A prova de encolhimento de coeficientes usando regressão de crista através de "decomposição espectral"


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Eu entendi como a regressão da crista reduz os coeficientes em direção a zero geometricamente. Além disso, sei como provar isso no "Caso Ortonormal" especial, mas estou confuso de como isso funciona no caso geral via "Decomposição espectral".


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Você declarou que está confuso, mas qual é a sua pergunta?
— whuber

Respostas:


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A questão parece pedir uma demonstração de que a regressão de cume reduz as estimativas do coeficiente para zero, usando uma decomposição espectral. A decomposição espectral pode ser entendida como uma conseqüência fácil da Decomposição de Valor Singular (SVD). Portanto, este post começa com SVD. Explica-o em termos simples e depois ilustra-o com aplicações importantes. Em seguida, fornece a demonstração (algébrica) solicitada. (A álgebra, é claro, é idêntica à demonstração geométrica; apenas é apresentada em um idioma diferente.)

A fonte original desta resposta pode ser encontrada nas minhas notas do curso de regressão . Esta versão corrige alguns erros menores.


O que é o SVD

Qualquer matriz X , com p ≤ n , pode ser escrita X = U D V ′ onden×pXp≤n

X=UDV′
  1. é umamatriz n × p .Un×p

    • As colunas de têm comprimento 1 .U1
    • As colunas de são mutuamente ortogonais.U
    • Eles são chamados os principais componentes de .X
  2. é um p × p matriz.Vp×p

    • As colunas de têm comprimento 1 .V1
    • As colunas de são mutuamente ortogonais.V
    • Isso faz de uma rotação de R p .VRp
  3. é umamatriz diagonal p × p .D p×p

    • Os elementos diagonais não são negativos. Estes são os valores singulares de X .d11,d22,…,dppX
    • Se desejarmos, podemos ordená-los do maior para o menor.

Os critérios (1) e (2) afirmam que e V são matrizes ortonormais . Eles podem ser resumidos ordenadamente pelas condiçõesUV

U′U=1p, V′V=1p.

Como conseqüência (que representa uma rotação), V V ′ = 1 p também. Isso será usado na derivação de regressão de cume abaixo.VVV′=1p

O que isso faz por nós

Pode simplificar fórmulas. Isso funciona tanto algebricamente quanto conceitualmente. Aqui estão alguns exemplos.

As equações normais

Considere a regressão onde, como sempre, os ε são independentes e distribuídos identicamente de acordo com uma lei que tem expectativa zero e variância finita σ 2 . A solução de mínimos quadrados através da equações normais é β = ( X ' x ) - 1 X ' y . A aplicação do SVD e a simplificação da confusão algébrica resultante (o que é fácil) fornecem uma boa visão:y=Xβ+εεσ2

β^=(X′X)−1X′y.

(X′X)-1X′=((vocêDV′)′(vocêDV′))-1(vocêDV′)′=(VDvocê′vocêDV′)-1(VDvocê′)=VD-2V′VDvocê′=VD-1você′.

A única diferença entre isso e é que os recíprocos dos elementos de D são usados! Em outras palavras, a "equação" y = X β é resolvida "invertendo" X : essa pseudo-inversão desfaz as rotações U e V ′ (apenas transpondo-as) e desfaz a multiplicação (representada por D ) separadamente em cada princípio direção.X′=VDvocê′Dy=XβXvocêV′D

Para referência futura, aviso que "rodada" estimativas β são combinações lineares de "rodada" respostas L ' y . Os coeficientes são inversos dos elementos diagonais (positivos) de D , iguais a d - 1 i i .V′β^você′yDdEuEu-1

Covariância das estimativas do coeficiente

Recorde-se que a covariância dos estimativas é Usando o SVD, isso se torna σ 2 ( V D 2 V ′ ) - 1 = σ 2 V D - 2 V ′ . Em outras palavras, a covariância age como a de k variáveis ortogonais , cada uma com variações d 2 i i

Cov(β^)=σ2(X′X)-1.
σ2(VD2V′)-1=σ2VD-2V′.
k dEuEu2, que foram rotacionados em .Rk

A matriz Hat

A matriz do chapéu é Por meio do resultado anterior, podemos reescrevê-lo como H = ( U D V ' ) ( V D - 1 U ' ) = U U ' . Simples!

H=X(X′X)-1X′.
H=(vocêDV′)(VD-1você′)=vocêvocê′.

Análise própria (decomposição espectral)

X′X=VDvocê′vocêDV′=VD2V′
XX′=vocêDV′VDvocê′=vocêD2você′,
  • X′XXX′
  • VX′X
  • vocêXX′

O SVD pode diagnosticar e resolver problemas de colinearidade.

Aproximando os regressores

vocêDV′vocêy

Regressão de Ridge

Deixe as colunas de XyXλ>0 0

β^R=(X′X+λ)-1X′y=(VD2V′+λ1p)-1VDvocê′y=(VD2V′+λVV′)-1VDvocê′y=(V(D2+λ)V′)-1VDvocê′y=V(D2+λ)-1V′VDvocê′y=V(D2+λ)-1Dvocê′y.

β^D-1=D-2D(D2+λ)-1DD2/(D2+λ)λ>0 0


V′β^Rvocê′ydEuEu-1dEuEu2/(dEuEu2+λ)λβ^R

dEuEu-1


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@Glen_b Esse é um bom ponto: eu precisava ser explícito sobre qual fração estava considerando! Eu vou consertar isso.
— whuber

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vocêvocê′=1pvocê11=1VV′=1pVV-1(V-1)′(V-1)=1pV-1=V′VV′=(V′)′V′=1p

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@ Máximo Obrigado pela boa sugestão. Eu incluí agora uma explicação na seção "Equações normais", onde o modelo de regressão é introduzido.
— whuber

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X
VDvocê′=X′=X=vocêDV′.
você=VX
— whuber

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y^
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