Beweisen Sie, dass die F-Statistik der F-Verteilung folgt


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In Anbetracht dieser Frage: Beweisen Sie, dass die Koeffizienten in einem OLS-Modell einer t-Verteilung mit (nk) Freiheitsgraden folgen

Ich würde gerne verstehen warum

F=(TSS−RSS)/(p−1)RSS/(n−p),

wobei p die Anzahl der Modellparameter und ist n die Anzahl der Beobachtungen und TSS die Gesamtvarianz, RSS die Residuenvarianz, ein folgt Fp−1,n−p - Verteilung.

Ich muss zugeben, dass ich nicht einmal versucht habe, es zu beweisen, da ich nicht wusste, wo ich anfangen soll.


Christoph Hanck und Francis haben bereits eine sehr gute Antwort gegeben. Wenn Sie immer noch Schwierigkeiten haben, den Beweis des f-Tests für die lineare Regression zu verstehen, versuchen Sie, teamdable.github.io/techblog/… . Ich schrieb den Blog-Beitrag über den Nachweis des Tests für lineare Regression. Es ist in Koreanisch geschrieben, aber es kann kein Problem sein, weil fast alles eine mathematische Formel ist. Ich hoffe, es würde helfen, wenn Sie immer noch Schwierigkeiten haben, den Beweis für den f-Test für die lineare Regression zu verstehen.
— Taeho Oh

Während dieser Link die Frage beantworten kann, ist es besser, die wesentlichen Teile der Antwort hier einzuschließen und den Link als Referenz bereitzustellen. Nur-Link-Antworten können ungültig werden, wenn sich die verlinkte Seite ändert. - Aus der Bewertung
— mkt - Reinstate Monica

Antworten:


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Lassen Sie uns das Ergebnis für den allgemeinen Fall zeigen, für den Ihre Formel für die Teststatistik ein Sonderfall ist. Im Allgemeinen müssen wir überprüfen, ob die Statistik gemäß der Charakterisierung der F Verteilung als das Verhältnis von unabhängigen χ2 rvs geteilt durch ihre Freiheitsgrade geschrieben werden kann.

Sei H0:R′β=r mit R und r bekannt, nicht zufällig und R:k×q hat den vollen Spaltenrang q . Dies stellt q lineare Beschränkungen für (im Gegensatz zur OP-Notation) k Regressoren dar, einschließlich des konstanten Terms. Also, in @ user1627466 das Beispiel, p−1 entspricht die q=k−1 Einschränkungen all Steigungskoeffizienten auf Null.

Im Hinblick auf Var(β^ols)=σ2(X′X)−1 , haben wir

R′(β^ols−β)∼N(0,σ2R′(X′X)−1R),
so dass (bei B−1/2={R′(X′X)−1R}−1/2 A "-Matrix Quadratwurzel" zu seinB−1={R′(X′X)−1R}−1 , durch beispielsweise eine CholeskyZerlegung)
n:=B−1/2σR′(β^ols−β)∼N(0,Iq),
als
Var(n)=B−1/2σR′Var(β^ols)RB−1/2σ=B−1/2σσ2BB−1/2σ=I
wobei die zweite Zeile die Varianz der OLSE verwendet.

Dies ist , wie in der gezeigten Antwort , die Sie verlinken auf (siehe auch hier ), ist unabhängig von

d:=(n−k)σ^2σ2∼χn−k2,
where σ^2=y′MXy/(n−k) is the usual unbiased error variance estimate, with MX=I−X(X′X)−1X′ is the "residual maker matrix" from regressing on X.

So, as n′n is a quadratic form in normals,

n′n⏞∼χq2/qd/(n−k)=(β^ols−β)′R{R′(X′X)−1R}−1R′(β^ols−β)/qσ^2∼Fq,n−k.
In particular, under H0:R′β=r, this reduces to the statistic
F=(R′β^ols−r)′{R′(X′X)−1R}−1(R′β^ols−r)/qσ^2∼Fq,n−k.

For illustration, consider the special case R′=I, r=0, q=2, σ^2=1 and X′X=I. Then,

F=β^ols′β^ols/2=β^ols,12+β^ols,222,
the squared Euclidean distance of the OLS estimate from the origin standardized by the number of elements - highlighting that, since β^ols,22 are squared standard normals and hence χ12, the F distribution may be seen as an "average χ2 distribution.

In case you prefer a little simulation (which is of course not a proof!), in which the null is tested that none of the k regressors matter - which they indeed do not, so that we simulate the null distribution.

enter image description here

We see very good agreement between the theoretical density and the histogram of the Monte Carlo test statistics.

library(lmtest)
n <- 100
reps <- 20000
sloperegs <- 5 # number of slope regressors, q or k-1 (minus the constant) in the above notation
critical.value <- qf(p = .95, df1 = sloperegs, df2 = n-sloperegs-1) 
# for the null that none of the slope regrssors matter

Fstat <- rep(NA,reps)
for (i in 1:reps){
  y <- rnorm(n)
  X <- matrix(rnorm(n*sloperegs), ncol=sloperegs)
  reg <- lm(y~X)
  Fstat[i] <- waldtest(reg, test="F")$F[2] 
}

mean(Fstat>critical.value) # very close to 0.05

hist(Fstat, breaks = 60, col="lightblue", freq = F, xlim=c(0,4))
x <- seq(0,6,by=.1)
lines(x, df(x, df1 = sloperegs, df2 = n-sloperegs-1), lwd=2, col="purple")

To see that the versions of the test statistics in the question and the answer are indeed equivalent, note that the null corresponds to the restrictions R′=[0I] and r=0.

