Seminar 5

Author

Carlos Buitrago

1 Оптимальные оценки

NoteОпределение

Оценка \(\widehat{\theta}\) называется оптимальной, если она является наилучшей в классе несмещённых оценок в среднеквадратичном смысле.

Иными словами, если \(\widehat{\theta}\) — несмещённая оценка \(\tau(\theta)\), то она оптимальна, если для любой другой несмещённой оценки \(\theta^*\) величины \(\tau(\theta)\) выполнено

\[ \mathbb E_\theta\left(\widehat{\theta}-\tau(\theta)\right)^2 \leq \mathbb E_\theta\left(\theta^*-\tau(\theta)\right)^2, \qquad \theta\in\Theta. \]

Поскольку обе оценки несмещённые, это эквивалентно сравнению дисперсий:

\[ \operatorname{Var}_\theta(\widehat{\theta}) \leq \operatorname{Var}_\theta(\theta^*). \]

2 Достаточные статистики

NoteОпределение

Статистика \(S(X)\) называется достаточной для семейства распределений \(\mathcal P_\Theta\), если существует вариант условного распределения

\[ \mathbb P_\theta(X\in B\mid S(X)=t), \]

который не зависит от параметра \(\theta\).

Таким образом, после того как известно значение \(S(X)\), оставшаяся информация в выборке \(X\) не несёт дополнительной информации о \(\theta\).

2.1 Критерий факторизации

ImportantТеорема (критерий факторизации Неймана–Фишера)

Пусть \(\mathcal P_\theta\) — доминируемое семейство распределений с обобщённой плотностью \(\rho_\theta\).

Тогда \(S(X)\) является достаточной статистикой тогда и только тогда, когда обобщённая плотность допускает представление

\[ \rho_\theta(x) = h(x)\,g_\theta(S(x)), \]

где для всех \(\theta\) функции \(g_\theta\) и \(h\) — борелевские и неотрицательные.

Критерий факторизации позволяет проверять достаточность, не вычисляя условное распределение выборки при фиксированном значении статистики.

3 Улучшение оценок с помощью достаточной статистики

3.1 Теорема Рао–Блэквелла–Колмогорова

ImportantТеорема (Колмогоров–Блэквелл–Рао)

Пусть \(S(X)\) является достаточной статистикой для семейства

\[ \mathcal P=\{P_\theta:\theta\in\Theta\}, \]

а \(\theta^*(X)\) — несмещённая оценка \(\tau(\theta)\).

Тогда

\[ T(X) = \mathbb E_\theta\!\left(\theta^*(X)\mid S(X)\right) \]

является статистикой и несмещённой оценкой \(\tau(\theta)\), причём она не хуже исходной оценки в среднеквадратичном смысле:

\[ \mathbb E_\theta \left(T-\tau(\theta)\right)^2 \leq \mathbb E_\theta \left(\theta^*-\tau(\theta)\right)^2, \qquad \theta\in\Theta. \]

3.1.1 Почему дисперсия уменьшается?

По формуле полной дисперсии

\[ \operatorname{Var}_\theta(\theta^*) = \operatorname{Var}_\theta \left( \mathbb E_\theta[\theta^*\mid S] \right) + \mathbb E_\theta \left[ \operatorname{Var}_\theta(\theta^*\mid S) \right]. \]

Следовательно,

\[ \operatorname{Var}_\theta(T) \leq \operatorname{Var}_\theta(\theta^*). \]

Таким образом, условное усреднение по достаточной статистике удаляет из оценки вариацию, не содержащую дополнительной информации о параметре.

3.2 Следствия

TipУтверждение

Если \(\tau(\theta)\) допускает оптимальное оценивание, то оптимальная оценка является функцией от достаточной статистики.

TipУтверждение

Если \(\widehat{\theta}(X)\) и \(\theta^*(X)\) — две оптимальные оценки одной и той же функции параметра, то

\[ \widehat{\theta}(X) = \theta^*(X) \qquad P_\theta\text{-п.н.} \]

для любого \(\theta\in\Theta\).

Таким образом, оптимальная несмещённая оценка, если она существует, по существу единственна.

