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OLS的矩阵表示

OLS的矩阵表示 (OLS in Matrix Form) 普通最小二乘法 (OLS) 是计量经济学中最基本的参数估计方法。矩阵表示法提供了处理多元回归模型的简洁工具。 模型的矩阵设定 多元线性模型 y_i = _0 + _1 x_i1 + + _k x_ik + u_i(i=1, ,n)的矩阵形式: 因变量向量 Y(n 1),设计矩阵 X(n (k+1),

浏览 76 更新 2025-10-10

OLS的矩阵表示 (OLS in Matrix Form)

普通最小二乘法 (OLS) 是计量经济学中最基本的参数估计方法。矩阵表示法提供了处理多元回归模型的简洁工具。

模型的矩阵设定

多元线性模型 yi=β0+β1xi1++βkxik+uiy_i = \beta_0 + \beta_1 x_{i1} + \dots + \beta_k x_{ik} + u_ii=1,,ni=1,\dots,n)的矩阵形式:

因变量向量 YYn×1n \times 1),设计矩阵 XXn×(k+1)n \times (k+1),第一列全为1对应截距),系数向量 β\beta(k+1)×1(k+1) \times 1),误差向量 uun×1n \times 1):

Y=Xβ+uY = X\beta + u

OLS估计量的推导

最小化残差平方和 u^=YXβ^\hat{u} = Y - X\hat{\beta}

SSR(β^)=u^u^=(YXβ^)(YXβ^)=YY2β^XY+β^XXβ^\mathrm{SSR}(\hat{\beta}) = \hat{u}'\hat{u} = (Y - X\hat{\beta})'(Y - X\hat{\beta}) = Y'Y - 2\hat{\beta}'X'Y + \hat{\beta}'X'X\hat{\beta}

梯度并令其为零(一阶条件):2XY+2XXβ^=0-2X'Y + 2X'X\hat{\beta} = 0。得OLS正规方程

XXβ^=XYX'X\hat{\beta} = X'Y

假设无完全多重共线性XXX'X 可逆),得OLS估计量:

β^OLS=(XX)1XY\hat{\beta}_{\mathrm{OLS}} = (X'X)^{-1}X'Y

OLS估计量的方差-协方差矩阵

高斯-马尔可夫假定下(特别是同方差性 Var(uX)=σ2In\mathrm{Var}(u\mid X) = \sigma^2 I_n):

Var(β^X)=σ2(XX)1\mathrm{Var}(\hat{\beta}\mid X) = \sigma^2(X'X)^{-1}

这是一个优美结果:方差-协方差矩阵与 σ2\sigma^2 和数据结构 (XX)1(X'X)^{-1} 直接相关。实践中 σ2\sigma^2 用其无偏估计量 σ^2=SSR/(nk1)\hat{\sigma}^2 = \mathrm{SSR}/(n-k-1) 代替。

计算示例

4组数据:x=[1,2,4,5]x = [1,2,4,5], y=[2,3,6,7]y = [2,3,6,7]。拟合 y=β0+β1xy = \beta_0 + \beta_1 x

XX=(4121246)X'X = \begin{pmatrix} 4 & 12 \\ 12 & 46 \end{pmatrix}, XY=(1867)X'Y = \begin{pmatrix} 18 \\ 67 \end{pmatrix}

(XX)1=(1.150.30.30.1)(X'X)^{-1} = \begin{pmatrix} 1.15 & -0.3 \\ -0.3 & 0.1 \end{pmatrix}, β^=(0.61.3)\hat{\beta} = \begin{pmatrix} 0.6 \\ 1.3 \end{pmatrix}

回归方程:y^=0.6+1.3x\hat{y} = 0.6 + 1.3x

OLS的矩阵表示是现代计量分析的通用语言,所有主流统计软件底层都基于矩阵运算执行回归分析。