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OLS估计量无偏性的证明

OLS估计量无偏性的证明

无偏性意味着估计量期望值等于总体参数真值。OLS的无偏性是高斯-马尔可夫定理基石。

模型与假设

简单线性回归:y=β0+β1x+uy = \beta_0 + \beta_1 x + u。证明所需(SLR.1-4):SLR.1 参数线性;SLR.2 随机抽样(nn个样本{(xi,yi)}\{(x_i, y_i)\});SLR.3 ∑(xi−xˉ)2>0\sum(x_i-\bar{x})^2 > 0(xx不全同);SLR.4 零条件均值 E(u∣x)=0E(u|x)=0(最关键——排除了未观测因素与xx的相关;不满足→遗漏变量偏误→有偏)。注意:无偏性证明不需要SLR.5(同方差性)。

斜率β^1\hat{\beta}_1无偏性

β^1=∑(xi−xˉ)(yi−yˉ)/∑(xi−xˉ)2\hat{\beta}_1 = \sum(x_i-\bar{x})(y_i-\bar{y}) / \sum(x_i-\bar{x})^2。化简分子∑(xi−xˉ)yi\sum(x_i-\bar{x})y_i(因∑(xi−xˉ)yˉ=0\sum(x_i-\bar{x})\bar{y}=0)。代入总体模型 yi=β0+β1xi+uiy_i = \beta_0 + \beta_1 x_i + u_i:

β^1=β1+∑(xi−xˉ)ui∑(xi−xˉ)2\hat{\beta}_1 = \beta_1 + \frac{\sum (x_i-\bar{x})u_i}{\sum (x_i-\bar{x})^2}

以XX为条件求期望(分母是xx的函数作常数):E(β^1∣X)=β1+1∑(xi−xˉ)2∑(xi−xˉ)E(ui∣X)E(\hat{\beta}_1 \mid X) = \beta_1 + \frac{1}{\sum (x_i-\bar{x})^2} \sum (x_i-\bar{x}) E(u_i \mid X)。由SLR.4:E(ui∣X)=0E(u_i \mid X)=0→第二项=0→E(β^1∣X)=β1E(\hat{\beta}_1 \mid X)=\beta_1→由全期望定律:E(β^1)=β1E(\hat{\beta}_1)=\beta_1。得证。

截距β^0\hat{\beta}_0无偏性

β^0=yˉ−β^1xˉ\hat{\beta}_0 = \bar{y} - \hat{\beta}_1 \bar{x}。代入yˉ=β0+β1xˉ+uˉ\bar{y} = \beta_0 + \beta_1\bar{x} + \bar{u}:β^0=β0+(β1−β^1)xˉ+uˉ\hat{\beta}_0 = \beta_0 + (\beta_1-\hat{\beta}_1)\bar{x} + \bar{u}。求期望:E(β0)=β0E(\beta_0)=\beta_0,E(uˉ)=(1/n)∑E(ui)=0E(\bar{u}) = (1/n)\sum E(u_i) = 0(SLR.4),E[(β1−β^1)xˉ]=0E[(\beta_1-\hat{\beta}_1)\bar{x}]=0(因已证E(β^1)=β1E(\hat{\beta}_1)=\beta_1)→E(β^0)=β0E(\hat{\beta}_0)=\beta_0。得证。

结论:SLR.1-4满足→OLS平均而言正确;SLR.4不满足(xx与uu相关)→OLS非无偏且非一致估计量→错误推断。

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