2次のテイラー級数を使用したエラーの伝播


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ジョン・ライスの「数学統計とデータ分析」というテキストを読んでいます。確率変数の期待値と分散を近似することに関心があります。確率変数の期待値と分散を計算でき、関係わかっています。したがって、についてテイラー級数展開を使用すると、期待値と分散を近似することができます。YXY=g(X)YgμX

162ページで、彼は3つの方程式を示しています。

  1. 1次のテイラー級数展開を使用したの期待値。それは:です。これは後で質問でと呼ばれます。YμY≈g(μX)E(Y1)

  2. 1次テイラー級数展開を使用したの分散。それは:です。これは後で質問でと呼ばれます。YσY2≈σX2(g′(μX))2Var(Y1)

  3. 2次のテイラー級数展開を使用したの期待値。それは。これは、後で質問でE(Y_2)と呼ばれます。YμY≈g(μX)+12σX2g″(μX)E(Y2)

Yには2つの異なる式があることに注意してくださいY。これは、テイラー級数展開で2つの異なる次数を使用しているためです。式1および2は、Y1=g(X)≈g(μX)+(X−μX)g′(μX)ます。式3は、Y2=g(X)≈g(μX)+(X−μX)g′(μX)+12(X−μX)2g″(μX)ます。

特にVar(Y_2)の式Var(Y2)は与えられていないことに注意してください。後で、著者はY1(式2)の分散の方程式を使用しているようですが、実際には、Y2(式3)の期待値を参照しています。これはVar(Y_2)= Var(Y_1)を意味するようVar(Y2)=Var(Y1)です。

手動で計算しようとしましたが、やや複雑な式になっています。これが私の仕事です(最後に期待項を取得しているので停止しました): X 3 V a r (Y 2)Var(Y2)X3

Var(Y2)=E[(g(μX)+(X−μX)a+12(X−μX)2b−g(μX)−12σX2b)2]=E[((X−μX)a+(12(X−μX)2−12σX2)b)2]=E[(ca+(12c2−12σX2)b)2]=E[c2a2+ca(c2−σX2)b+14(c2−σX2)2b2]=E[(X2−2XμX+μX2)a2+(X−μX)a((X2−2XμX+μX2)−σX2)b+14((X2−2XμX+μX2)−σX2)2b2]

上記の方程式では、、、および。とは何ですか?B = G "(μ X)C = X - μ X V R (Y 2)a=g′(μX)b=g″(μX)c=X−μXVar(Y2)

ありがとう。


なぜ立ち寄ったのですか?2次近似は 2次関数であるため、その分散には通常、最大までのモーメントが含まれます。3番目の瞬間はゼロかもしれませんが、4番目の瞬間は間違いなく表示され、何によってもキャンセルされません。 X X 2 ⋅ 2 = 4X3XX2⋅2=4
— whuber

回答:


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とすると、次のようにについての2次テイラー展開を使用して、の近似分散を導出できます。Y G (X )μ X = E [ X ]Y=g(X)Yg(X)μX=E[X]

Var[Y]=Var[g(X)]≈Var[g(μX)+g′(μX)(X−μX)+12g″(μX)(X−μX)2]=(g′(μX))2σX2+14(g″(μX))2Var[(X−μX)2]+g′(μX)g″(μX)Cov[X−μX,(X−μX)2]=(g′(μX))2σX2+14(g″(μX))2E[(X−μX)4−σX4]+g′(μX)g″(μX)(E(X3)−3μX(σX2+μX2)+2μX3)=(g′(μX))2σX2+14(g″(μX))2(E[X4]−4μXE[X3]+6μX2(σX2+μX2)−3μX4−σX4)+g′(μX)g″(μX)(E(X3)−3μX(σX2+μX2)+2μX3)

@whuberがコメントで指摘したように、これは 3番目と4番目の中心モーメントを使用することで少しクリーンアップできます。中心モーメントはとして定義されます。通知その。この新しい表記を使用すると、 Xμk=E[(X−μX)k]σX2=μ2

Var[Y]≈(g′(μX))2σX2+g′(μX)g″(μX)μ3+14(g″(μX))2(μ4−σX4)

それは正しいアプローチですが、と間の共分散を含めることを忘れていませんか?X−μX(X−μX)2
— whuber

@whuberはい、そうしました。ご指摘いただきありがとうございます。これはすぐに編集します。
— 通常の

2番目、3番目、4番目の中心モーメントである、、およびに関して回答を書くことで、いくつかの問題をます。あなたが得るべき。σ2μ3μ4σ2g′(μ)2+μ3g′(μ)g″(μ)+14(μ4−σ4)g″(μ)2
— whuber

@jrand-申し訳ありません。元の投稿にこれがあったことに気づかなかった。ただし、タイプセットに時間がかかったため、投稿を削除していません。
— 通常の'15

@ Max、whuber:回答と説明ありがとうございます。
— jrand
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