Os estimadores de mínimos quadrados
e
possuem importantes propriedades: são não viciados e têm variância mínima entre todos os estimadores não viciados que são combinações lineares dos Yi (Teorema de Gauss-Markov). Desta forma, os estimadores de mínimos quadrados são frequentemente ditos "melhores estimadores lineares não viciados".
1. Valor esperado (média) de
:
Definindo
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segue que,
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Desta forma,
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Como
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concluímos que
(estimador não viciado).
2. Variância de
:
De (1) temos que
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Como Yi, i=1,...,n são variáveis independentes, segue que
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Considerando n pares de valores observados (x1,y1),...,(xn,yn), podemos escrever
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3. Valor esperado (média) de
:
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Como
, segue que
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(estimador não viciado).
4. Variância de
:
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Notemos que
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Como
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já que para
,
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e para
,
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segue que
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Desta forma,
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Como Yi, i=1,...,n são independentes, segue que
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Novamente, dados n pares de valores (x1,y1),...,(xn,yn) escrevemos
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5. Covariância entre
e
:
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De (4) temos que
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e portanto,
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6. Distribuição amostral para
:
Em (1), definimos
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Como
é combinação linear de normais independentes (combinação linear dos Yi), segue que
também tem distribuição normal com média e variância dadas respectivamente em (1) e (2) e portanto,
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7. Distribuição amostral para
:
Como em (6),
também é combinação linear de normais independentes Yi e portanto, também tem distribuição normal. A média e a variância de
são apresentadas em (3) e (4), respectivamente. Desta forma,
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Em relação ao estimador da variância
,
8. Valor esperado (média) de QME:
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Assim,
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Sabemos que
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Desta forma,
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Como
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e
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Segue que
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Portanto,
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(estimador não viciado).
Para os dados do exemplo da "Motivação 1", obter estimativas para a variância dos estimadores
e
. O valor de QME foi calculado no "Exemplo 1.2.2". Já os valores de
e
foram calculados no "Exemplo 1.2.1".
clique aqui para efetuar o download dos dados utilizados nesse exemplo
Solução:
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Utilizando o Software Action obtemos os seguintes resultados:

| Para entender como executar essa função do Software Action, você pode consultar o manual do usuário. | |||









![$$E(\widehat{\beta}_0)=E\left[\bar{Y}-\widehat{\beta}_1\bar{x}\right]=E(\bar{Y})-\bar{x}E(\widehat{\beta}_1)=E\left(\sum\limits_{i=1}^n\dfrac{Y_i}{n}\right)-\bar{x}\beta_1= \sum\limits_{i=1}^n\dfrac{E(Y_i)}{n}-\bar{x}\beta_1.$$](/sites/default/files/tex/11f3d8f24c380f0f33d1480b79fb57a2b9545181.png)



![$$=E\left(\bar{x}\dfrac{\displaystyle\sum\limits_{i=1}^n(\beta_0+\beta_1x_i+\varepsilon_i)}{n}\widehat{\beta}_1\right)-\dfrac{\bar{x}\beta_1}{n}\sum\limits_{i=1}^n(\beta_0+\beta_1x_i)=\dfrac{\bar{x}}{n}\sum\limits_{i=1}^n \left[ \beta_0\beta_1 + x_i\beta_1^2+E(\varepsilon_i \widehat{\beta}_1)\right]$$](/sites/default/files/tex/367c07caf42001d4547f93344c7937b5e5b0bdca.png)

![$$E(\varepsilon_i\widehat{\beta}_1)=E\left[\varepsilon_i\dfrac{\displaystyle\sum\limits_{j=1}^k(x_j-\bar{x})Y_j}{\displaystyle\sum\limits_{i=1}^n (x_i - \bar{x})^2}\right]=\dfrac{\displaystyle\sum\limits_{j=1}^k(x_j-\bar{x})E\left[\varepsilon_iY_j\right]}{\displaystyle\sum\limits_{i=1}^n (x_i - \bar{x})^2}=\dfrac{\displaystyle\sum\limits_{j=1}^k(x_j-\bar{x})E\left[\varepsilon_i(\beta_0+\beta_1x_j+\varepsilon_j)\right]}{\displaystyle\sum\limits_{i=1}^n (x_i - \bar{x})^2}$$](/sites/default/files/tex/ad587383d9e474c32ac259bb46cc808e0534075a.png)
![$$=\dfrac{\displaystyle\sum\limits_{j=1}^k(x_j-\bar{x})[\beta_0 E(\varepsilon_i)+\beta_1x_jE(\varepsilon_i)+E(\varepsilon_j\varepsilon_i)]}{\displaystyle\sum\limits_{i=1}^n (x_i - \bar{x})^2}=\dfrac{\displaystyle\sum\limits_{j=1}^k(x_j-\bar{x})E(\varepsilon_j\varepsilon_i)}{\displaystyle\sum\limits_{i=1}^n (x_i - \bar{x})^2}=0,$$](/sites/default/files/tex/e4e5eff22b6a2594d8970ee1b8de5d50df7a5dbb.png)






