Граница Крамера – Рао - Cramér–Rao bound

В теории оценивания и статистических данных , то Крамера-Рао ( ЦРБ ) выражает нижнюю границу на дисперсии несмещенных оценок детерминированной (фиксированной, хотя и неизвестного) параметра, о том , что дисперсия любой такой оценки, по меньшей мере столь же высоко как инверсия информации Фишера . Результат назван в честь Харальда Крамера и Ч.Р. Рао , но был получен независимо от Мориса Фреше , Жоржа Дармуа , а также Александра Эйткена и Гарольда Сильверстоуна .

Несмещенная оценка, которая достигает этой нижней границы, называется (полностью) эффективной . Такое решение обеспечивает наименьшую возможную среднеквадратичную ошибку среди всех несмещенных методов и, следовательно, является средством оценки с минимальной несмещенной дисперсией (MVU). Однако в некоторых случаях не существует беспристрастной техники, позволяющей достичь границы. Это может произойти либо в том случае, если для любого несмещенного оценщика существует другой со строго меньшей дисперсией, либо если существует оценщик MVU, но его дисперсия строго больше, чем инверсия информации Фишера.

Граница Крамера – Рао также может использоваться для ограничения дисперсии смещенных оценок данного смещения. В некоторых случаях предвзятый подход может привести как к дисперсии, так и к среднеквадратической ошибке , которые ниже несмещенной нижней границы Крамера – Рао; см. смещение оценки .

Заявление

Граница Крамера – Рао формулируется в этом разделе для нескольких все более общих случаев, начиная со случая, когда параметр является скаляром, а его оценка несмещена . Все варианты оценки требуют определенных условий регулярности, которые выполняются для большинства распределений с хорошим поведением. Эти условия перечислены далее в этом разделе .

Скалярный несмещенный случай

Предположим, что это неизвестный детерминированный параметр, который должен быть оценен на основе независимых наблюдений (измерений) , каждый из которых определяется распределением в соответствии с некоторой функцией плотности вероятности . Дисперсия любой несмещенной оценки из затем ограничен обратной части информации Фишера :

где информация Фишера определяется как

и является натуральный логарифм от функции правдоподобия для одного образца и обозначает ожидаемую величину по отношению к плотности в . Если дважды дифференцируема и выполняются определенные условия регулярности, то информацию Фишера также можно определить следующим образом:

Эффективность в несмещенной оценке мер , как близко дисперсия этой оценки приходит к этой нижней границе; эффективность оценщика определяется как

или минимально возможная дисперсия для несмещенной оценки, деленная на ее фактическую дисперсию. Таким образом, оценка снизу Крамера – Рао дает

.

Общий скалярный случай

Более общая форма связанного может быть получена путем рассмотрения смещенной оценки , чьи ожидания не но функция этого параметра, скажем, . Следовательно, обычно не равно 0. В этом случае оценка определяется выражением

где - производная от (по ), а - информация Фишера, определенная выше.

Связано с дисперсией предвзятых оценок

Помимо ограничения оценок функций параметра, этот подход можно использовать для получения границы дисперсии смещенных оценок с заданным смещением следующим образом. Рассмотрим оценщик со смещением , и пусть . Согласно приведенному выше результату, любой непредвзятый оценщик, математическое ожидание которого равно, имеет дисперсию, большую или равную . Таким образом, любая оценка , смещение которой задается функцией, удовлетворяет

Несмещенная версия оценки является частным случаем этого результата с .

Иметь небольшую дисперсию тривиально - постоянная «оценка» имеет нулевую дисперсию. Но из приведенного выше уравнения мы находим, что среднеквадратичная ошибка смещенной оценки ограничена

используя стандартную декомпозицию MSE. Заметим, однако, что если эта граница может быть меньше несмещенной границы Крамера – Рао . Например, в примере оценки дисперсии ниже , .

Многомерный случай

Расширение границы Крамера – Рао до нескольких параметров, определение вектора- столбца параметра

с функцией плотности вероятности, которая удовлетворяет двум нижеприведенным условиям регулярности .

Информационная матрица Фишера является матрица с элементом определяется как

Пусть - оценка любой векторной функции параметров ,, и обозначим ее вектор математического ожидания через . Крамера-Рао затем утверждает , что ковариационная матрица из удовлетворяет

куда

  • Матричное неравенство понимается , что матрица является неотрицательно , и
  • является матрица Якоби которой элемент задается .


