Seminar 5: Доверительные интервалы

Author

Carlos Buitrago

1 Доверительные интервалы

В этой главе собраны основные определения, методы и результаты, необходимые для построения точных и асимптотических доверительных интервалов, в том числе для задач с порядковыми статистиками, нормальной, пуассоновской, экспоненциальной, гамма-, Парето- и Коши-моделями.

Обозначим через \(\gamma\in(0,1)\) уровень доверия, а через

\[ \alpha=1-\gamma \]

уровень ошибки. Для центральных двусторонних интервалов обычно используется квантиль

\[ z_{1-\alpha/2}=\Phi^{-1}(1-\alpha/2). \]

NoteТерминология

В русской литературе часто говорят доверительный интервал уровня доверия \(\gamma\).
Например, для \(95\%\)-го доверительного интервала \(\gamma=0.95\) и \(\alpha=0.05\).

2 1. Определение доверительного интервала

ImportantОпределение

Доверительным интервалом уровня доверия \(\gamma\) для параметра \(\theta\) называется пара статистик

\[ \bigl(T_1(X),T_2(X)\bigr), \]

такая, что для любого \(\theta\in\Theta\)

\[ \mathbb P_\theta\!\left( T_1(X)<\theta<T_2(X) \right)\ge \gamma. \]

Если выполнено равенство

\[ \mathbb P_\theta\!\left( T_1(X)<\theta<T_2(X) \right)=\gamma, \]

то доверительный интервал называется точным.

WarningЧто означает вероятность \(\gamma\)?

После наблюдения выборки границы интервала становятся фиксированными числами, а параметр \(\theta\) в классической статистике считается фиксированным.

Поэтому \(\gamma\) характеризует процедуру построения интервала: если многократно повторять эксперимент и каждый раз строить интервал тем же способом, доля интервалов, содержащих истинное значение \(\theta\), будет равна (или не меньше) \(\gamma\).

2.1 Асимптотический доверительный интервал

ImportantОпределение

Последовательность интервалов

\[ \left(T_1^{(n)}(X),T_2^{(n)}(X)\right) \]

называется асимптотическим доверительным интервалом уровня доверия \(\gamma\), если

\[ \liminf_{n\to\infty} \mathbb P_\theta \left( T_1^{(n)}(X)<\theta<T_2^{(n)}(X) \right) \ge \gamma. \]

В типичных регулярных задачах вероятность покрытия сходится ровно к \(\gamma\).

TipХороший доверительный интервал

Одного свойства покрытия недостаточно: естественно также требовать, чтобы длина интервала была как можно меньше и, при возможности,

\[ T_2^{(n)}-T_1^{(n)} \xrightarrow{\mathbb P}0. \]

Обычно длина регулярного асимптотического интервала имеет порядок \(n^{-1/2}\), однако для экстремальных статистик возможна более быстрая скорость, например \(n^{-1}\).

3 2. Главная идея: центральная статистика

ImportantОпределение

Функция

\[ G(X,\theta) \]

называется центральной статистикой (pivot), если её распределение не зависит от неизвестного параметра \(\theta\).

Для непосредственного обращения неравенства удобно также, чтобы при каждом фиксированном \(x\) функция \(G(x,\theta)\) была непрерывной и строго монотонной по \(\theta\).

Пусть \(x_p\) — \(p\)-квантиль распределения \(G(X,\theta)\) и

\[ p_2-p_1=\gamma. \]

Тогда

\[ \mathbb P_\theta \left( x_{p_1}<G(X,\theta)<x_{p_2} \right)=\gamma. \]

Если эти неравенства можно разрешить относительно \(\theta\), получаем точный доверительный интервал.

TipЦентральный интервал

Часто выбирают

\[ p_1=\frac{1-\gamma}{2}=\frac{\alpha}{2}, \qquad p_2=\frac{1+\gamma}{2}=1-\frac{\alpha}{2}. \]

Это особенно естественно для симметричного распределения центральной статистики.

