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方法Method

Sandwich 协方差估计

Sandwich covariance estimation

从得分与敏感度的样本矩阵算出可复核的协方差、对比标准误和异方差稳健推断。

形式陈述 ​

设固定维估计量已在 IID 抽样下满足Z-估计的一阶展开

n(θ^−θ0)=−A−11n∑i=1nψ(Xi,θ0)+oP(1),

其中 Eψ(X,θ0)=0,A 非奇异,B=E[ψ(X,θ0)ψ(X,θ0)T] 有限。记 V=A−1BA−T,它是根号样本量误差极限分布的协方差矩阵。本页的任务是把未知的 V 转为可以实际计算的标准误,不重新定义估计量。

采用平均方程 Ψn=Pnψ 时,定义

A^=1n∑iDθψ(Xi,θ^),B^=1n∑iψ^iψ^iT,V^=A^−1B^A^−T.

若 A^→PA、B^→PB,则 V^→PV。实际估计量的近似协方差为 V^/n,第 j 坐标标准误为 V^jj/n。对固定向量 c,所报目标 cTθ0 的标准误必须使用完整矩阵:

se^(cTθ^)=cTV^c/n.

也可把 B^ 换成中心化得分外积 Pn[(ψ^−ψ¯)(ψ^−ψ¯)T]。两者相差 ψ¯ψ¯T;在 ψ¯=oP(1) 时具有相同概率极限。有限样本选择必须写清。

插件一致性为什么不是普通大数律一句话 ​

ψ^i 共享由整份样本拟合的 θ^,所以它们并非独立同分布。不能直接把固定函数的普通大数律用于这些拟合后得分。

例如,若 θ^→Pθ0,在某个固定邻域内有 ‖ψ(x,θ)−ψ(x,θ0)‖≤L(x)‖θ−θ0‖,且 EL2<∞、E‖ψ(X,θ0)‖2<∞,则令 dn=‖θ^−θ0‖,在估计量位于邻域的事件上

‖Pn(ψ^ψ^T−ψ0ψ0T)‖≤2dnPn(L‖ψ0‖)+dn2PnL2=oP(1).

两项经验均值由大数律稳定,第一项可积性由 Cauchy–Schwarz 保证;再对固定函数 ψ0ψ0T 应用大数律即得 B^→PB。A^ 则可由样本 Jacobian 的局部一致逼近和总体 Jacobian 连续性处理。最后矩阵求逆在非奇异 A 附近连续,完成 V^ 的一致性。

直觉

中间的 B 描述观测推力怎样波动,两侧的 A−1 把推力单位换成参数单位。只看曲率而忽略推力方差,相当于假定二者满足正确似然下的信息等式;异方差或模型错配时,这种抵消通常不存在。

Sandwich 协方差的单位与定标

可执行的计算顺序 ​

先固定估计目标、得分符号和独立抽样单元,再拟合参数并检查残差与根选择。随后逐行求得分和 Jacobian,累积 A^、B^,检查 A^ 的秩与条件数。通过线性方程求解实现夹乘,通常不显式形成逆矩阵;最后除以 n,对所报目标传播协方差。

固定维、每行得分和 Jacobian 可在 O(p2) 计算时,累计成本 O(np2)、存储 O(p2),矩阵分解成本 O(p3);模型拟合成本另计。若 A^ 奇异,算法应返回“无法按此公式构造协方差”,不能静默使用广义逆后为不可识别坐标报告普通标准误。

例子与边界

五行回归从残差算到 HC0 ​

用截距和斜率拟合五行数据

x=(−2,−1,0,1,2),y=(0,1,1,2,6).

写 zi=(1,xi)T、ψi(β)=zi(yi−ziTβ)。正规方程给 β^=(2,13/10)T,残差依次为

e=(3/5,3/10,−1,−13/10,7/5).

这份数据用于复核算术,不能仅凭五个残差认定真实总体异方差。按上面的得分符号,

A^=−PnzzT=(−100−2),B^=Pne2zzT=(51/5024/2524/25553/250).

例如非对角元由 ∑ixiei2/5=24/25 得到,不能因 ∑ixi=0 就把它删掉。夹乘并除以 n=5 后,HC0 协方差为

Cov^(β^)=(51/25012/12512/125553/5000).

