Метод Белсли
Материал из MachineLearning.
м  (→Разложение линейной модели)  | 
				 (→Разложение линейной модели)  | 
			||
| Строка 1: | Строка 1: | ||
Belsley, Kuh и Welsch предложили метод анализа мультиколлинеарности основанный на индексах обусловленности(the scaled condition indexes) и дисперсионных долях(the variance-decomposition proportions).  | Belsley, Kuh и Welsch предложили метод анализа мультиколлинеарности основанный на индексах обусловленности(the scaled condition indexes) и дисперсионных долях(the variance-decomposition proportions).  | ||
==Разложение линейной модели==  | ==Разложение линейной модели==  | ||
| - | + | Рассматривается линейная регрессионная модель: <br />  | |
| - | <tex>y=X \beta + \varepsilon  | + | <tex>y=X \beta + \varepsilon,</tex>       (1)<br />   | 
| - | где <tex>y</tex> - <tex>n</tex>-мерный   | + | где <tex>y</tex> -– <tex>n</tex>-мерный вектор ответа(зависимой переменной), <tex>X</tex> -- <tex>n \times p</tex> <tex>(n>p)</tex> матрица признаков, <tex>\beta</tex> -- <tex>p</tex>-мерный вектор неизвестных коэффициентов, <tex>\varepsilon</tex> -- <tex>p</tex>-мерный вектор случайного возмущения с нулевым матожиданием и ковариационной матрицей <tex>{\sigma}^2 I</tex>, где <tex>I</tex> это <tex>n \times n</tex> единичная матрица, а <tex>{\sigma}^2>0</tex>. Будем считать что <tex>X</tex> имеет ранг <tex>p</tex>.  | 
Если есть коллинеарность между признаками согласно Belsley имеет смысл использовать сингулярное разложение(SVD), чтобы определить вовлеченные переменные. Матрица сингулярного разложения <tex>X</tex> определяется как: <br/>  | Если есть коллинеарность между признаками согласно Belsley имеет смысл использовать сингулярное разложение(SVD), чтобы определить вовлеченные переменные. Матрица сингулярного разложения <tex>X</tex> определяется как: <br/>  | ||
<tex>X=UDV^T.</tex>      (2)<br/>  | <tex>X=UDV^T.</tex>      (2)<br/>  | ||
| - | Здесь <tex>U</tex> - <tex>n \times p</tex> ортогональная матрица, <tex>D</tex> - <tex>p \times p</tex> верхняя диагональная матрица, чьи неотрицательные элементы являются сингулярными значениями <tex>X</tex>, <tex>V</tex> - <tex>p \times p</tex> ортогональная матрица, чьи колонки это собственные вектора <tex>X^T X</tex>. Если существует коллинеарная   | + | Здесь <tex>U</tex> -- <tex>n \times p</tex> ортогональная матрица, <tex>D</tex> -- <tex>p \times p</tex> верхняя диагональная матрица, чьи неотрицательные элементы являются сингулярными значениями <tex>X</tex>, <tex>V</tex> -- <tex>p \times p</tex> ортогональная матрица, чьи колонки это собственные вектора <tex>X^T X</tex>. Если существует коллинеарная зависимость, то  | 
некоторые сингулярные значения, скажем, <tex>(р - s)</tex>, близки к нулю.  | некоторые сингулярные значения, скажем, <tex>(р - s)</tex>, близки к нулю.  | ||
Предположим, что <tex>d_{jj}</tex>, или просто <tex>d_{j}</tex>, элементы матрицы <tex>D</tex> упорядочены так, что <br/>  | Предположим, что <tex>d_{jj}</tex>, или просто <tex>d_{j}</tex>, элементы матрицы <tex>D</tex> упорядочены так, что <br/>  | ||
| Строка 14: | Строка 14: | ||