NoteЦентральный не обязательно означает кратчайший

Выбор равных хвостовых вероятностей удобен и стандартен, но не всегда минимизирует длину интервала. В задачах с несимметричными распределениями pivot можно распределять вероятность \(\alpha\) между двумя хвостами иначе.

4 3. Точная схема построения через pivot

Практически алгоритм выглядит так:

  1. Найти статистику \(G(X,\theta)\), распределение которой известно и не зависит от \(\theta\).
  2. Выбрать числа \(a,b\) так, чтобы \[ \mathbb P(a<G(X,\theta)<b)=\gamma. \]
  3. Разрешить двойное неравенство относительно \(\theta\).
  4. Полученные функции выборки и будут границами доверительного интервала.

4.1 Простейший пример

Если

\[ \frac{\widehat\theta-\theta}{\sigma/\sqrt n}\sim\mathcal N(0,1), \]

где \(\sigma\) известно, то

\[ \mathbb P\left( -z_{1-\alpha/2} < \frac{\widehat\theta-\theta}{\sigma/\sqrt n} < z_{1-\alpha/2} \right)=\gamma, \]

откуда

\[ \theta\in \left( \widehat\theta-z_{1-\alpha/2}\frac{\sigma}{\sqrt n}, \widehat\theta+z_{1-\alpha/2}\frac{\sigma}{\sqrt n} \right). \]

5 4. Асимптотические доверительные интервалы

Пусть оценка \(\widehat\theta_n\) асимптотически нормальна:

\[ \sqrt n(\widehat\theta_n-\theta) \xrightarrow{d} \mathcal N(0,\sigma^2(\theta)). \]

Эквивалентно,

\[ \frac{\sqrt n(\widehat\theta_n-\theta)} {\sigma(\theta)} \xrightarrow{d}\mathcal N(0,1). \]

Если \(\widehat\theta_n\) состоятельна и \(\sigma(\cdot)\) непрерывна, то по теореме Слуцкого

\[ \frac{\sqrt n(\widehat\theta_n-\theta)} {\sigma(\widehat\theta_n)} \xrightarrow{d}\mathcal N(0,1). \]

Отсюда получается стандартный Wald-интервал

\[ \boxed{ \theta\in \left( \widehat\theta_n - z_{1-\alpha/2}\frac{\sigma(\widehat\theta_n)}{\sqrt n}, \; \widehat\theta_n + z_{1-\alpha/2}\frac{\sigma(\widehat\theta_n)}{\sqrt n} \right). } \]

WarningПодстановка оценки в стандартную ошибку

Замена неизвестного \(\sigma(\theta)\) на \(\sigma(\widehat\theta_n)\) обычно делает интервал лишь асимптотически, а не точно, доверительным.

6 5. Три основных способа построения асимптотического ДИ

Именно эти три подхода особенно полезно сравнивать на распределении Пуассона.

6.1 Метод I. Обратить исходное асимптотическое неравенство

Если

\[ \frac{\sqrt n(\widehat\theta-\theta)}{\sigma(\theta)} \xrightarrow{d}\mathcal N(0,1), \]

можно оставить \(\theta\) внутри знаменателя и непосредственно решить

\[ -z_{1-\alpha/2} < \frac{\sqrt n(\widehat\theta-\theta)}{\sigma(\theta)} < z_{1-\alpha/2} \]

относительно \(\theta\).

Такой подход иногда приводит к нелинейному, но более естественному интервалу.

6.2 Метод II. Оценить неизвестную дисперсию

По состоятельности

\[ \sigma^2(\widehat\theta) \xrightarrow{\mathbb P} \sigma^2(\theta). \]

Тогда по Слуцкому

\[ \frac{\sqrt n(\widehat\theta-\theta)} {\sigma(\widehat\theta)} \xrightarrow{d}\mathcal N(0,1), \]

что приводит к Wald-интервалу.