Let X=[X1X2] be partitioned according to which coefficients are restricted to be zero under the null (in your case, all but the constant, but the derivation to follow is general). Also, let β^ols=(β^ols,1′,β^ols,2′)′ be the suitably partitioned OLS estimate.

Then,

R′β^ols=β^ols,2
and
R′(X′X)−1R≡D~,
the lower right block of
(XTX)−1=(X1′X1X1′X2X2′X1X2′X2)−1≡(A~B~C~D~)
Now, use results for partitioned inverses to obtain
D~=(X2′X2−X2′X1(X1′X1)−1X1′X2)−1=(X2′MX1X2)−1
where MX1=I−X1(X1′X1)−1X1′.

Thus, the numerator of the F statistic becomes (without the division by q)

Fnum=β^ols,2′(X2′MX1X2)β^ols,2
Next, recall that by the Frisch-Waugh-Lovell theorem we may write
β^ols,2=(X2′MX1X2)−1X2′MX1y
so that
Fnum=y′MX1X2(X2′MX1X2)−1(X2′MX1X2)(X2′MX1X2)−1X2′MX1y=y′MX1X2(X2′MX1X2)−1X2′MX1y

It remains to show that this numerator is identical to USSR−RSSR, the difference in unrestricted and restricted sum of squared residuals.

Here,

RSSR=y′MX1y
is the residual sum of squares from regressing y on X1, i.e., with H0 imposed. In your special case, this is just TSS=∑i(yi−y¯)2, the residuals of a regression on a constant.

Again using FWL (which also shows that the residuals of the two approaches are identical), we can write USSR (SSR in your notation) as the SSR of the regression

MX1yonMX1X2

That is,

USSR=y′MX1′MMX1X2MX1y=y′MX1′(I−PMX1X2)MX1y=y′MX1y−y′MX1MX1X2((MX1X2)′MX1X2)−1(MX1X2)′MX1y=y′MX1y−y′MX1X2(X2′MX1X2)−1X2′MX1y

Thus,

RSSR−USSR=y′MX1y−(y′MX1y−y′MX1X2(X2′MX1X2)−1X2′MX1y)=y′MX1X2(X2′MX1X2)−1X2′MX1y


Thanks. I don't know if it's considered hand holding at this point but how do you go from your sum of squared betas to an expression that contains sum of squares?
— user1627466

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@user1627466, I added a derivation of the equivalence of the two formulae.
— Christoph Hanck

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@ChristophHanck has provided a very comprehensive answer, here I will add a sketch of proof on the special case OP mentioned. Hopefully it's also easier to follow for beginners.

A random variable Y∼Fd1,d2 if

Y=X1/d1X2/d2,
where X1∼χd12 and X2∼χd22 are independent. Thus, to show that the F-statistic has F-distribution, we may as well show that cESS∼χp−12 and cRSS∼χn−p2 for some constant c, and that they are independent.

In OLS model we write

y=Xβ+ε,
where X is a n×p matrix, and ideally ε∼Nn(0,σ2I). For convenience we introduce the hat matrix H=X(XTX)−1XT (note y^=Hy), and the residual maker M=I−H. Important properties of H and M are that they are both symmetric and idempotent. In addition, we have tr⁡(H)=p and HX=X, these will come in handy later.

Let us denote the matrix of all ones as J, the sum of squares can then be expressed with quadratic forms:

TSS=yT(I−1nJ)y,RSS=yTMy,ESS=yT(H−1nJ)y.
Note that M+(H−J/n)+J/n=I. One can verify that J/n is idempotent and rank⁡(M)+rank⁡(H−J/n)+rank⁡(J/n)=n. It follows from this then that H−J/n is also idempotent and M(H−J/n)=0.

We can now set out to show that F-statistic has F-distribution (search Cochran's theorem for more). Here we need two facts:

  1. Let x∼Nn(μ,Σ). Suppose A is symmetric with rank r and AΣ is idempotent, then xTAx∼χr2(μTAμ/2), i.e. non-central χ2 with d.f. r and non-centrality μTAμ/2. This is a special case of Baldessari's result, a proof can also be found here.
  2. Let x∼Nn(μ,Σ). If AΣB=0, then xTAx and xTBx are independent. This is known as Craig's theorem.

Since y∼Nn(Xβ,σ2I), we have

ESSσ2=(yσ)T(H−1nJ)yσ∼χp−12((Xβ)T(H−Jn)Xβ).
However, under null hypothesis β=0, so really ESS/σ2∼χp−12. On the other hand, note that yTMy=εTMε since HX=X. Therefore RSS/σ2∼χn−p2. Since M(H−J/n)=0, ESS/σ2 and RSS/σ2 are also independent. It immediately follows then
F=(TSS−RSS)/(p−1)RSS/(n−p)=ESSσ2/(p−1)RSSσ2/(n−p)∼Fp−1,n−p.
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