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+ui(i=1,…,n)的矩阵形式:
因变量向量 Y(n×1),设计矩阵 X(n×(k+1),第一列全为1对应截距),系数向量 β((k+1)×1),误差向量 u(n×1):
Y=Xβ+u
OLS估计量的推导
最小化残差平方和 u^=Y−Xβ^:
SSR(β^)=u^′u^=(Y−Xβ^)′(Y−Xβ^)=Y′Y−2β^′X′Y+β^′X′Xβ^
求梯度并令其为零(一阶条件):−2X′Y+2X′Xβ^=0。得OLS正规方程:
X′Xβ^=X′Y
假设无完全多重共线性(X′X 可逆),得OLS估计量:
β^OLS=(X′X)−1X′Y
OLS估计量的方差-协方差矩阵
在高斯-马尔可夫假定下(特别是同方差性 Var(u∣X)=σ2In):
Var(β^∣X)=σ2(X′X)−1
这是一个优美结果:方差-协方差矩阵与 σ2 和数据结构 (X′X)−1 直接相关。实践中 σ2 用其无偏估计量 σ^2=SSR/(n−k−1) 代替。
计算示例
4组数据:x=[1,2,4,5], y=[2,3,6,7]。拟合 y=β0+β1x。
X′X=(4121246), X′Y=(1867)
(X′X)−1=(1.15−0.3−0.30.1), β^=(0.61.3)
回归方程: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。