6.3 Метод III. Стабилизация дисперсии

Пусть

\[ \sqrt n(\widehat\theta-\theta) \xrightarrow{d} \mathcal N(0,\sigma^2(\theta)). \]

Ищем монотонную функцию \(\tau\) такую, что

\[ \tau'(\theta)\sigma(\theta)=1. \]

То есть можно взять

\[ \tau(\theta) = \int^\theta \frac{du}{\sigma(u)}. \]

По дельта-методу

\[ \sqrt n\bigl(\tau(\widehat\theta)-\tau(\theta)\bigr) \xrightarrow{d} \mathcal N(0,1). \]

После построения интервала для \(\tau(\theta)\) выполняем обратное преобразование.

7 6. Подробный пример: \(\operatorname{Pois}(\theta)\) тремя методами

Пусть

\[ X_1,\ldots,X_n\overset{iid}{\sim}\operatorname{Pois}(\theta). \]

Тогда

\[ \mathbb E X_i=\theta, \qquad \operatorname{Var}(X_i)=\theta, \]

а \(\widehat\theta=\overline X\). По ЦПТ

\[ \sqrt n(\overline X-\theta) \xrightarrow{d} \mathcal N(0,\theta), \]

то есть

\[ \frac{\sqrt n(\overline X-\theta)}{\sqrt\theta} \xrightarrow{d}\mathcal N(0,1). \]

Обозначим

\[ z=z_{1-\alpha/2}. \]

7.1 Метод I: обращение неравенства

Начинаем с

\[ -z < \frac{\sqrt n(\overline X-\theta)}{\sqrt\theta} < z. \]

Положим \(y=\sqrt\theta>0\). Тогда \(\theta=y^2\), и получаем

\[ -z < \frac{\sqrt n(\overline X-y^2)}{y} < z. \]

Решая обе квадратные границы относительно \(y\), получаем

\[ \frac{-z+\sqrt{z^2+4n\overline X}}{2\sqrt n} < \sqrt\theta < \frac{z+\sqrt{z^2+4n\overline X}}{2\sqrt n}. \]

Следовательно,

\[ \boxed{ \theta\in \left( \left( \sqrt{\overline X+\frac{z^2}{4n}} -\frac{z}{2\sqrt n} \right)^2, \; \left( \sqrt{\overline X+\frac{z^2}{4n}} +\frac{z}{2\sqrt n} \right)^2 \right). } \]

NoteЧто произошло?

Мы не заменяли \(\theta\) в стандартной ошибке на оценку. Вместо этого непосредственно обратили асимптотическое неравенство относительно неизвестного параметра.

7.2 Метод II: подстановка оценки дисперсии

Поскольку

\[ \overline X\xrightarrow{\mathbb P}\theta, \]

имеем

\[ \sqrt{\overline X}\xrightarrow{\mathbb P}\sqrt\theta. \]

По теореме Слуцкого

\[ \frac{\sqrt n(\overline X-\theta)}{\sqrt{\overline X}} \xrightarrow{d}\mathcal N(0,1). \]

Поэтому

\[ \boxed{ \theta\in \left( \overline X-z\sqrt{\frac{\overline X}{n}}, \; \overline X+z\sqrt{\frac{\overline X}{n}} \right). } \]

WarningНедостаток Wald-интервала

Нижняя граница может оказаться отрицательной, хотя \(\theta>0\). Это типичная проблема Wald-интервалов около границы пространства параметров.

7.3 Метод III: стабилизация дисперсии

Здесь

\[ \sigma^2(\theta)=\theta, \qquad \sigma(\theta)=\sqrt\theta. \]

Ищем \(\tau\) из условия

\[ \tau'(\theta)\sqrt\theta=1. \]

Поэтому

\[ \tau'(\theta)=\frac1{\sqrt\theta}, \qquad \tau(\theta)=2\sqrt\theta. \]

По дельта-методу

\[ \sqrt n\left(2\sqrt{\overline X}-2\sqrt\theta\right) \xrightarrow{d}\mathcal N(0,1). \]

Следовательно,

\[ -z < 2\sqrt n(\sqrt{\overline X}-\sqrt\theta) < z \]

с асимптотической вероятностью \(\gamma\). Значит,

\[ \boxed{ \theta\in \left( \left(\sqrt{\overline X}-\frac{z}{2\sqrt n}\right)^2, \; \left(\sqrt{\overline X}+\frac{z}{2\sqrt n}\right)^2 \right), } \]

если преобразованные границы остаются в допустимой области.

