Variance in OLS estimator

OLS假设

• 简写为
  
  为nxm的矩阵，n为样本数量，m为变量数量+1，为mx1的权重向量

• 的期望为0： ，方差为

• 这里是冗余参数，需要有如下假设：
  1、同方差性：即每次观测的variance都一致，为，即homoscedasticity( [反义 Heteroscedasticity])：
  

  at each value of *x*, the *y*-value of the dots has about the same [variance]：
  
  2、无自相关性：，即不同观测之间的error没有线性关系（不一定独立，独立是充分非必要条件）（在某些特定的情况下，譬如时间序列估计中，有dependencies，serial correlation，则不成立，详见GLS）

• OLS estimator：
  residual of ith observation:，b为的candidate
  最小化sum of residual的estimator被称之为 OLS estiamtor：
  根据推导，最后OLS estiamtor for 最终的解析解为：
  [推导见appendix A]

• OLS estimator的性质
  1、方差分解：
  
  
  PS: 这里有时候被写成Residual，有时候写成Error，但其实error与residual是有点区别的（这里严格上来讲是residual）
  error（disturbance）是观测值与真实值(true)的偏差。(比如，u为总体均值)
  residual是观测值与估计值（estimated）的偏差。(比如，为样本均值)

• Orthogonal Projection view
  
  ，每一行是一个observation的response
  ，每一行是一个observation的error项
  ，也被叫做design matrix，每一行是特征向量的转置
  ，参数向量
  带入得到：
  
  为称为Projection matrix，维度为

估计值的方差：variance of ols estimator:

为（真值）的估计值，其值是function of datas，并非一个constant estimate，所以也可以看作是一个随机变量，计算其mean 与 variance

• 期望：，即OLS estimator为\beta的无偏估计

• 方差：，由于未知，我们通常用其样本上的估计值来计算。
  
  
  PS0:
  是一个m维向量，是mxm的covariance matrix，对角线上的元素为每个beta的方差。
  
  
  PS1:
  其公式在直觉上也非常好理解，分子是模型预估y的，预估越准，residual越小，其值也越小，与estimator的var成正比。例如维度m=1，则对于，其分母为，即：1、样本数量越大，2、X分布越宽泛（variance大利于估计，如果x全部集中在一点，那么其值对y的估计没有帮助），越利于估计，所以与其值呈反比。（证明见[4]，或者[2]中的Unbiasedness and variance of ）
  
  
  PS2:
  注意，这里conditioning on 其实可以消除，证明见[3]
  
  

• 一种更直觉的计算方式[4]：对sample进行bootstrap，获得多个估计值，，对这组变量计算variance即可获得其variance的一个估计。

误差的方差(Residual/Error Variance)[5](ie: variance of or expectation of )

根据定义 ，的variance为，但是我们无法知道的真实值。所以我们计算时会使用其估计值代替：

• 因为，，根据方差的定义从样本获得方差的估计值：

• 再由推导：，即其期望的bias随n的增加而减小，所以为的一致性估计，但不是无偏估计。

Heteroscedasticity异方差性

1、对于异方差性，需要用GLS来拟合。
2、其实，我们也可以进行针对性的分析与处理。比如在业务中也可以采取一些针对性的措施。譬如不仅仅只参考预估的均值，也将其方差考虑在内。
3、异方差性状况下误差variance的估计：直觉上处理，特征命中数量量越多，variance越小[6]。还有一些思路在之前的文章中有讨论[7]

低估variance的影响

1、譬如在不均衡数据中对p(x| y =1)估计的问题：（此处1为数据量少的样本，在之前文章有讨论[8]以及[9]，以及论文[10].）

• estimator自身的方差很大。
  用样本均值估计总体均值时虽然是无偏（unbiased）的，但是其方差与样本数量成反比，为。即样本越小，这个estimator的variance就越大。estimator本身的variance太大，则本身就不有效（availability）【当然，从严谨的意义上来讲，应该去计算在有限样本条件下，是否能达到variance的最小值（minimum）[12]。这里我们跳出一下理论框架，直觉上理解一下：设想一下采集更多的样本，我们就可以获得更小的variance】
• 系统性地低估少样本数的数据本身dependent variable的方差：
  导致对变量方差的估计偏小：MLE估计分母为n，在n很小的时候会对variance低估。导致会对p(y=1)低估。直觉上的理解可以详见[10]中的Parameter Estimation