D=\begin{pmatrix} D_{s\times s} & O_{s \times (p-s)} \\ O_{(p-s) \times s} & D_{(p-s)\times (p-s)} \end{pmatrix},  | D=\begin{pmatrix} D_{s\times s} & O_{s \times (p-s)} \\ O_{(p-s) \times s} & D_{(p-s)\times (p-s)} \end{pmatrix},  | ||
</tex> (3)  | </tex> (3)  | ||
| - | где <tex>D_{s\times s}</tex> и <tex>D_{(p-s)\times (p-s)}</tex> диагональные, и недиагональные блоки нулевые. <tex>D_{s\times s}</tex>, или просто <tex>D_{S}</tex>, содержит достаточно большие сингулярные значения, а <tex>D_{(p-s)\times (p-s)}</tex>, или <tex>D_{N}</tex>, содержит близкие к нулю.   | + | где <tex>D_{s\times s}</tex> и <tex>D_{(p-s)\times (p-s)}</tex> диагональные, и недиагональные блоки нулевые. <tex>D_{s\times s}</tex>, или просто <tex>D_{S}</tex>, содержит достаточно большие сингулярные значения, а <tex>D_{(p-s)\times (p-s)}</tex>, или <tex>D_{N}</tex>, содержит близкие к нулю сингулярные значения.   | 
Теперь разделим <tex>U</tex> и <tex>V</tex> соответственно: <br/>  | Теперь разделим <tex>U</tex> и <tex>V</tex> соответственно: <br/>  | ||
<tex>  | <tex>  | ||
| Строка 22: | Строка 22: | ||
V=(V_{p\times s}  V_{p \times (p-s)}) = (V_{S} V_{N}),  | V=(V_{p\times s}  V_{p \times (p-s)}) = (V_{S} V_{N}),  | ||
</tex> (4) <br/>  | </tex> (4) <br/>  | ||
| - | где <tex>U_{S}</tex> и <tex>V_{S}</tex> соответствуют первым <tex>s</tex>   | + | где <tex>U_{S}</tex> и <tex>V_{S}</tex> соответствуют первым <tex>s</tex> наибольшим сингулярным значениям, а <tex>U_{N}</tex> и <tex>V_{N}</tex> содержат <tex>(p-s)</tex> векторов соответствующих малым сингулярным значениям.  | 
| - | Матрица <tex>U</tex>  ортогональна, т.е <tex>U^T U=I_{p \times p}</tex>, так же как и <tex>U_{S}</tex> и <tex>U_{N}</tex>. Таким образом   | + | Матрица <tex>U</tex>  ортогональна, т.е <tex>U^T U=I_{p \times p}</tex>, так же как и <tex>U_{S}</tex> и <tex>U_{N}</tex>. Таким образом <br/> <tex>U^{T}_{S} U_{S}=I_{s \times s}</tex> <br/>  | 
<tex>U^{T}_{N} U_{N}=I_{(p-s) \times (p-s)}</tex> <br/>   | <tex>U^{T}_{N} U_{N}=I_{(p-s) \times (p-s)}</tex> <br/>   | ||
<tex>U^{T}_{S} U_{N}=O_{s \times (p-s)}</tex> <br/>   | <tex>U^{T}_{S} U_{N}=O_{s \times (p-s)}</tex> <br/>   | ||
| Строка 41: | Строка 41: | ||
что обеспечивает возможность ортогонального разложения <tex>X</tex> :<br/>  | что обеспечивает возможность ортогонального разложения <tex>X</tex> :<br/>  | ||
<tex>X=X_{S}+X_{N}.</tex> (10)<br/>  | <tex>X=X_{S}+X_{N}.</tex> (10)<br/>  | ||
| - | Здесь все матрицы имеют размер <tex>n \times p</tex> и полагая что <tex>X</tex> имеет ранг <tex>p</tex>, <tex>X_{S}</tex> и <tex>X_{N}</tex>   | + | Здесь все матрицы имеют размер <tex>n \times p</tex>, и полагая что <tex>X</tex> имеет ранг <tex>p</tex>, а <tex>X_{S}</tex> и <tex>X_{N}</tex> имеют ранг <tex>s</tex> и <tex>(p-s)</tex> соответственно. Тогда для разложения (2) :<br/>  | 
<tex>X(V_{S} V_{N})=(U_{S} U_{N}) \begin{pmatrix}  | <tex>X(V_{S} V_{N})=(U_{S} U_{N}) \begin{pmatrix}  | ||
D_{S} & O \\  | D_{S} & O \\  | ||
| Строка 50: | Строка 50: | ||
и <br/>  | и <br/>  | ||