TipСравнение трёх методов

Все три интервала имеют одно и то же асимптотическое покрытие первого порядка, но при конечном \(n\) их границы различаются.

  • Метод I: обращаем исходную нормальную аппроксимацию.
  • Метод II: подставляем оценку в стандартную ошибку — классический Wald.
  • Метод III: сначала преобразуем параметр так, чтобы асимптотическая дисперсия стала постоянной.

8 7. Дельта-метод для доверительных интервалов

ImportantДельта-метод

Если

\[ \sqrt n(\widehat\theta-\theta) \xrightarrow{d}\mathcal N(0,\sigma^2(\theta)) \]

и \(g\) дифференцируема в \(\theta\), то

\[ \sqrt n\bigl(g(\widehat\theta)-g(\theta)\bigr) \xrightarrow{d} \mathcal N \left( 0,\,[g'(\theta)]^2\sigma^2(\theta) \right). \]

Это позволяет:

  • строить интервалы для функций параметра \(g(\theta)\);
  • стабилизировать дисперсию;
  • получать интервалы, автоматически учитывающие ограничения типа \(\theta>0\) после обратного преобразования.

9 8. Порядковые статистики и точные интервалы

Пусть \(X_1,\ldots,X_n\) имеют непрерывную функцию распределения \(F_\theta\).

Для минимума

\[ X_{(1)}=\min_i X_i \]

имеем

\[ \mathbb P_\theta(X_{(1)}>x) = \left(1-F_\theta(x)\right)^n. \]

Следовательно,

\[ F_{X_{(1)}}(x) = 1-\left(1-F_\theta(x)\right)^n. \]

Для максимума

\[ X_{(n)}=\max_iX_i \]

имеем

\[ \mathbb P_\theta(X_{(n)}\le x) = F_\theta(x)^n. \]

TipКак применять

Если параметр \(\theta\) определяет границу носителя распределения, \(X_{(1)}\) или \(X_{(n)}\) часто позволяют получить точный pivot.

Это особенно важно для моделей типа

\[ U(0,\theta) \]

и других распределений, носитель которых зависит от \(\theta\).

9.1 Пример: \(U(0,\theta)\) и максимум

Если

\[ X_i\sim U(0,\theta), \]

то для \(0<x<\theta\)

\[ \mathbb P_\theta(X_{(n)}\le x) = \left(\frac{x}{\theta}\right)^n. \]

Поэтому

\[ \frac{X_{(n)}}{\theta} \]

имеет распределение, не зависящее от \(\theta\):

\[ \mathbb P\left( \frac{X_{(n)}}{\theta}\le t \right)=t^n, \qquad 0<t<1. \]

Это точная центральная статистика.

NoteСкорость

В моделях с параметром на границе носителя экстремальная статистика может оценивать параметр со скоростью \(1/n\), а не обычной скоростью \(1/\sqrt n\).

10 9. Масштабные семейства

Пусть

\[ X_i=\theta Y_i, \qquad \theta>0, \]

где распределение \(Y_i\) не зависит от \(\theta\).

Тогда многие статистики имеют вид

\[ T(X)=\theta T(Y), \]

и, следовательно,

\[ \frac{T(X)}{\theta} \]

является pivot.

TipГде это полезно?

Такая идея возникает, например, для:

  • \(U(0,\theta)\);
  • некоторых параметризаций \(\operatorname{Exp}(\theta)\);
  • \(\Gamma(\alpha,\lambda)\) при фиксированном shape-параметре;
  • Pareto-моделей после подходящего преобразования.

11 10. Монотонные преобразования

Если распределение исходной статистики неудобно, полезно найти преобразование, переводящее задачу в известное семейство.

Например, если

\[ X\sim\operatorname{Pareto}(\theta,1) \]

в параметризации

\[ \mathbb P(X>x)=x^{-\theta}, \qquad x\ge1, \]

то

\[ Y=\log X \]

имеет экспоненциальное распределение с интенсивностью \(\theta\):

\[ Y\sim\operatorname{Exp}(\text{rate } \theta). \]

Следовательно,

\[ 2\theta\sum_{i=1}^n\log X_i \]

имеет распределение \(\chi^2_{2n}\).

