Интервал прогнозирования начальной загрузки

Существует ли какой-либо метод начальной загрузки для вычисления интервалов прогнозирования для точечных прогнозов, полученных, например, с помощью линейной регрессии или другого метода регрессии (k-ближайший сосед, деревья регрессии и т. Д.)?

Почему-то я чувствую, что иногда предлагаемый способ просто перехватить точечный прогноз (см., Например, интервалы прогнозирования для регрессии kNN ) не обеспечивает интервал прогнозирования, а доверительный интервал.

Пример в R

# STEP 1: GENERATE DATA

set.seed(34345)

n <- 100 
x <- runif(n)
y <- 1 + 0.2*x + rnorm(n)
data <- data.frame(x, y)


# STEP 2: COMPUTE CLASSIC 95%-PREDICTION INTERVAL
fit <- lm(y ~ x)
plot(fit) # not shown but looks fine with respect to all relevant aspects

# Classic prediction interval based on standard error of forecast
predict(fit, list(x = 0.1), interval = "p")
# -0.6588168 3.093755

# Classic confidence interval based on standard error of estimation
predict(fit, list(x = 0.1), interval = "c")
# 0.893388 1.54155


# STEP 3: NOW BY BOOTSTRAP
B <- 1000
pred <- numeric(B)
for (i in 1:B) {
  boot <- sample(n, n, replace = TRUE)
  fit.b <- lm(y ~ x, data = data[boot,])
  pred[i] <- predict(fit.b, list(x = 0.1))
}
quantile(pred, c(0.025, 0.975))
# 0.8699302 1.5399179

Очевидно, базовый интервал начальной загрузки 95% соответствует доверительному интервалу 95%, а не интервалу прогнозирования 95%. Итак, мой вопрос: как это сделать правильно?

Метод, изложенный ниже, описан в разделе 6.3.3 Дэвидсона и Хинкли (1997), Методы начальной загрузки и их применение . Спасибо Glen_b и его комментарию здесь . Учитывая, что по этой теме было несколько вопросов о Cross Validated, я подумал, что стоит написать.

Модель линейной регрессии:

$$\begin{align} Y_i &= X_i\beta+\epsilon_i \end{align}$$

У нас есть данные, , которые мы используем для оценки & beta ; как: бета$i=1,2,\ldots,N$$\beta$

$$\begin{align} \hat{\beta}_{\text{OLS}} &= \left( X'X \right)^{-1}X'Y \end{align}$$

Теперь мы хотим предсказать, каким будет для новой точки данных, учитывая, что мы знаем X для нее. Это проблема прогнозирования. Давайте назовем новый X (который мы знаем) X N + 1 и новый Y (который мы хотели бы предсказать), Y N + 1 . Обычный прогноз (если мы предполагаем, что ϵ i являются iid и некоррелированными с X ): Y p N + $Y$$X$$X$$X_{N+1}$$Y$$Y_{N+1}$$\epsilon_i$$X$

$$\begin{align} Y^p_{N+1} &= X_{N+1}\hat{\beta}_{\text{OLS}} \end{align}$$

Ошибка прогноза, сделанная этим прогнозом:

$$\begin{align} e^p_{N+1} &= Y_{N+1}-Y^p_{N+1} \end{align}$$

Мы можем переписать это уравнение как:

$$\begin{align} Y_{N+1} &= Y^p_{N+1} + e^p_{N+1} \end{align}$$

$Y^p_{N+1}$$Y_{N+1}$$5^{th}$$95^{th}$$e^p_{N+1}$$e^5,e^{95}$$\left[Y^p_{N+1}+e^5,Y^p_{N+1}+e^{95} \right]$

$e^p_{N+1}$

$$\begin{align} e^p_{N+1} &= Y_{N+1}-Y^p_{N+1}\\ &= X_{N+1}\beta + \epsilon_{N+1} - X_{N+1}\hat{\beta}_{\text{OLS}}\\ &= X_{N+1}\left( \beta-\hat{\beta}_{\text{OLS}} \right) + \epsilon_{N+1} \end{align}$$

$e^p_{N+1}$$e^p_{N+1}$$5^{th}$$95^{th}$$500^{th}$$9,500^{th}$

$X_{N+1}\left( \beta-\hat{\beta}_{\text{OLS}} \right)$$N$$\epsilon^*_i$$Y^*_i=X_i\hat{\beta}_{\text{OLS}}+\epsilon^*_i$$\left(Y^*,X \right)$$\beta^*_r$$X_{N+1}\left( \beta-\hat{\beta}_{\text{OLS}} \right)$$X_{N+1}\left( \hat{\beta}_{\text{OLS}}-\beta^*_r \right)$