![$$Cov(\widehat{\beta}_0, \widehat{\beta}_1)=E(\widehat{\beta}_0\widehat{\beta}_1)-E(\widehat{\beta}_0)E(\widehat{\beta}_1)=E[(\bar{Y}-\widehat{\beta}_1\bar{x})\widehat{\beta}_1]-\beta_0\beta_1=E[\bar{Y}\widehat{\beta}_1-\bar{x}\widehat{\beta}_1^2]-\beta_0\beta_1= E(\bar{Y}\widehat{\beta}_1)$$](/sites/default/files/tex/73ce22e8ba54d309531186050fb6aee82517f804.png)
![$$-\bar{x}E(\widehat{\beta}_1^2)-\beta_0\beta_1= E\left[\dfrac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^n Y_i\widehat{\beta}_1\right]-\bar{x}[Var(\widehat{\beta}_1)+ (E(\widehat{\beta}_1))^2]-\beta_0\beta_1=\dfrac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^n E[(\beta_0+\beta_1x_i+\varepsilon_i)\widehat{\beta}_1]$$](/sites/default/files/tex/a7e00c8baecd40040fb0fe020b26c4d418d373b4.png)
![$$-\bar{x}\left[ \dfrac{\sigma^2}{\displaystyle\sum\limits_{i=1}^n (x_i - \bar{x})^2}+\beta_1^2\right] -\beta_0\beta_1=\dfrac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^n E[\beta_0\widehat{\beta}_1 + \beta_1\widehat{\beta}_1x_i+\varepsilon_i\widehat{\beta}_1]-\dfrac{\bar{x} \, \sigma^2}{\displaystyle\sum\limits_{i=1}^n (x_i - \bar{x})^2} - \bar{x} \beta_1^2 - \beta_0 \beta_1$$](/sites/default/files/tex/f2c456e906d96e98ecc09cc53e5615b3ef126e96.png)
![$$= \dfrac{1}{n} \sum\limits_{i=1}^n \left[\beta_0 \beta_1 + \beta_1^2 x_i + E(\varepsilon_i \widehat{\beta}_1) \right] - \dfrac{\bar{x} \, \sigma^2}{\displaystyle\sum\limits_{i=1}^n (x_i - \bar{x})^2} - \bar{x} \beta_1^2 - \beta_0 \beta_1$$](/sites/default/files/tex/738eb33d3ea1cd80491bd16452d16948f2bf9c14.png)





![$$\widehat{\beta}_{0} \sim N \left[\beta_0,\sigma^2\left(\frac{1}{n}+\frac{\bar{x}^2}{\displaystyle\sum\limits_{i=1}^n (x_i - \bar{x})^2}\right)\right].$$](/sites/default/files/tex/6409a3aa7c9e39e1745e760f94b09ac1cb4da592.png)


![$$SQE = \sum e_i^{2}=\sum_{i=1}^n (Y_i-\widehat{Y}_i)^{2}=\sum_{i=1}^n(Y_i-(\widehat{\beta}_0+\widehat{\beta}_1x_i))^{2}=\sum_{i=1}^n[Y_i^{2}-2 Y_i(\widehat{\beta}_0 +\widehat{\beta}_1 x_i) + (\widehat{\beta}_0 +\widehat{\beta}_1 x_i)^{2}]$$](/sites/default/files/tex/60950396cdf8aa73435baca4a89863448ae20759.png)
![$$=\sum_{i=1}^n[Y_i^{2}-2 Y_i(\bar{Y} - \widehat{\beta}_1 \bar{x} + \widehat{\beta}_1 x_i) + (\bar{Y} - \widehat{\beta}_1 \bar{x} +\widehat{\beta}_1 x_i)^{2}]=\sum_{i=1}^n[Y_i^{2}-2 Y_i\bar{Y} +2Y_i\bar{x}\widehat{\beta}_1 - 2Y_ix_i \widehat{\beta}_1+ [\bar{Y} - \widehat{\beta}_1 (\bar{x} - x_i)^{2}]$$](/sites/default/files/tex/2c976b1d7b11e542e6c522e2ccfbaa3eca09015d.png)