Это сразу даёт точный pivot для \(\theta\).

WarningПараметризация важна

Для \(\operatorname{Exp}\), \(\Gamma\) и \(\operatorname{Pareto}\) существуют разные соглашения о параметрах. Перед решением задачи всегда нужно явно записать плотность.

12 11. Распределение Коши: что делать без моментов?

Для

\[ X_i\sim\operatorname{Cauchy}(\theta,1) \]

не существуют ни математическое ожидание, ни дисперсия. Поэтому применять ЦПТ к \(\overline X\) нельзя.

Но медиана распределения равна \(\theta\). Выборочная медиана \(\widehat m_n\) асимптотически нормальна.

ImportantАсимптотика выборочной медианы

Если \(m\) — единственная медиана распределения и плотность \(f\) положительна и непрерывна в \(m\), то

\[ \sqrt n(\widehat m_n-m) \xrightarrow{d} \mathcal N \left( 0,\frac{1}{4f(m)^2} \right). \]

Для стандартного сдвинутого Коши

\[ f_\theta(\theta)=\frac1\pi, \]

поэтому

\[ \sqrt n(\widehat m_n-\theta) \xrightarrow{d} \mathcal N\left(0,\frac{\pi^2}{4}\right). \]

Следовательно,

\[ \boxed{ \theta\in \left( \widehat m_n- z_{1-\alpha/2}\frac{\pi}{2\sqrt n}, \; \widehat m_n+ z_{1-\alpha/2}\frac{\pi}{2\sqrt n} \right) } \]

является асимптотическим доверительным интервалом.

NoteГлавная идея

Отсутствие моментов не означает, что доверительный интервал построить невозможно. Нужно выбрать другую состоятельную и асимптотически нормальную статистику.

13 12. Гамма-распределение и информация Фишера

Пусть используется параметризация rate:

\[ X_i\sim\Gamma(\alpha,\lambda), \]

\[ f(x;\alpha,\lambda) = \frac{\lambda^\alpha}{\Gamma(\alpha)} x^{\alpha-1}e^{-\lambda x}, \qquad x>0. \]

Тогда

\[ \mathbb E X=\frac{\alpha}{\lambda}, \qquad \operatorname{Var}(X)=\frac{\alpha}{\lambda^2}. \]

Если \(\alpha\) известно, естественная оценка

\[ \widehat\lambda=\frac{\alpha}{\overline X}. \]

Используя ЦПТ и дельта-метод, можно получить асимптотическую нормальность \(\widehat\lambda\) и построить Wald-интервал.

13.1 Если \(\alpha\) также неизвестно

Теперь параметр двумерный:

\[ \vartheta=(\alpha,\lambda). \]

Для MLE в регулярной модели

\[ \sqrt n(\widehat\vartheta-\vartheta) \xrightarrow{d} \mathcal N \left( 0,I(\vartheta)^{-1} \right), \]

где \(I(\vartheta)\) — информация Фишера на одно наблюдение.

Для Gamma(shape \(\alpha\), rate \(\lambda\))

\[ I(\alpha,\lambda) = \begin{pmatrix} \psi_1(\alpha) & -1/\lambda\\ -1/\lambda & \alpha/\lambda^2 \end{pmatrix}, \]

где \(\psi_1\) — тригамма-функция.

TipНаличие nuisance-параметра

Если интересует только \(\lambda\), но \(\alpha\) неизвестно, асимптотическая дисперсия \(\widehat\lambda\) берётся из соответствующего диагонального элемента

\[ I(\alpha,\lambda)^{-1}. \]

После этого неизвестные параметры заменяются их состоятельными оценками.

14 13. Экспоненциальное распределение

Здесь особенно важно соглашение о параметризации.