4 Полные статистики

NoteОпределение

Статистика \(S(X)\) называется полной для семейства распределений \(\mathcal P_\Theta\), если для любой борелевской функции \(f\) из

\[ \mathbb E_\theta f(S(X))=0 \qquad \text{для всех }\theta\in\Theta \]

следует

\[ f(S(X))=0 \qquad P_\theta\text{-п.н. для всех }\theta\in\Theta. \]

Иначе говоря,

\[ \left[ \forall\theta\in\Theta: \mathbb E_\theta f(S(X))=0 \right] \Longrightarrow \left[ \forall\theta\in\Theta: f(S(X))=0 \quad (P_\theta\text{-п.н.}) \right]. \]

Полнота означает, что среди функций достаточной статистики не существует нетривиальной статистики, математическое ожидание которой равно нулю при всех значениях параметра.

5 Теорема Лемана–Шеффе

ImportantТеорема (Лемана–Шеффе)

Пусть \(S(X)\) — полная достаточная статистика для семейства \(\mathcal P_\Theta\).

Если

\[ \mathbb E_\theta \varphi(S(X)) = \tau(\theta), \]

то

\[ \widehat{\theta}(X) = \varphi(S(X)) \]

является оптимальной несмещённой оценкой для \(\tau(\theta)\).

Таким образом, для построения оптимальной несмещённой оценки достаточно:

  1. найти полную достаточную статистику \(S(X)\);
  2. найти функцию \(\varphi\), для которой

\[ \mathbb E_\theta\varphi(S(X))=\tau(\theta). \]

Тогда \(\varphi(S(X))\) автоматически является единственной (с точностью до равенства почти наверное) оптимальной несмещённой оценкой.

6 Экспоненциальные семейства

Распределения экспоненциального семейства естественным образом порождают достаточные статистики.

В общем виде плотность можно записать как

\[ p_\theta(x) = h(x) \exp\left\{ \sum_{j=1}^k a_j(\theta)T_j(x) - A(\theta) \right\}. \]

Для независимой выборки \(X_1,\ldots,X_n\) совместная плотность имеет вид

\[ p_\theta(x_1,\ldots,x_n) = \left(\prod_{i=1}^n h(x_i)\right) \exp\left\{ \sum_{j=1}^k a_j(\theta) \sum_{i=1}^n T_j(x_i) - nA(\theta) \right\}. \]

По критерию факторизации естественной достаточной статистикой является

\[ T(X) = \left( \sum_{i=1}^nT_1(X_i), \ldots, \sum_{i=1}^nT_k(X_i) \right). \]

6.1 Полнота в экспоненциальных семействах

ImportantТеорема об экспоненциальных семействах

Пусть

\[ \theta\in\Theta\subset\mathbb R^k \]

и \(P_\theta\) — семейство распределений экспоненциального типа.

Пусть, кроме того, множество значений

\[ \left( a_1(\theta),\ldots,a_k(\theta) \right), \qquad \theta\in\Theta, \]

содержит \(k\)-мерный параллелепипед.

Тогда

\[ T(X) = \left( T_1(X),\ldots,T_k(X) \right) \]

является полной достаточной статистикой.

Это особенно полезно в сочетании с теоремой Лемана–Шеффе: если удаётся представить несмещённую оценку как функцию такой статистики, оптимальность следует автоматически.

7 Анциллярные статистики и теорема Басу

NoteОпределение

Статистика \(A(X)\) называется анциллярной (ancillary statistic), если её распределение не зависит от параметра \(\theta\).

ImportantТеорема Басу

Пусть \(S(X)\) — полная достаточная статистика, а \(A(X)\) — анциллярная статистика.

Тогда для любого \(\theta\in\Theta\) статистики

\[ A(X) \qquad\text{и}\qquad S(X) \]

независимы.

Теорема Басу связывает два противоположных типа статистик:

  • \(S(X)\) содержит всю доступную информацию о параметре \(\theta\);
  • распределение \(A(X)\) вообще не зависит от \(\theta\).

Если \(S(X)\) при этом полна, то эти статистики оказываются независимыми.

8 Основная схема

Связь между основными понятиями можно представить следующим образом:

\[ \boxed{\text{Достаточная статистика}} \quad+\quad \boxed{\text{Полнота}} \quad\Longrightarrow\quad \boxed{\text{Полная достаточная статистика}}. \]

Если существует функция \(\varphi\) такая, что

\[ \mathbb E_\theta\varphi(S)=\tau(\theta), \]

то по теореме Лемана–Шеффе

\[ \boxed{ \varphi(S) \text{ — оптимальная несмещённая оценка }\tau(\theta) }. \]

Кроме того, если \(A\) — анциллярная статистика, то по теореме Басу

\[ \boxed{ S\perp A }. \]