![$$=\sum_{i=1}^n[(Y_i -\bar{Y})^2 - 2 \widehat{\beta}_1 (x_iY_i -\bar{x} Y_i + \bar{Y}\bar{x} - \bar{Y}x_i) + \widehat{\beta}_1^2 (\bar{x} - x_i)^2]$$](/sites/default/files/tex/bf41b0276afb9d08e11ae3313da54f03989d69c5.png)
![$$= \sum_{i=1}^n(Y_{i}-\bar{Y})^2- 2\widehat{\beta}_1 \sum_{i=1}^n[(\bar{x}-x_i)(\bar{Y}-Y_i)]+\widehat{\beta}_1^{2} \sum_{i=1}^n(x_i-\bar{x})^2$$](/sites/default/files/tex/0f9f16f68b4ab8f2370d542d5ddde5e191335a8b.png)




![$$=\sum_{i=1}^nE(Y_{i}^2)-nE(\bar{Y}^2)-\dfrac{1}{\displaystyle\sum\limits_{i=1}^n(x_i-\bar{x})^2}E\left[\left(\displaystyle\sum\limits_{i=1}^n(x_i-\bar{x})Y_i\right)^2\right]$$](/sites/default/files/tex/c8fed6a3c2a21fbb8ab35dc7af765e3762eb8660.png)
![$$=\sum_{i=1}^n[Var(Y_i)+E^2(Y_i)]-n[Var(\bar{Y})+E^2(\bar{Y})]$$](/sites/default/files/tex/c112fe5c4a079acdc1225fcf95dc38afccdaff7e.png)
![$$-\dfrac{1}{\displaystyle\sum\limits_{i=1}^n(x_i-\bar{x})^2}\left[Var\left(\displaystyle\sum\limits_{i=1}^n(x_i-\bar{x})Y_i\right)+E^2\left(\displaystyle\sum\limits_{i=1}^n(x_i-\bar{x})Y_i\right)\right].$$](/sites/default/files/tex/3b5e8455dc5da9a8488a446ea820ddcf2ae9cde2.png)



![$$-\dfrac{1}{\displaystyle\sum\limits_{i=1}^n(x_i-\bar{x})^2}\sum_{i=1}^n(x_i-\bar{x})^2\sigma^2-\dfrac{1}{\displaystyle\sum\limits_{i=1}^n(x_i-\bar{x})^2}\left[\displaystyle\sum\limits_{i=1}^n(x_i-\bar{x})(\beta_0+\beta_1x_i)\right]^2$$](/sites/default/files/tex/f9bfe6e59bae13eff24a19ae616fae413b1b55fc.png)
![$$=n\sigma^2+\sum_{i=1}^n(\beta_0+\beta_1x_i)^2-\sigma^2-n(\beta_0+\beta_1\bar{x})^2-\sigma^2-\dfrac{1}{\displaystyle\sum\limits_{i=1}^n(x_i-\bar{x})^2}\left[\beta_0\sum_{i=1}^n(x_i-\bar{x})+\beta_1\sum_{i=1}^n(x_i-\bar{x})x_i\right]^2$$](/sites/default/files/tex/d9844a48e1b41ffd1810ee6f5286cd6325b09f45.png)


![$$\widehat{Var}(\widehat{\beta}_0)=\widehat{\sigma}^2\left[\dfrac{1}{n}+\dfrac{\bar{x}^2}{S_{xx}}\right]=QME \left[\dfrac{1}{n} + \dfrac{\bar{x}^2}{S_{xx}} \right] ~=~2,2866 \left[\frac{1}{20} + \frac{51756,25}{625} \right] ~=~189,4732.$$](/sites/default/files/tex/15b84378ab280ea2d3fd3fe55da9f408ed626bab.png)