截距与斜率的标准误约为 0.451664 和 0.332566。若报告 x=1 处的拟合均值,目标是 β0+β1,估计值为3.3,方差为

51/250+2(12/125)+553/5000=2533/5000,

标准误约0.711758。它不包含新个体响应的随机噪声,因此不是预测区间的尺度。

普通同方差公式使用 s2=∑ei2/(5−2)=17/10,给协方差 diag(17/50,17/100)。HC0 与它不同,不表示 HC0 在这个五点样本上已获得精确覆盖。HC1 会把 HC0 乘以 n/(n−p)=5/3;这类自由度修正也不会自动恢复经典精确 t 分布。

明确的异方差总体 ​

考虑无截距标量回归。令 X 等概率取1或2,U 独立等概率取 ±1,Y=βX+XU。于是 E(Y∣X)=βX,但条件方差为 X2。有

A=−EX2=−5/2,B=E[X2(Y−βX)2]=EX4=17/2,

故根号样本量下的真实方差为 V=34/25。同方差公式的极限却为 E[(XU)2]/EX2=1。因此普通标准误把方差系数从1.36报成1;不是 OLS 中心错误,而是分母尺度错误。所有变量有界,设计二阶矩正,固定维 IID 的大数律、中心极限定理与残差插件条件都可直接检查。

固定阈值 Huber 的小样本桥梁 ​

对旧M-估计中的数据 (−1,0,1,100),固定阈值1、固定尺度1,估计位置为 1/2。四个得分是 (−1,−1/2,1/2,1),样本中两个残差严格落在截断区间内部,所以

A^=−1/2,B^=5/8,V^=5/2,se^=5/8≈0.790569.

这里没有观测恰落在截断点,故样本导数计数无歧义。要把这项算术升级为抽样保证,还需总体根唯一、截断点无原子、P(|X−θ0|<1)>0,以及相应的非光滑渐近线性证明;不能直接调用前页的处处连续可微版本。若阈值或尺度由本样本选择,固定值的得分协方差也不是完整误差账本。

推论与应用

若固定对比满足 cTVc>0,由上述一致性及Slutsky 定理,

cT(θ^−θ0)cTV^c/n⇒N(0,1).

这才支持渐近 Wald 区间。有限样本出现零分母、负的数值舍入对角元或病态 A^ 时,应报告失败并检查模型、矩阵和样本量,不把数值补丁说成理论保证。

异方差稳健与普通最小二乘的精确同方差推断服务不同假设。相关行必须按实际独立单元计算得分协方差,时间序列还涉及长期协方差;直接把每行外积相加不估计这些跨行项。模型错配时区间中心通常是准则的伪真目标,稳健标准误不会修复中心与科学目标之间的系统差异。

自测与答案 ​

  1. 若把全部得分乘 −1,A^、B^ 和标准误怎样变?答案:A^ 变号,B^ 不变,两侧负号抵消,标准误不变。
  2. 把每条观测复制一次并声称样本量翻倍,会怎样?答案:平均的 A^、B^ 不变,错用新行数会让标准误缩小到原来的 1/2。复制并未产生独立信息,正是IID前提被破坏。

按时间排列的得分怎样估计协方差 ​

若得分跨时点相关,HAC协方差与Bartlett窗口补入加权滞后外积,并用窗口平方和证明有限样本半正定。平均方程下仍须在夹乘后除以样本量;平稳依赖、拟合得分一致性及CLT要另行验证。它提供三点硬截断负方差的复算与高斯有限MA均值的完整保证。

参考资料
  • Stanford STATS 200,Lecture 16: MLE under model misspecification,2016,§16.2、印刷第16-3至16-4页:错配下得分方差、导数均值和 sandwich 插件。本文另以固定维向量定义和明确矩条件给出插件一致性证明。
  • Whitney K. Newey 与 Daniel McFadden,Large Sample Estimation and Hypothesis Testing,1994,§4.1、Theorem 4.1,印刷第2156页(PDF第46页):渐近方差的一致估计;本页 IID 计算不援用依赖数据的推广。
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