<tex>X V_{N}=X_{N} V_{N}=U_{N} D_{N} \approx O </tex> (13)<br/>  | <tex>X V_{N}=X_{N} V_{N}=U_{N} D_{N} \approx O </tex> (13)<br/>  | ||
| - | Равенства в (12) и (13) получаются из (8) и (10) ссылаясь на то что из ортогональности <tex>V</tex> следует <tex>V^T_N V_S = O</tex>. Это значит что <tex>X_S</tex> содержит всю информацию  | + | Равенства в (12) и (13) получаются из (8) и (10), ссылаясь на то, что из ортогональности <tex>V</tex> следует <tex>V^T_N V_S = O</tex>. Это значит что <tex>X_S</tex> содержит всю информацию и только ее, входящую в <tex>X</tex>, которая свободна от коллинеарности связанной с остальными <tex>(p-s) </tex> собственными векторами.<br/>  | 
Соответственно <tex>X_N</tex> содержит только информацию связанную с коллинеарностью делая прогноз на дополнительное пространство <tex> \mathbb R^{\mathrm (p-s)}</tex>. Это пространство связанное с элементами матрицы <tex>D_N</tex> близкими к нулю называется квази-нулевым пространством<br/>  | Соответственно <tex>X_N</tex> содержит только информацию связанную с коллинеарностью делая прогноз на дополнительное пространство <tex> \mathbb R^{\mathrm (p-s)}</tex>. Это пространство связанное с элементами матрицы <tex>D_N</tex> близкими к нулю называется квази-нулевым пространством<br/>  | ||
| - | Следовательно предложенное разложение подчеркивает <tex>X_S</tex> как часть <tex>X</tex> полученную из s основных компонентов которые в меньшей степени участвуют в коллинеарности. <tex>X^N</tex> же содержит информацию связанную с <tex>p-s</tex> компонентами которые   | + | Следовательно, предложенное разложение подчеркивает <tex>X_S</tex> как часть <tex>X</tex> полученную из <tex>s</tex> основных компонентов, которые в меньшей степени участвуют в коллинеарности. <tex>X^N</tex> же содержит информацию связанную с <tex>p-s</tex> компонентами которые участвуют в коллинеарных зависимостях. Переменные, входящие в коллинеарности, это те, которые имеют наибольшие координаты в столбцах матрицы <tex>V_N</tex>.  | 
Вектор <tex>\beta</tex> минимизирующего ошибку в метода наименьших квадратов:<br/>  | Вектор <tex>\beta</tex> минимизирующего ошибку в метода наименьших квадратов:<br/>  | ||
<tex>\beta=(X^T X)^{-1} X^T y = X^{+}y</tex> (14)<br/>  | <tex>\beta=(X^T X)^{-1} X^T y = X^{+}y</tex> (14)<br/>  | ||
| - | где <tex>X^{+}</tex> - псевдообратная матрица <tex>X</tex> и последнее равенство выполняется только если <tex>X</tex> имеет полный ранг. Используя предыдущее разложение может быть показано что:<br/>  | + | где <tex>X^{+}</tex> -- псевдообратная матрица <tex>X</tex>, и последнее равенство выполняется только если <tex>X</tex> имеет полный ранг. Используя предыдущее разложение может быть показано что:<br/>  | 
<tex>(X^T X)^{-1}=V D^{-2} V^T =V_S D^{-2}_S V_S^T + V_N D^{-2}_N V_N^T= (X^T_S X_S)^{+} +(X^T_N X_N)^{+} </tex>(15)<br/>  | <tex>(X^T X)^{-1}=V D^{-2} V^T =V_S D^{-2}_S V_S^T + V_N D^{-2}_N V_N^T= (X^T_S X_S)^{+} +(X^T_N X_N)^{+} </tex>(15)<br/>  | ||
Последнее равенство получается из того что   | Последнее равенство получается из того что   | ||
| Строка 66: | Строка 66: | ||
Из (15) получаем:<br/>  | Из (15) получаем:<br/>  | ||
