残差与拟合值正交
OLS估计产生的根本数学性质→残差向量e与拟合值向量Y^在几何上正交(点积=0)→非统计假设→OLS最小化残差平方和的直接代数结果→理解回归几何/ANOVA/R2关键。
证明:OLS正规方程→X′(Y−Xβ^)=0→X′e=0(残差与X每列皆正交→含常数项)。Y^=Xβ^→Y^′e=β^′X′e=β^⋅0=0→拟合值与残差正交得证。
几何解释与意义
几何:Y为n维向量→X的列空间C(X)为子空间→OLS找C(X)中最近Y的点=正交投影→投影点=Y^→残差e=Y-Y^垂直于C(X)→e垂直于Y^。
投影矩阵/帽子矩阵P=X(X′X)−1X'→幂等→Y^=PY→e=(I−P)Y→Y^′e=Y′P(I−P)Y=Y′(P−P2)Y=0。
方差分解:正交性保证TSS=ESS+RSS→决定系数R2=ESS/TSS。
属性非假设:正交是OLS数学结果(非高斯-马尔可夫假设)→无论模设正确否/误差是否同方差→用OLS→e垂直于Y^总成立。注意:可观测残差e不等于不可观误差项ϵ→不保证ϵ垂直于Y^。