2、直觉上，variance越大，越容易induce a wrong ranking

引申1 Linear Regression 中的 Uncertainty Estimate[7]

对于Linear Regression。
1、Homoscedasticity
是一致的，可以直接从样本中获取sigma的估计。
2、Heteroscedasticity
由于不是一致的，所以我们直觉上很容易想到可以同时建模conditional mean与conditional variance：。[13][14]

引申2 Heteroscedasticity in Logistic Regression

由于Logit model的定义本身不包含error term ，所以Heteroscedasticity并无法在此定义。[15]

APPENDIX A

• 先引出OLS estimator的几个特性：
  residual：
  1、
  2、，这里为常数
  3、，可以通过上述两个结论推广
  一个简单的证明方法是凸函数最优解的FOC
  即满足：
  对的偏导可得：，除去常数得到第一个推论。
  对求导可得：，除去常数得到第二个推论。
  由于，对式子进行移项，，即可得，即第三个推论。

• SST的decomposition推导：
  SST=
  
  
  根据上述特性的推论，可以得到后面两项=0，所以
  类似推导见[16]

• 换个角度理解SST分解：
  
  
  由Homoscedasticity的定义，与无关，而是线性加权和，根据Cov的性质很容易得到

Refer：
[1]:https://link.springer.com/content/pdf/bbm%3A978-0-585-25657-3%2F1.pdf
[2]:相关证明：proof:https://en.wikipedia.org/wiki/Proofs_involving_ordinary_least_squares#Least_squares_estimator_for_.CE.B2
[3]:消除conditioning on X的证明：https://stats.stackexchange.com/questions/183986/derivation-of-ols-variance
[4]:变量维度m=1时的证明：
https://stats.stackexchange.com/questions/391254/standard-error-of-simple-linear-regression-coefficients
[5]:我们这里是residuals，因为的真实值我们不知道，所以我们用的是估计值与观测值的偏差。
[6]:Ad Click Prediction: a View from the Trenches章节confidence estimate
[7]:其他Uncertainty Estimate的思路：https://www.jianshu.com/p/7f6597ed66dc
[8]:非均衡数据分类，采样：https://www.jianshu.com/p/c2a543d68e71
[9]:Ctr校准：https://www.jianshu.com/p/43403b2540e1
[10]:Logistic Regression in Rare Events Data
[11]:When is undersampling effective in unbalanced classification tasks?
[12]:Finite-sample efficient estimators:
https://en.wikipedia.org/wiki/Efficiency_(statistics)#:~:text=An%20efficient%20estimator%20is%20an,estimation%20errors%20of%20different%20magnitudes.
[13]:https://stats.stackexchange.com/questions/169499/heteroscedasticity-in-machine-learning-predictions
[14]:Heteroscedastic kernel ridge regression
[15]:Logit model相对于Linear的理解。Logit其实是对一个unobserved latent variable进行建模：log-odds（）与independent variable是线性关系。log-odds其实就是概率p的一个变换，将其从的区间映射到实数集上，这个函数本身隐含了p属于。类似地可见probit函数。
https://stats.stackexchange.com/questions/503092/heteroskedasticity-and-logistic-regression

[16]SST decomposition:https://en.wikipedia.org/wiki/Partition_of_sums_of_squares

[17] 关于variance of estimator更generalize的情况：https://stats.stackexchange.com/questions/60596/estimate-the-variance-of-mle
TODO fisher infomation：https://en.wikipedia.org/wiki/Fisher_information#:~:text=9%20References-,Definition,on%20the%20value%20of%20%CE%B8.