Projekcja a efekty stałe

Aug 30 2020

Przypuśćmy, że tak $n$ obserwacja indeksowana przez $i$ i że każda obserwacja jest częścią grupy $g$. Chcę porównać dwie regresje.

Pierwsza regresja: $$ Y_i=\beta X_i + \alpha F_{g(i)}+\varepsilon_i $$ gdzie $F$ to zestaw stałych efektów grupowych.

Druga regresja: $$ Y_i=\beta \hat{X}_i +\varepsilon_i $$ gdzie $\hat{X}$ jest resztą z regresji $$ X_i = \alpha F_{g(i)} + \varepsilon^0_i $$ to znaczy $\hat{X}_i = X_i - \hat{\alpha}F_{g(i)}$.

Czy obie regresje są równoważne? To znaczy oszacowanie punktowe, błąd standardowy itp. Z$\beta$ to samo w obu regresjach?

Intuicyjnie wydaje się, że oba powinny być takie same (stałe efekty pochłaniają zmienność spowodowaną grupami). Ale chciałbym uzyskać formalny dowód tego wyniku. Wielkie dzięki!

Odpowiedzi

4 TyrelStokes Aug 30 2020 at 04:48

Dwie regresje dają liczbowo równoważne oszacowania $\beta$, ale nie prowadzą do tych samych przewidywanych wartości wyniku, ani nie mają takich samych reszt. Błędy standardowe są również identyczne (dowód pominięty, ale wystarczający do wykazania, że ​​szacunki są identyczne).

Dowód (wynika to ściśle z Davidsona i McKinnona rozdz. 2.4 na temat twierdzenia FWL):

Użyję $P_Z = Z(Z^TZ)^{-1}Z^T$ oznaczać macierz projekcji Z i $M_Z = I - P_Z$ jako macierz anihilatora Z, to znaczy macierz, która rzutuje zmienne do podprzestrzeni ortogonalnej do liniowej podprzestrzeni rozpiętej przez $Z$, dla dowolnej macierzy $Z$

Zawsze możemy zdekomponować dowolny wynik na część w podprzestrzeni obejmowaną przez zbiór zmiennych, w tym przypadku kolumny $Z = [X,F_{g}]$ i część rozpiętą przez dopełnienie ortogonalne.

\begin{align} Y &= P_ZY + M_ZY\\ &= X\hat{\beta} + F_{g}\hat{\alpha} + M_ZY \end{align}

Gdzie z definicji $\hat{\beta}$ i $\hat{\alpha}$ to wektory, które minimalizują odległość między $Y$ i podprzestrzeń liniową rozpiętą przez $[X,F_{g}]$ jak w przypadku cofania Y na X i $F_g$

Teraz

\begin{align} Y &= X\hat{\beta} + F_{g}\hat{\alpha} + M_ZY\\ M_FY &= M_FX\hat{\beta} + M_FF_{g}\hat{\alpha} + M_FM_ZY\\ M_FY &= M_FX\hat{\beta} + M_ZY\\ X^TM_FY &= X^TM_FX\hat{\beta} + X^TM_ZY\\ X^TM_FY &= X^TM_FX\hat{\beta}\\ (X^TM_FY)^{-1}(X^TM_FX) &= \hat{\beta} \end{align} Gdzie wiersz 2 wynika z tego $M_FF = (I-P_F)F = F-P_XF = F- F = 0$, wektor zerowy i $M_FM_Z = M_Z$ od $X \subset Z = [X, F_{g}]$ (Intuicyjnie, wszystko prostopadłe do Z musi już być ortogonalne do F, więc operator odwzorowałby wszystko w tej przestrzeni na siebie).

W ten sposób wyprowadziliśmy estymator $\hat{\beta}$ z regresji wielorakiej Y na X i $F_g$.

Rozważmy teraz dwustopniowy estymator, który opisałeś. W moim zapisie$\hat{X} = X - F_g\hat{\gamma} = X - F_g(F_g^TF_g)^{-1}F_g^TX = X - P_FX = M_FX$, gdzie $\hat{\gamma} = (F_g^TF_g)^{-1}F_g^TX$ jest estymatorem współczynnika z regresji $X$ na $F_g$ używając standardowej formuły (tj $(X^TX)^{-1}X^TY$, do regresji $Y$ na $X$.).

Rozważmy teraz regresję $Y$ na $M_FX$, jest to prosta regresja i możemy ponownie użyć znanego rozwiązania OLS

\begin{align} \hat{\beta^{2 stage}} &= ((M_FX)^TM_FX)^{-1}(M_FX)^TY\\ &= (X^TM_FM_FX)^{-1}X^TM_FY\\ &= (X^TM_FX)^{-1}X^TM_FY\\ &= \hat{\beta} \end{align}

Gdzie to wynika z właściwości symetrii i idempotencji, którymi cieszą się macierze rzutów ortogonalnych. Widzimy więc, że współczynniki są takie same. Jednak przewidywane wartości Y nie są. Pozwolić$\hat{y}$ być przewidywanymi wartościami z pierwszej regresji i $\hat{y^{2stage}}$ prognozy z dwuetapowego precedensu.

\begin{align} \hat{y} &= X\hat{\beta} + F_g\hat{\alpha}\\ &= X(X^TM_FX)^{-1}X^TM_FY + F_g(F_g^TM_XF_g)^{-1}F_g^TM_XY \end{align}

i \begin{align} \hat{y^{2stage}} &= M_FX\hat{\beta^{2stage}}\\ &= M_FX(X^TM_FX)^{-1}X^TM_FY \end{align}

To nie to samo, podobnie można pokazać, że reszty nie są takie same. W Ch. 2.4 Davidsona i McKinnona pokazują, że jeśli twoja dwustopniowa regresja obejmowała nie tylko rzutowanie liniowej kombinacji$F_g$ poza $X$, ale też zrobiłem to samo dla $Y$ a następnie cofnąć resztę na siebie, tj. cofnąć się $M_FY$ na $M_FX$, współczynniki dla X będą takie same jak oryginał, a reszty będą równoważne liczbowo. Przewidywane wartości nadal nie będą generalnie równe.