see any simplification ?
— Stéphane Laurent

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ˉμ=1n∑μi
— Stéphane Laurent

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Type I, obviously: type II are distributed on (0,∞). Actually R2/(1−R2) has the type II distribution. I have done the last corrections for today.
— Stéphane Laurent
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