14.1 Rate-параметризация

Если

\[ f_\theta(x)=\theta e^{-\theta x}, \qquad x\ge0, \]

то

\[ \mathbb E X=\frac1\theta, \qquad \operatorname{Var}(X)=\frac1{\theta^2}. \]

MLE:

\[ \widehat\theta=\frac1{\overline X}. \]

По дельта-методу

\[ \sqrt n(\widehat\theta-\theta) \xrightarrow{d} \mathcal N(0,\theta^2). \]

Поэтому Wald-интервал имеет вид

\[ \theta\in \left( \widehat\theta-z_{1-\alpha/2}\frac{\widehat\theta}{\sqrt n}, \; \widehat\theta+z_{1-\alpha/2}\frac{\widehat\theta}{\sqrt n} \right). \]

14.2 Scale-параметризация

Если

\[ f_\theta(x)=\frac1\theta e^{-x/\theta}, \qquad x\ge0, \]

то \(\mathbb E X=\theta\) и

\[ \sqrt n(\overline X-\theta) \xrightarrow{d}\mathcal N(0,\theta^2). \]

Здесь \(\overline X\) сама является естественной оценкой параметра.

15 14. Нормальная выборка: точные pivots

Пусть

\[ X_1,\ldots,X_n\overset{iid}{\sim}\mathcal N(a,\sigma^2), \]

и

\[ \overline X=\frac1n\sum_{i=1}^nX_i, \qquad s^2=\frac1n\sum_{i=1}^n(X_i-\overline X)^2. \]

Тогда

\[ \frac{n s^2}{\sigma^2}\sim\chi^2_{n-1}. \]

Если вместо этого используется исправленная дисперсия

\[ S^2=\frac1{n-1}\sum_{i=1}^n(X_i-\overline X)^2, \]

то

\[ \frac{(n-1)S^2}{\sigma^2}\sim\chi^2_{n-1}. \]

Кроме того,

\[ \frac{\sqrt n(\overline X-a)}{S}\sim t_{n-1}. \]

ImportantНезависимость

В нормальной модели

\[ \overline X \quad\text{и}\quad S^2 \]

независимы. Именно это свойство лежит в основе точного \(t\)-интервала и совместных доверительных областей.

16 15. Точный доверительный интервал для дисперсии

Из

\[ \frac{(n-1)S^2}{\sigma^2} \sim\chi^2_{n-1} \]

получаем

\[ \mathbb P\left( \chi^2_{\alpha/2,n-1} < \frac{(n-1)S^2}{\sigma^2} < \chi^2_{1-\alpha/2,n-1} \right)=\gamma. \]

После обращения:

\[ \boxed{ \sigma^2\in \left( \frac{(n-1)S^2}{\chi^2_{1-\alpha/2,n-1}}, \; \frac{(n-1)S^2}{\chi^2_{\alpha/2,n-1}} \right). } \]

WarningПорядок квантилей переворачивается

Поскольку \(\sigma^2\) находится в знаменателе pivot, при обращении неравенств верхний квантиль \(\chi^2\) даёт нижнюю границу для \(\sigma^2\).

17 16. Доверительные области для вектора параметров

Если параметр многомерный,

\[ \theta=(\theta_1,\ldots,\theta_k), \]

аналогом доверительного интервала является доверительная область \(C(X)\):

\[ \mathbb P_\theta(\theta\in C(X))\ge\gamma. \]

Для нормальной модели с неизвестными \((a,\sigma^2)\) можно комбинировать точные pivots для среднего и дисперсии.

NoteКак получить совместный уровень \(\gamma\)?

Нельзя автоматически взять два отдельных интервала уровня \(\gamma\) и считать их декартово произведение областью уровня \(\gamma\).

Нужно контролировать совместную вероятность покрытия. Если события независимы, можно выбрать уровни \(\gamma_1,\gamma_2\) так, чтобы

\[ \gamma_1\gamma_2=\gamma. \]

Другой универсальный вариант — использовать поправку Бонферрони.

Для хорошей последовательности доверительных областей естественно требовать, чтобы её диаметр или площадь стремились к нулю при \(n\to\infty\).

18 17. CIs in inferential statistics

В прикладной статистике доверительный интервал тесно связан с проверкой гипотез.