$\epsilon$$\epsilon_{N+1}$$\left\{ e^*_1,e^*_2,\ldots,e^*_N \right\}$$\left\{ s_1-\overline{s},s_2-\overline{s},\ldots,s_N-\overline{s} \right\}$$s_i=e^*_i/\sqrt{(1-h_i)}$$h_i$$i$

$Y_{N+1}$$X$$X_{N+1}$

1. $Y^p_{N+1}=X_{N+1}\hat{\beta}_{\text{OLS}}$
2. $\left\{ s_1-\overline{s},s_2-\overline{s},\ldots,s_N-\overline{s}\right\}$$s_i=e_i/\sqrt(1-h_{i})$
3. $r=1,2,\ldots,R$
   • $N$$\left\{\epsilon^*_1,\epsilon^*_2,\ldots,\epsilon^*_N \right\}$
   • $Y^*=X\hat{\beta}_{\text{OLS}}+\epsilon^*$
   • $\beta^*_r=\left( X'X \right)^{-1}X'Y^*$
   • $e^*_r=Y^*-X\beta^*_r$
   • $s^*-\overline{s^*}$
   • $\epsilon^*_{N+1,r}$
   • $e^p_{N+1}$$e^{p*}_r=X_{N+1}\left( \hat{\beta}_{\text{OLS}}-\beta^*_r \right)+\epsilon^*_{N+1,r}$
4. $5^{th}$$95^{th}$$e^p_{N+1}$$e^5,e^{95}$
5. $Y_{N+1}$$\left[Y^p_{N+1}+e^5,Y^p_{N+1}+e^{95} \right]$

Вот Rкод:

# This script gives an example of the procedure to construct a prediction interval
# for a linear regression model using a bootstrap method.  The method is the one
# described in Section 6.3.3 of Davidson and Hinckley (1997),
# _Bootstrap Methods and Their Application_.


#rm(list=ls())
set.seed(12344321)
library(MASS)
library(Hmisc)

# Generate bivariate regression data
x <- runif(n=100,min=0,max=100)
y <- 1 + x + (rexp(n=100,rate=0.25)-4)

my.reg <- lm(y~x)
summary(my.reg)

# Predict y for x=78:
y.p <- coef(my.reg)["(Intercept)"] + coef(my.reg)["x"]*78
y.p

# Create adjusted residuals
leverage <- influence(my.reg)$hat
my.s.resid <- residuals(my.reg)/sqrt(1-leverage)
my.s.resid <- my.s.resid - mean(my.s.resid)


reg <- my.reg
s <- my.s.resid

the.replication <- function(reg,s,x_Np1=0){
  # Make bootstrap residuals
  ep.star <- sample(s,size=length(reg$residuals),replace=TRUE)

  # Make bootstrap Y
  y.star <- fitted(reg)+ep.star

  # Do bootstrap regression
  x <- model.frame(reg)[,2]
  bs.reg <- lm(y.star~x)

  # Create bootstrapped adjusted residuals
  bs.lev <- influence(bs.reg)$hat
  bs.s   <- residuals(bs.reg)/sqrt(1-bs.lev)
  bs.s   <- bs.s - mean(bs.s)

  # Calculate draw on prediction error
  xb.xb <- coef(my.reg)["(Intercept)"] - coef(bs.reg)["(Intercept)"] 
  xb.xb <- xb.xb + (coef(my.reg)["x"] - coef(bs.reg)["x"])*x_Np1
  return(unname(xb.xb + sample(bs.s,size=1)))
}

# Do bootstrap with 10,000 replications
ep.draws <- replicate(n=10000,the.replication(reg=my.reg,s=my.s.resid,x_Np1=78))

# Create prediction interval
y.p+quantile(ep.draws,probs=c(0.05,0.95))

# prediction interval using normal assumption
predict(my.reg,newdata=data.frame(x=78),interval="prediction",level=0.90)


# Quick and dirty Monte Carlo to see which prediction interval is better
# That is, what are the 5th and 95th percentiles of Y_{N+1}
# 
# To do it properly, I guess we would want to do the whole procedure above
# 10,000 times and then see what percentage of the time each prediction 
# interval covered Y_{N+1}

y.np1 <- 1 + 78 + (rexp(n=10000,rate=0.25)-4)
quantile(y.np1,probs=c(0.05,0.95))