統計検定 1級 過去問 解答/解答例と解説
2015年11月29日 (日) 試験

統計数理 問3 [4]

設問の要約
  • x1,x2 を用いる重回帰モデルは正しいとする.

  • 説明変数を x1 だけとした単回帰分析の x1 の回帰係数の最小二乗推定量 β~1 は,

    β~1=S1yS11

  • V[β^1]V[β~1] の差を r12 を用いて表わせ.

  • E[β~1] を求めよ.

  • β~1 の平均二乗誤差 (MSE) を求めよ.

  • β~1β^1 の MSE を比較せよ.

解答例

単回帰モデルの x1 の回帰係数の分散は,次で求めることができる.

V[β~1]=σ2S11
これを用いれば,
V[β^1]V[β~1]=σ2S1111r122σ2S11=σ2S11(11r1221)=σ2S11r1221r122

E[β~1]=E[S1yS11]=1S11E[S1y]=1S11E[i=1nx1iyi]=1S11i=1nE[x1iyi]=1S11i=1nx1iE[yi]=1S11i=1nx1iE[β0+β1x1i+β2x2i+ϵi]=1S11i=1nx1i(E[β0]+E[β1x1i]+E[β2x2i]+E[ϵi])=1S11i=1nx1i(β0+β1x1i+β2x2i)=1S11i=1n(β0x1i+β1x1i2+β2x1ix2i)=1S11(β0i=1nx1i+β1i=1nx1i2+β2i=1nx1ix2i)=1S11(0+β1S11+β2S12)=β1+S12S11β2

MSE[β~1]=E[(β~1β1)2]=E[β~122β1β~1+β12]=E[β~12]2β1E[β~1]+β12=V[β~1]+(E[β~1])22β1E[β~1]+β12=V[β~1]+(β1+S12S11β2)22β1(β1+S12S11β2)+β12=V[β~1]+β12+2S12S11β1β2+(S12S11β2)22β122S12S11β1β2+β12=V[β~1]+(S12S11)2β22

MSE[β^1]=E[(β^1β1)2]=E[β^122β1β^1+β12]=E[β^12]2β1E[β^1]+β12=V[β^1]+(E[β^1])22β1E[β^1]+β12=V[β^1]+β122β12+β12=V[β^1]

MSE[β^1]MSE[β~1]=V[β^1]{V[β~1]+(S12S11)2β22}=V[β^1]V[β~1](S12S11)2β22
ところで,
V[β^1]V[β~1]=σ2S11r1221r122=r122S22S11σ2S2211r122=S122S11S22S22S11σ2S2211r122=(S12S11)2σ2S2211r122=(S12S11)2V[β^2]
これを用いて,
MSE[β^1]MSE[β~1]=(S12S11)2V[β^2](S12S11)2β22=(S12S11)2(V[β^2]β22)
よって,V[β^2]β220 のとき,
MSE[β^1]MSE[β~1]
V[β^2]β22<0 のとき,
MSE[β^1]<MSE[β~1]