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我们有线性回归模型y = Xβ + e,其中y,X,β和e分别是响应向量,设计矩阵,参数向量和模型误差项。参数估计器是ˆβ = (XT X)−1XT y,拟合值向量可以写成ˆy = Hy,其中H是帽子矩阵。请证明yT y = ˆyT ˆy + ˆeT ˆe。

Question

我们有线性回归模型y = Xβ + e,其中y,X,β和e分别是响应向量,设计矩阵,参数向量和模型误差项。参数估计器是ˆβ = (XT X)−1XT y,拟合值向量可以写成ˆy = Hy,其中H是帽子矩阵。请证明yT y = ˆyT ˆy + ˆeT ˆe。

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Solution

1. Break Down the Problem

To prove the relationship yTy=y^Ty^+e^Te^ y^T y = \hat{y}^T \hat{y} + \hat{e}^T \hat{e} , we will:

  1. Define each component: y^ \hat{y} (fitted values) and e^ \hat{e} (residuals).
  2. Use the hat matrix H H to express y^ \hat{y} .
  3. Establish the relationship between y y , y^ \hat{y} , and e^ \hat{e} .

2. Relevant Concepts

  • The fitted values in linear regression are given by y^=Hy \hat{y} = Hy , where H=X(XTX)1XT H = X(X^T X)^{-1} X^T .
  • Residuals are defined as e^=yy^=yHy=(IH)y \hat{e} = y - \hat{y} = y - Hy = (I - H)y .

3. Analysis and Detail

  1. Calculate y^Ty^ \hat{y}^T \hat{y} : y^Ty^=(Hy)T(Hy)=yTHTHy \hat{y}^T \hat{y} = (Hy)^T(Hy) = y^T H^T H y Since H H is symmetric (H=HT H = H^T ): y^Ty^=yTHy \hat{y}^T \hat{y} = y^T H y

  2. Calculate e^Te^ \hat{e}^T \hat{e} : e^Te^=((IH)y)T((IH)y)=yT(IH)T(IH)y \hat{e}^T \hat{e} = ((I - H)y)^T((I - H)y) = y^T (I - H)^T (I - H) y Again, using the symmetry of IH I - H : e^Te^=yT(IH)(IH)y=yT(IH)y \hat{e}^T \hat{e} = y^T (I - H) (I - H) y = y^T (I - H) y

  3. Expand the total sum of squares: The total sum of squares yTy y^T y can be separated into two parts: yTy=y^Ty^+e^Te^=yTHy+yT(IH)y y^T y = \hat{y}^T \hat{y} + \hat{e}^T \hat{e} = y^T H y + y^T (I - H) y

    Therefore, yTy=yT(H+(IH))y=yTIy=yTy y^T y = y^T (H + (I - H)) y = y^T I y = y^T y

4. Verify and Summarize

The steps show that both fitted values and residuals sum up to the total sum of squares, validating the relationship yTy=y^Ty^+e^Te^ y^T y = \hat{y}^T \hat{y} + \hat{e}^T \hat{e} .

Final Answer

The proof confirms that:
yTy=y^Ty^+e^Te^ y^T y = \hat{y}^T \hat{y} + \hat{e}^T \hat{e} is valid in the context of linear regression.

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