<tex>Cov(\beta) = {\sigma}^2 (X^T X)^{-1}= {\sigma}^2 [V_S D^{-2}_S V_S^T + V_N D^{-2}_N V_N^T]={\sigma}^2 [(X^T_S X_S)^{+} +(X^T_N X_N)^{+} ] = Cov({\beta}_S) + Cov({\beta}_N)</tex>(18)<br/>  | <tex>Cov(\beta) = {\sigma}^2 (X^T X)^{-1}= {\sigma}^2 [V_S D^{-2}_S V_S^T + V_N D^{-2}_N V_N^T]={\sigma}^2 [(X^T_S X_S)^{+} +(X^T_N X_N)^{+} ] = Cov({\beta}_S) + Cov({\beta}_N)</tex>(18)<br/>  | ||
| - | Элементы на главной   | + | Элементы на главной диагонали <tex>(X^T_N X_N)^{-1} </tex> это [[Фактор инфляции дисперсии|VIF]], которые могут быть разложены на компоненты соответствующие каждому <tex>{\beta}_{Si}</tex> и <tex>{\beta}_{Ni} (i=1,2,...,p).</tex>  | 
==Выявление мультиколлинеарности==  | ==Выявление мультиколлинеарности==  | ||
Версия 09:36, 27 августа 2010
Belsley, Kuh и Welsch предложили метод анализа мультиколлинеарности основанный на индексах обусловленности(the scaled condition indexes) и дисперсионных долях(the variance-decomposition proportions).
Содержание | 
Разложение линейной модели
Рассматривается линейная регрессионная модель: 
       (1)
 
где  -– 
-мерный вектор ответа(зависимой переменной), 
 -- 
 
 матрица признаков, 
 -- 
-мерный вектор неизвестных коэффициентов, 
 -- 
-мерный вектор случайного возмущения с нулевым матожиданием и ковариационной матрицей 
, где 
 это 
 единичная матрица, а 
. Будем считать что 
 имеет ранг 
.
Если есть коллинеарность между признаками согласно Belsley имеет смысл использовать сингулярное разложение(SVD), чтобы определить вовлеченные переменные. Матрица сингулярного разложения 
 определяется как: 
      (2)
Здесь  -- 
 ортогональная матрица, 
 -- 
 верхняя диагональная матрица, чьи неотрицательные элементы являются сингулярными значениями 
, 
 -- 
 ортогональная матрица, чьи колонки это собственные вектора 
. Если существует коллинеарная зависимость, то
некоторые сингулярные значения, скажем, 
, близки к нулю.
Предположим, что 
, или просто 
, элементы матрицы 
 упорядочены так, что 
И рассмотрим разбиение
 (3)
где 
 и 
 диагональные, и недиагональные блоки нулевые. 
, или просто 
, содержит достаточно большие сингулярные значения, а 
, или 
, содержит близкие к нулю сингулярные значения. 
Теперь разделим 
 и 
 соответственно: 
 (4) 
где  и 
 соответствуют первым 
 наибольшим сингулярным значениям, а 
 и 
 содержат 
 векторов соответствующих малым сингулярным значениям.
Матрица 
  ортогональна, т.е 
, так же как и 
 и 
. Таким образом 
  
 
 
 
 
 (5)
Т.к  тоже ортогональна, то 
 
 
 
 
 
 (6)
Таким образом разложение нам дает: 
 (7)
Обозначим слагаемые в правой части как 
 (8)
Заметим что получившиеся матрицы ортогональны, т.е :
(9) 
что обеспечивает возможность ортогонального разложения  :
 (10)
Здесь все матрицы имеют размер , и полагая что 
 имеет ранг 
, а 
 и 
 имеют ранг 
 и 
 соответственно. Тогда для разложения (2) :
 (11)
Далее мы получаем 
 (12)
и 
 (13)
Равенства в (12) и (13) получаются из (8) и (10), ссылаясь на то, что из ортогональности  следует 
. Это значит что 
 содержит всю информацию и только ее, входящую в 
, которая свободна от коллинеарности связанной с остальными 
 собственными векторами.
