¿Por qué se distribuye RSS chi square times np?


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Me gustaría entender por qué, bajo el modelo OLS, el RSS (suma residual de cuadrados) se distribuye ( es el número de parámetros en el modelo, el número de observaciones).

χ2⋅(n−p)
pn

Pido disculpas por hacer una pregunta tan básica, pero parece que no puedo encontrar la respuesta en línea (o en mis libros de texto más orientados a las aplicaciones).


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Tenga en cuenta que las respuestas demuestran que la afirmación no es del todo correcta: la distribución de RSS es (no ) veces una donde es la verdadera varianza de los errores. σ2n−pχ2(n−p)σ2
— whuber

Respuestas:


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Considero el siguiente modelo lineal: .y=Xβ+ϵ

El vector de los residuos se estima por

ϵ^=y−Xβ^=(I−X(X′X)−1X′)y=Qy=Q(Xβ+ϵ)=Qϵ

donde .Q=I−X(X′X)−1X′

Observe que (la traza es invariante bajo permutación cíclica) y que . Los valores propios de son, por lo tanto, y (algunos detalles a continuación). Por lo tanto, existe una matriz unitaria tal que (las matrices son diagonalizables por matrices unitarias si y solo si son normales ) .tr(Q)=n−pQ′=Q=Q2Q01V

V′QV=Δ=diag(1,…,1⏟n−p times,0,…,0⏟p times)

Ahora, deje que .K=V′ϵ^

Como , tenemos y, por lo tanto, . Asíϵ^∼N(0,σ2Q)K∼N(0,σ2Δ)Kn−p+1=…=Kn=0

‖K‖2σ2=‖K⋆‖2σ2∼χn−p2

con .K⋆=(K1,…,Kn−p)′

Además, como es una matriz unitaria, también tenemosV

‖ϵ^‖2=‖K‖2=‖K⋆‖2

Así

RSSσ2∼χn−p2

Finalmente, observe que este resultado implica que

E(RSSn−p)=σ2

Como , el polinomio mínimo de divide el polinomio . Entonces, los valores propios de están entre y . Como es también la suma de los valores propios multiplicados por su multiplicidad, necesariamente tenemos que es un valor propio con multiplicidad y cero es un valor propio con multiplicidad .Q2−Q=0Qz2−zQ01tr(Q)=n−p1n−pp


1
(+1) Buena respuesta. Se puede restringir la atención a ortogonal, en lugar de unitaria, ya que es real y simétrica. Además, ¿qué es ? No lo veo definido. Al reajustar ligeramente el argumento, también se puede evitar el uso de una normal degenerada, en caso de que cause cierta consternación a aquellos que no están familiarizados con él. VQSCR
— cardenal

2
@Cardenal. Buen punto. SCR ('Somme des Carrés Résiduels' en francés) debería haber sido RSS.
— ocram

Gracias por la respuesta detallada Ocram! Algunos pasos requerirán que busque más, pero ahora tengo un esquema en el que pensar: ¡gracias!
— Tal Galili

@Glen_b: Oh, hice una edición hace un par de días para cambiar SCR a SRR. No recordaba que SCR se menciona en mi comentario. Perdón por la confusion.
— ocram

@Glen_b: Se suponía que significaba RSS: -S Editado nuevamente. Thx
— ocram

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En mi humilde opinión, la notación matricial complica las cosas. El lenguaje puro del espacio vectorial es más limpio. El modelo se puede escribir donde tiene la distribución normal estándar en y se supone que pertenece a un subespacio vectorial .Y=Xβ+ϵY=μ+σGGRnμW⊂Rn

Ahora entra en juego el lenguaje de la geometría elemental. El estimador de mínimos cuadrados de no es más que : la proyección ortogonal de la observable en el espacio al que se supone que pertenece . El vector de los residuos es : proyección en el complemento ortogonal de en . La dimensión de es .μ^μPWYYWμPW⊥YW⊥WRnW⊥dim⁡(W⊥)=n−dim⁡(W)

Finalmente, y tiene la distribución normal estándar en , por lo tanto, su norma al cuadrado tiene la con grados de libertad .

PW⊥Y=PW⊥(μ+σG)=0+σPW⊥G,
PW⊥GW⊥χ2dim⁡(W⊥)

Esta demostración usa solo un teorema, en realidad un teorema de definición:

Definición y teorema . Un vector aleatorio en tiene la distribución normal estándar en un espacio vectorial si toma sus valores en y sus coordenadas en una ( en total) base ortonormal de son distribuciones normales estándar unidimensionales independientesRnU⊂RnU⟺U

(a partir de este teorema de definición, el teorema de Cochran es tan obvio que no vale la pena decirlo)

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