Если - несмещенная оценка (т. Е.), То граница Крамера – Рао сводится к

Если неудобно вычислять инверсию информационной матрицы Фишера , то можно просто взять обратную величину соответствующего диагонального элемента, чтобы найти (возможно, нечеткую) нижнюю границу.

Условия регулярности

Оценка основывается на два слабых условиях регулярности на функции плотности вероятности , и в оценках :

  • Информация Фишера всегда определена; эквивалентно, для всех таких, что ,
существует и конечно.
  • Операции интегрирования относительно и дифференцирования относительно могут быть заменены в ожидании ; то есть,
всякий раз, когда правая часть конечна.
Это условие часто можно подтвердить, используя тот факт, что интегрирование и дифференцирование можно поменять местами в любом из следующих случаев:
  1. Функция имеет ограниченный носитель в , и границы не зависят от ;
  2. Функция имеет бесконечный носитель, непрерывно дифференцируема , а интеграл сходится равномерно для всех .


Однопараметрическое доказательство

Ниже приводится доказательство общего скалярного случая оценки Крамера – Рао, описанного выше . Предположим, что это оценка с математическим ожиданием (на основе наблюдений ), т . Е. Что . Цель состоит в том, чтобы доказать , что для всех ,

Позвольте быть случайной величиной с функцией плотности вероятности . Вот это статистика , которая используется в качестве оценки для . Определите как оценку :

где цепное правило используется в окончательном равенстве, приведенном выше. Тогда математическое ожидание от , написанном , равна нулю. Это потому что:

где интегральная и частная производная поменяли местами (оправдано вторым условием регулярности).


Если рассматривать ковариации из и , у нас есть , потому что . Расширяя это выражение, мы имеем

опять же, потому что операции интегрирования и дифференцирования коммутируют (второе условие).

В силу неравенства Коши-Шварца показывает , что

следовательно

что доказывает предложение.

Примеры

Многомерное нормальное распределение

Для случая нормального распределения d- переменной

информационная матрица Фишера имеет элементы

где «tr» - это след .

Например, пусть это будет выборка независимых наблюдений с неизвестным средним и известной дисперсией .

Тогда информация Фишера представляет собой скаляр, задаваемый формулой

и поэтому граница Крамера – Рао имеет вид

Нормальное отклонение от известного среднего

Предположим, X - нормально распределенная случайная величина с известным средним и неизвестной дисперсией . Рассмотрим следующую статистику:

Тогда T несмещен , так как . Какая дисперсия T ?

(второе равенство следует непосредственно из определения дисперсии). Первый член - это четвертый момент о среднем значении ; второй - квадрат дисперсии, или . Таким образом

Итак, какова информация Фишера в выборке? Напомним, что оценка определяется как

где - функция правдоподобия . Таким образом, в этом случае

где второе равенство взято из элементарного исчисления. Таким образом, информация в одном наблюдении - это просто минус математическое ожидание производной от , или

Таким образом, информация в выборке независимых наблюдений в разы больше, или

Граница Крамера – Рао утверждает, что

В этом случае выполняется неравенство насыщенно (равенство достигается), показывая , что оценка является эффективной .

Однако мы можем добиться более низкой среднеквадратичной ошибки, используя смещенную оценку. Оценщик

очевидно, имеет меньшую дисперсию, что на самом деле

Его предвзятость

поэтому его среднеквадратичная ошибка

что явно меньше найденной выше границы Крамера – Рао.

Когда среднее значение неизвестно, оценка минимальной среднеквадратичной ошибки отклонения выборки от гауссовского распределения достигается путем деления на , а не на или .

Смотрите также

Ссылки и примечания

дальнейшее чтение

  • Амемия, Такеши (1985). Продвинутая эконометрика . Кембридж: Издательство Гарвардского университета. стр.  14 -17. ISBN 0-674-00560-0.
  • Бос, Адриан ван ден (2007). Оценка параметров для ученых и инженеров . Хобокен: Джон Уайли и сыновья. С. 45–98. ISBN 0-470-14781-4.
  • Кей, Стивен М. (1993). Основы статистической обработки сигналов, Том I: Теория оценивания . Прентис Холл. ISBN 0-13-345711-7.. Глава 3.
  • Шао, Цзюнь (1998). Математическая статистика . Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 0-387-98674-X.. Раздел 3.1.3.

внешние ссылки

  • FandPLimitTool - программное обеспечение на основе графического интерфейса пользователя для расчета информации Фишера и нижней границы Крамера-Рао с приложением к микроскопии одиночных молекул.