ImportantДвойственность теста и доверительного интервала

Для двустороннего теста уровня значимости \(\alpha\) множество значений \(\theta_0\), которые не отвергаются тестом, часто совпадает с доверительным интервалом уровня

\[ 1-\alpha. \]

То есть доверительный интервал можно получить обращением семейства тестов.

18.1 17.1. Доверительный интервал для доли

Пусть

\[ X_1,\ldots,X_n\sim\operatorname{Bernoulli}(p), \]

и

\[ \widehat p=\overline X. \]

Тогда

\[ \sqrt n(\widehat p-p) \xrightarrow{d} \mathcal N(0,p(1-p)). \]

Простейший Wald-интервал:

\[ \boxed{ p\in \left( \widehat p - z_{1-\alpha/2} \sqrt{\frac{\widehat p(1-\widehat p)}{n}}, \; \widehat p + z_{1-\alpha/2} \sqrt{\frac{\widehat p(1-\widehat p)}{n}} \right). } \]

WarningWald CI для доли

При малых \(n\) или \(p\) близком к \(0\) или \(1\) этот интервал может работать плохо и даже выходить за \([0,1]\). В прикладной работе часто предпочитают Wilson score interval или точный Clopper–Pearson interval.

18.1.1 Связь с proportion \(z\)-test

Для проверки

\[ H_0:p=p_0 \]

используется статистика

\[ Z= \frac{\widehat p-p_0} {\sqrt{p_0(1-p_0)/n}}. \]

Обращение условия

\[ |Z|\le z_{1-\alpha/2} \]

относительно \(p_0\) приводит к score/Wilson-интервалу, а не к Wald-интервалу.

18.2 17.2. \(z\)-интервал для среднего

Пусть

\[ X_1,\ldots,X_n\sim\mathcal N(\mu,\sigma^2) \]

и \(\sigma^2\) известно. Тогда

\[ Z= \frac{\sqrt n(\overline X-\mu)}{\sigma} \sim\mathcal N(0,1). \]

Поэтому точный интервал:

\[ \boxed{ \mu\in \left( \overline X-z_{1-\alpha/2}\frac{\sigma}{\sqrt n}, \; \overline X+z_{1-\alpha/2}\frac{\sigma}{\sqrt n} \right). } \]

Он является обращением двустороннего \(z\)-test для

\[ H_0:\mu=\mu_0. \]

18.3 17.3. \(t\)-интервал для среднего

Если выборка нормальная, но \(\sigma^2\) неизвестно, то

\[ T= \frac{\sqrt n(\overline X-\mu)}{S} \sim t_{n-1}. \]

Поэтому

\[ \boxed{ \mu\in \left( \overline X-t_{1-\alpha/2,n-1}\frac{S}{\sqrt n}, \; \overline X+t_{1-\alpha/2,n-1}\frac{S}{\sqrt n} \right). } \]

Tip\(z\) или \(t\)?
  • \(\sigma\) известно \(\Rightarrow\) точный \(z\)-интервал.
  • \(\sigma\) неизвестно и данные нормальны \(\Rightarrow\) точный \(t\)-интервал.
  • Для больших выборок \(t\)-квантиль приближается к соответствующему \(z\)-квантилю.

18.4 17.4. Доверительный интервал для дисперсии

Для нормальной выборки точный интервал для \(\sigma^2\) основан на

\[ \frac{(n-1)S^2}{\sigma^2}\sim\chi^2_{n-1}. \]

Поэтому

\[ \boxed{ \left( \frac{(n-1)S^2}{\chi^2_{1-\alpha/2,n-1}}, \; \frac{(n-1)S^2}{\chi^2_{\alpha/2,n-1}} \right). } \]

Этот интервал является аналогом обращения \(\chi^2\)-теста для гипотезы

\[ H_0:\sigma^2=\sigma_0^2. \]

19 18. Интервалы на основе MLE и информации Фишера

В регулярной параметрической модели MLE удовлетворяет

\[ \sqrt n(\widehat\theta_{\mathrm{MLE}}-\theta) \xrightarrow{d} \mathcal N \left( 0,\frac1{I_1(\theta)} \right), \]

где \(I_1(\theta)\) — информация Фишера одного наблюдения.

