回帰係数の確率分布1(線形単回帰)

線形単回帰式(ここを参照)

y ^ = β ^ 0 + β ^ 1 x

の確率変数の β ^ 0 , β ^ 1 の確率分布は

β ^ 0 ∼ N β 0 , σ 2 ∑ i = 1 n x i 2 n ∑ i = 1 n x i − x ¯ 2

β ^ 1 ∼ N β 1 , σ 2 ∑ i = 1 n x i − x ¯ 2

となる.

【前提条件】

誤差はランダムに生じ,平均 0 の正規分布に従うと仮定する.式で表すと以下のようになる.

  1. ε i ∼ N 0 , σ 2 :誤差は正規分布に従い,その平均は 0 ( E ε i = 0 ), その分散は σ 2 ( E ε i 2 = V ε i = σ 2 ),である.
  2. i ≠ j のとき, ε i と ε j は互いに独立である(独立ならば無相関であるから, i ≠ j のとき共分散 Cov ε i , ε j = 0 である(ここを参照)).

●参考

β ^ 0 → t 0 = β ^ 0 − β 0 SE β ^ 0 , β ^ 1 → t 1 = β ^ 1 − β 1 SE β ^ 1 に変換した場合の確率分布⇒このページ

■導出

このページの(23)より,標本より求めた線形単回帰式の回帰係数 β ^ 0 , β ^ 1 は

β ^ = X t X − 1 X t y   ・・・(1)

y = y 1 y 2 ⋮ y n   ・・・(2) , X = 1 x 1 1 x 2 ⋮ ⋮ 1 x n   ・・・(3), β ^ = β ^ 0 β ^ 1   ・・・(4)

で表される.

(1)に(2),(3),(4)を代入し,このように計算すると

β ^ 0 = y ¯ − β ^ 1 x ¯   ・・・・・・(5)

β ^ 1 = ∑ i = 1 n x i − x ¯ y i − y ¯ ∑ i = 1 n x i − x ¯ 2   ・・・・・・(6)

となる.

β ^ 0 , β ^ 1 を, ε i を用いた式に書き換えるために,まず

y i = β 0 + β 1 x i + ε i   ・・・・・・(7)

(誤差を参照, β 0 , β 1 は母集団から求めた回帰係数であるので, β ^ 0 , β ^ 1 とは異なる. )

y ¯ = β 0 + β 1 x ¯ + ε ¯   ・・・・・・(8)

【(8)の導出】

(7)の平均をとる.

1 n ∑ i = 1 n y i = 1 n ∑ i = 1 n β 0 + β 1 x i + ε i

1 n ∑ i = 1 n y i = β 0 + β 1 1 n ∑ i = 1 n x i + 1 n ∑ i = 1 n ε i

1 n ∑ i = 1 n y i = y ¯ , 1 n ∑ i = 1 n x i = x ¯ , 1 n ∑ i = 1 n ε i = ε ¯ とおくと(8)が得られる.

(7),(8)を(6)に代入する.

β ^ 1 = ∑ i = 1 n x i − x ¯ β 0 + β 1 x i + ε i − β 0 − β 1 x ¯ − ε ¯ ∑ i = 1 n x i − x ¯ 2

= ∑ i = 1 n x i − x ¯ β 1 x i − x ¯ + ε i − ε ¯ ∑ i = 1 n x i − x ¯ 2

= β 1 ∑ i = 1 n x i − x ¯ 2 + ∑ i = 1 n x i − x ¯ ε i − ε ¯ ∑ i = 1 n x i − x ¯ 2

= β 1 + ∑ i = 1 n x i − x ¯ ε i − ε ¯ ∑ i = 1 n x i − x ¯ 2

∑ i = 1 n x i − x ¯ ε i − ε ¯ = ∑ i = 1 n x i − x ¯ ε i − ε ¯ ∑ i = 1 n x i − x ¯

∑ i = 1 n x i − x ¯ = ∑ i = 1 n x i − ∑ i = 1 n x ¯ = n 1 n ∑ i = 1 n x i − n x ¯ = n x ¯ − n x ¯ = 0 より

= ∑ i = 1 n x i − x ¯ ε i

= β 1 + ∑ i = 1 n x i − x ¯ ε i ∑ i = 1 n x i − x ¯ 2   ・・・・・・(9)

次に,(8),(9)を(5)に代入する

β ^ 0 = β 0 + β 1 x ¯ + ε ¯ − β 1 + ∑ i = 1 n x i − x ¯ ε i ∑ i = 1 n x i − x ¯ 2 x ¯

= β 0 + 1 n ∑ i = 1 n ε i − ∑ i = 1 n x i − x ¯ x ¯ ε i ∑ i = 1 n x i − x ¯ 2

= β 0 + ∑ i = 1 n 1 n − x i − x ¯ x ¯ ∑ i = 1 n x i − x ¯ 2 ε i   ・・・・・・(10)

(9),(10)を用いて, E β ^ 0 , E β ^ 1 をこのように計算すると

E β ^ 0 = β 0   ・・・・・・(11)

E β ^ 1 = β 1   ・・・・・・(12)

V β ^ 0 , V β ^ 1 をこのように計算すると

V β ^ 1 = σ 2 ∑ i = 1 n x i − x ¯ 2   ・・・・・・(13)

V β ^ 0 = σ 2 ∑ i = 1 n x i 2 n ∑ i = 1 n x i − x ¯ 2   ・・・・・・(14)

正規分布の性質より, ε i が正規分布に従うことより, β ^ 0 , β ^ 1 も正規分布に従う.

(11),(14)より

β ^ 0 ∼ N β 0 , σ 2 ∑ i = 1 n x i 2 n ∑ i = 1 n x i − x ¯ 2

(12),(13)より

β ^ 1 ∼ N β 1 , σ 2 ∑ i = 1 n x i − x ¯ 2

となる.

 

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 最終更新日: 2026年7月22日