Соответственно  содержит только информацию связанную с коллинеарностью делая прогноз на дополнительное пространство 
. Это пространство связанное с элементами матрицы 
 близкими к нулю называется квази-нулевым пространством
Следовательно, предложенное разложение подчеркивает  как часть 
 полученную из 
 основных компонентов, которые в меньшей степени участвуют в коллинеарности. 
 же содержит информацию связанную с 
 компонентами которые участвуют в коллинеарных зависимостях. Переменные, входящие в коллинеарности, это те, которые имеют наибольшие координаты в столбцах матрицы 
.
Вектор 
 минимизирующего ошибку в метода наименьших квадратов:
 (14)
где  -- псевдообратная матрица 
, и последнее равенство выполняется только если 
 имеет полный ранг. Используя предыдущее разложение может быть показано что:
(15)
Последнее равенство получается из того что 
 - сингулярное разложение 
 и следовательно 
. Для 
 аналогично.
Подставляя (15) и (7) в (14) получаем: 
(16)
Окончательно модель:
(17)
Где  это вектор остатков.
Из (15) получаем:
(18)
Элементы на главной диагонали  это VIF, которые могут быть разложены на компоненты соответствующие каждому 
 и 
Выявление мультиколлинеарности
Когда есть мультиколлинеарность одино или более собственных значений близко к нулю, и соответствующие им собственные вектора содержат информацию о зависимостях между признаками. Выведеное разложение помогает выявить какие переменные показывают наибольшую вовлеченность в зависимости.
Из (16) получаем:
(19)
где  и 
. Значения 
 и 
 зависят от элементов 
 и 
, и от соотношений 
 которые играют основную роль в объяснении соотношений между признаками. 
 всегда больше нуля(мы считаем что ранг 
 равен p), тогда как 
 принимает значения от -1 до 1. Отрицательные значения 
 могут вести к 
 и 
 разных знаков, и один из них может иметь абсолютное значение больше 
. Что касается собственных векторов соответствующих очень малым значениям собственных значений, то известно, что 
 с большими абсолютными значениями озночают что соответствующие переменные сильно вовлечены в мультиколлинеарность. Если несколько собственных значений близки к нулю, то мы можем увеличить порядок (p-s) 
 по шагам используя разложение (7) и обычно мы будем наблюдать уменьшение абсолютных значений 
 и увеличение 
. Когда (p-s) соответствует числу индексов обусловленности показывающих существование зависимостей 
 может рассматриваться как общие значения параметров метода наименьших квадратов. Это актуально, когда знак какого-либо параметра не является таким как ожидалось, и в целом это зависит от мультиколлинеарности.С помощью разложения, как уже отмечалось, мы можем получить что 
 будет иметь нужный знак, в то время как часть значения перешедшего 
 (благодаря коллинеарности) будет иметь противоположный знак и большее абсолютное значение.
Чтобы исследовать влияние коллинеарности на параметры линейной регрессии лучше, ковариационная матрица может быть переписана:
 (20) 
и
 (21) 
Отклонение каждого  может быть выражено как
 (22)
Из (18) мы можем разделить отклонение:
(23)
Так как сингулярные значения  близки к нулю,то если соответствующие 
 не очень малы, второй член будет больше первого, т.к отклонение 
 будет больше чем 
.Тогда по мере увеличения размерности квази-нуль пространства, мы можем ожидать, что переменные, которые более активно участвовуют в коллинеарных отношениях, связанных с собственными векторами принадлежащими этому пространству должны будут уменьшать значения 
 и увеличивать 
.