Отсюда

\[ \boxed{ \widehat\theta_{\mathrm{MLE}} \pm z_{1-\alpha/2} \frac1{\sqrt{nI_1(\widehat\theta_{\mathrm{MLE}})}}. } \]

NoteНаблюдаемая информация

Вместо ожидаемой информации Фишера часто используют наблюдаемую информацию

\[ J_n(\widehat\theta) = -\ell_n''(\widehat\theta). \]

Тогда стандартная ошибка оценивается как

\[ \operatorname{se}(\widehat\theta) \approx \frac1{\sqrt{J_n(\widehat\theta)}}. \]

20 19. Асимптотика длины интервала

Для Wald-интервала

\[ \widehat\theta \pm z_{1-\alpha/2} \frac{\widehat\sigma}{\sqrt n} \]

длина равна

\[ L_n= 2z_{1-\alpha/2} \frac{\widehat\sigma}{\sqrt n}. \]

Если

\[ \widehat\sigma\xrightarrow{\mathbb P}\sigma(\theta), \]

то

\[ \sqrt n\,L_n \xrightarrow{\mathbb P} 2z_{1-\alpha/2}\sigma(\theta). \]

Следовательно,

\[ L_n=O_{\mathbb P}(n^{-1/2}). \]

TipНо не всегда \(n^{-1/2}\)

Для нерегулярных моделей, особенно когда параметр задаёт границу носителя, возможна другая скорость. Например, максимум выборки из \(U(0,\theta)\) приближается к \(\theta\) со скоростью порядка \(1/n\).

21 20. Что нужно распознавать в задачах

TipБыстрый алгоритм

Шаг 1. Определите: нужен точный или асимптотический интервал?

Шаг 2. Ищите известный pivot: - нормальное распределение \(\Rightarrow Z,t,\chi^2\); - суммы экспоненциальных величин \(\Rightarrow \Gamma/\chi^2\); - порядковые статистики \(\Rightarrow\) используйте их точные распределения; - масштабное семейство \(\Rightarrow\) попробуйте \(T(X)/\theta\).

Шаг 3. Если точного pivot нет, найдите асимптотически нормальную оценку.

Шаг 4. Если асимптотическая дисперсия зависит от \(\theta\), выберите один из трёх подходов: 1. обратить неравенство; 2. подставить состоятельную оценку дисперсии; 3. стабилизировать дисперсию.

Шаг 5. Проверьте пространство параметров: например, \(\theta>0\), \(p\in[0,1]\).

Шаг 6. Если требуется асимптотика длины, найдите ведущий порядок границ.

22 21. Карта методов для задач семинара

Модель / задача Основная идея
\(U(0,\theta)\) через \(\overline X\) точное распределение суммы/среднего после масштабирования
\(U(0,\theta)\) через \(X_{(1)},X_{(n)}\) точные распределения порядковых статистик
Плотность на \([0,2\theta]\), использование \(X_{(1)}\) распределение минимума
\(\operatorname{Cauchy}(\theta,1)\) выборочная медиана и её асимптотическая нормальность
\(\operatorname{Pois}(\theta)\) ЦПТ + три способа построения асимптотического ДИ
\(\Gamma(\alpha,\lambda)\) ЦПТ/дельта-метод или MLE + информация Фишера
\(\operatorname{Pareto}(\theta,1)\) логарифмическое преобразование \(\to\) exponential/gamma pivot
\(\operatorname{Exp}(\theta)\) ЦПТ + дельта-метод; внимательно к параметризации
\(\mathcal N(a,\sigma^2)\) \(t\)- и \(\chi^2\)-pivots, независимость \(\overline X\) и \(S^2\)
ImportantГлавный принцип

Не нужно запоминать отдельную формулу доверительного интервала для каждого распределения.

Нужно уметь находить статистику, распределение которой:

  1. известно точно и не зависит от параметра — точный pivot, или
  2. асимптотически известно — асимптотический pivot,

а затем обратить вероятностное неравенство относительно неизвестного параметра.