Expectativa condicional de R ao quadrado


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Considere o modelo linear simples:

yy=X′ββ+ϵ

onde ϵi∼i.i.d.N(0,σ2) e X∈Rn×p ,p≥2 eX contém uma coluna de constantes.

Meu questão é, dado E(X′X) , β e σ , existe uma fórmula para um não trivial limite superior E(R2) *? (assumindo que o modelo foi estimado pelo OLS).

* Eu assumi, escrevendo isso, que a obtenção de E(R2) em si não seria possível.

EDIT1

utilizando a solução derivada por Stéphane Laurent (ver abaixo), podemos obter um não trivial limite superior E(R2) . Algumas simulações numéricas (abaixo) mostram que esse limite é realmente muito apertado.

Stéphane Laurent derivou o seguinte: R2∼B(p−1,n−p,λ) onde B(p−1,n−p,λ) é uma distribuição Beta não central com parâmetro de não centralidade λ com

λ=||X′β−E(X)′β1n||2σ2

então

E(R2)=E(χp−12(λ)χp−12(λ)+χn−p2)≥E(χp−12(λ))E(χp−12(λ))+E(χn−p2)

onde χk2(λ) é um não central χ2com parâmetro λ e k graus de liberdade. Assim, um não-trivial limite superior para E(R2) é

λ+p−1λ+n−1

é muito apertado (muito mais apertado do que o que eu esperava seria possível):

por exemplo, usando:

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)

a média dos R2 mais de 1000 simulações é 0.960819. O limite superior teórico acima fornece 0.9609081. O limite parece ser igualmente precisos através de muitos valores de R2 . Verdadeiramente surpreendente!

EDIT2:

depois de mais pesquisas, ele aparece que a qualidade da aproximação limite superior para E(R2) vai ficar melhor como λ+p aumenta (e tudo o mais igual, λ aumenta com n ).


tem uma distribuição beta, com parâmetros dependendo apenas n e p . Não ? R2np
— Stéphane Laurent

1
Desculpe, minha afirmação anterior é verdadeira apenas sob a hipótese do "modelo nulo" (somente interceptação). Caso contrário, a distribuição de deve ser algo como uma distribuição Beta não central, com um parâmetro noncentrality envolvendo os parâmetros desconhecidos. R2
— Stéphane Laurent

@ StéphaneLaurent: obrigado. Você saberia mais sobre a relação entre os parâmetros desconhecidos e os parâmetros do Beta? Eu estou preso, portanto, qualquer ponteiro seria bem-vinda ...
— user603

Você absolutamente precisa lidar com ? Talvez existe uma fórmula simples exacta para E [ I 2 / ( 1 - R 2 ) ] . E[R2]E[R2/(1−R2)]
— Stéphane Laurent

1
Com as notações de minha resposta, para alguns escalar K e o primeiro momento do não central F -distribuição é simples. R2/(1−R2)=kFkF
— Stéphane Laurent

Respostas:


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Qualquer modelo linear pode ser escrito onde G tem a distribuição normal padrão em R n e μ é assumido como pertencendo a um subespaço linear W de R n . No seu caso, W = Im ( X ) .Y=μ+σGGRnμWRnW=Im(X)

Deixe o subespaço linear unidimensional gerado pelo vector ( 1 , 1 , ... , 1 ) . Tomando L = [ 1 ] a seguir, o R 2 é altamente relacionada com a clássica Fisher estatística F = ‖ P Z Y ‖ 2 / ( m - ℓ )[1]⊂W(1,1,…,1)U=[1]R2 para o teste de hipótese deH0:{u∈L}ondeL⊂Wé um subespaço linear, e denotando por Z=L⊥∩Wo complemento ortogonal deLemW, e denotandom=dim(W)eℓ=dim(U)

F=‖PZY‖2/(m−ℓ)‖PW⊥Y‖2/(n−m),
H0:{μ∈U}U⊂WZ=U⊥∩WUWm=dim⁡(W)ℓ=dim⁡(U)(então e ℓ = 1 na sua situação).m=pℓ=1

De fato, porque a definição deR2seja R2= ‖ P Z Y ‖ dois

‖PZY‖2‖PW⊥Y‖2=R21−R2
R2
R2=‖PZY‖2‖PU⊥Y‖2=1−‖PW⊥Y‖2‖PU⊥Y‖2.

Obviamente e P ⊥ W Y = σ P ⊥ W L .PZY=PZμ+σPZGPW⊥Y=σPW⊥G

Quando é verdadeiro,H0:{μ∈U} então e, portanto, F = ″ P Z G ² 2 / ( m - ℓ )PZμ=0 tem adistribuiçãoFisherFm-ℓ,n-m. Consequentemente, a partir da relação clássica entre a distribuição de Fisher e a distribuição Beta,R2∼B(m-ℓ,n-m).

F=‖PZG‖2/(m−ℓ)‖PW⊥G‖2/(n−m)∼Fm−ℓ,n−m
Fm−ℓ,n−mR2∼B(m−ℓ,n−m)

In the general situation we have to deal with PZY=PZμ+σPZG when PZμ≠0. In this general case one has ‖PZY‖2∼σ2χm−ℓ2(λ), the noncentral χ2 distribution with m−ℓ degrees of freedom and noncentrality parameter λ=‖PZμ‖2σ2F∼Fm−ℓ,n−m(λ)F

R2m−ℓ and n−m and noncentrality parameter λ. I think the moments are available in the literature but they possibly are highly complicated.

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


1
PZx is the orthogoanl projection of x on the linear subspace Z. And P⊥ denotes projection on the orthogonal.
— Stéphane Laurent

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

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

1
μ¯=1n∑μi
— Stéphane Laurent

1
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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