iid Gumbel変数の最大値の期待


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ランダム効用モデルで使用される特定の結果について、経済学の雑誌で読み続けています。その結果の1つのバージョンは、次の場合ϵi∼iid,ガンベル(μ,1),∀i、その後、:

E[maxi(δi+ϵi)]=μ+γ+ln⁡(∑iexp⁡{δi}),

どこγ≈0.52277オイラーの定数です。Rを使用してこれが理にかなっていることを確認しました。Gumbel (μ,1)分布のCDF は次のとおりです。

G(ϵi)=exp⁡(−exp⁡(−(ϵi−μ)))

私はこの証拠を見つけようとしていますが、成功していません。私は自分でそれを証明しようとしましたが、特定のステップを通過することはできません。

誰も私にこれの証拠を示すことができますか?そうでない場合は、たぶん行き詰まったところまで試した証拠を投稿できます。


回答:


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あなたの答えに示された仕事に感謝します。その貢献に感謝します。この投稿の目的は、より簡単なデモを提供することです。シンプルさの価値は啓示です:期待だけでなく、最大値の分布全体を簡単に取得できます。


無視μにそれを吸収することにより、δiと仮定ϵi全てガンベル有する(0,1)分布。(つまり、それぞれ置き換えるϵiによるϵi−μとの変化δiためにδi+μ。)これは、ランダムな変数を変更しません

X=maxi(δi+ϵi)=maxi((δi+μ)+(ϵi−μ)).

独立性ϵiすべての実のために意味xというPr(X≤x)個々のチャンスの積であるPr(δi+ϵi≤x)。ログを取得し、指数関数の基本プロパティを適用する

log⁡Pr(X≤x)=log⁡∏iPr(δi+ϵi≤x)=∑ilog⁡Pr(ϵi≤x−δi)=−∑ieδie−x=−exp⁡(−x+log⁡∑ieδi).

これは位置パラメータとガンベル分布のCDFの対数であり、 あれは、λ=log⁡∑ieδi.

ガンベル有する(ログΣ I E δ I、1 )分布。X(log⁡∑ieδi,1)

これは、要求されたよりもはるかに多くの情報です。例えば、Aの分布の平均値は、ある伴いますγ+λ,

E[X]=γ+log⁡∑ieδi,

QED。


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これは、ことが判明しエコノメトリカのケネス・小とハーベイ・ローゼン記事は 1981年にこれを示したが、非常に特殊な状況で結果が経済学のいくつかのトレーニングはもちろんのこと、掘りの多くを必要とせ。私はよりアクセスしやすい方法でそれを証明することにしました。

証明:を選択肢の数とする。ベクトルの値に応じてε = { ε 1、。。。、ε J }、関数マックスI(δ I + ε I)の異なる値をとります。最初の値に焦点εようマックスI(δ I + ε I)= δ 1 + ε 1。つまり、δを統合しますJϵ={ϵ1,...,ϵJ}maxi(δi+ϵi)ϵmaxi(δi+ϵi)=δ1+ϵ1δ1+ϵ1セットオーバーM1≡{ϵ:δ1+ϵ1>δj+ϵj,j≠1}。

Eϵ∈M1[maxi(δi+ϵi)]=∫−∞∞(δ1+ϵ1)f(ϵ1)[∫−∞δ1+ϵ1−δ2...∫−∞δ1+ϵ1−δJf(ϵ2)...f(ϵJ)dϵ2...dϵJ]dϵ1=∫−∞∞(δ1+ϵ1)f(ϵ1)(∫−∞δ1+ϵ1−δ2f(ϵ2)dϵ2)...(∫−∞δ1+ϵ1−δJf(ϵJ)dϵJ)dϵ1=∫−∞∞(δ1+ϵ1)f(ϵ1)F(δ1+ϵ1−δ2)...F(δ1+ϵ1−δJ)dϵ1

JE[maxi(δi+ϵi)]

E[maxi(δi+ϵi)]=∑iEϵ∈Mi[maxi(δi+ϵi)].

Now we apply the functional form of the Gumbel distribution. This gives

Eϵ∈Mi[maxi(δi+ϵi)]=∫−∞∞(δi+ϵi)eμ−ϵie−eμ−ϵi∏j≠ie−eμ−ϵi+δj−δidϵi=∫−∞∞(δi+ϵi)eμ−ϵi∏je−eμ−ϵi+δj−δidϵi=∫−∞∞(δi+ϵi)eμ−ϵiexp⁡{∑j−eμ−ϵi+δj−δi}dϵi=∫−∞∞(δi+ϵi)eμ−ϵiexp⁡{−eμ−ϵi∑jeδj−δi}dϵi

where the second step comes from collecting one of the exponentiated terms into the product, along with the fact that δj−δi=0 if i=j.

Now we define Di≡∑jeδj−δi, and make the substitution x=Dieμ−ϵi, so that dx=−Dieμ−ϵidϵi⇒−dxDi=eμ−ϵidϵi and ