母回帰関数 (population regression function)
E(Yi∣Xi),i=1,2,…,n を推定するために、線形回帰モデル
E(Yi∣Xi)=α+βXi を仮定する。Yiについての関係を表すときは、観測できない誤差を表す確率変数uiを用いて
Yi=α+βXi+ui,i=1,2,…,n と表す。ここでYi,Xiは確率変数である。
外生性の含意¶
1. 線形回帰モデルの整合性¶
{YiE(ui∣Xi)=α+βXi+ui=0⇒E(Yi∣Xi)=α+βXi Yi=α+βXi+ui の両辺の条件付き期待値をとると、外生性が満たされるとき、
E(Yi∣Xi)=E(α+βXi+ui∣Xi)=α+β=XiE(Xi∣Xi)+=0E(ui∣Xi)=α+βXi となり、
E(Yi∣Xi)=α+βXi が成立し、母回帰関数を表現できる。
2. 説明変数と誤差項の直交・無相関¶
E(ui∣Xi)=0⇒{E(ui)=0E(Xiui)=0⇒Cov(Xi,ui)=0 説明変数Xiが外生変数(外生性を満たす説明変数)ならば、 直交条件
E(Xiui)=EXi[E(Xiui∣Xi)]=EXi[Xi=0E(ui∣Xi)]=EXi(Xi⋅0)=0 を満たす(確率変数の積の期待値がゼロになることを一般に 直交する という)。
また、
E(ui)=EXi[=0E(ui∣Xi)]=0 そして
Cov(Xi,ui)==0E(Xiui)−E(Xi)=0E(ui)=0−E(Xi)⋅0=0 より、Xiとuiは無相関になる
互いに独立な標本の含意¶
ある標本(Xi,Yi)の関数si=s(Xi,Yi)を定義する。標本が互いに独立ならば、Xi以外の説明変数はsiに関して情報をもっていないため、
E[s(Xi,Yi)∣Xi]=E[s(Xi,Yi)∣全サンプルX1,X2,⋯,Xn] 特に関数を ui=s(Xi,Yi)=Yi−α−βXi と置けば、
E(ui∣Xi)=E(ui∣X1,X2,…,Xn) となる。
OLS推定量の不偏性¶
OLS推定量はOLSウェイトwiにより
β^=β+∑wiui,wi=∑(Xi−Xˉ)2(Xi−Xˉ) と表現できる。説明変数で条件づけた推定量の期待値は
E(β^∣X1,X2,…,Xn)=β+∑E(wiui∣X1,X2,…,Xn)=β+∑wi=0E(ui∣X1,X2,…,Xn)=β となる。
繰り返し期待値の法則を適用することで
E(β^)=E[E(β^∣X1,X2,…,Xn)]=E(β)=β が得られ、OLS推定量β^は母回帰係数βの不偏推定量になる。
OLS推定量の一致性¶
OLSウェイトによる表現
β^=β+∑wiui,wi=∑(Xi−Xˉ)2(Xi−Xˉ) を書き換えると
β^=β+∑(Xi−Xˉ)2∑(Xi−Xˉ)(ui−uˉ)=β+n−11∑(Xi−Xˉ)2n−11∑(Xi−Xˉ)(ui−uˉ)=β+sX2sXu nが大きくなる場合、標本モーメントが母集団に一致する、つまり
plimsXu=Cov(Xi,ui),plimsX2=Var(Xi) のため
plimβ^=β+plimsX2plimsXu=β+Var(Xi)Cov(Xi,ui)=β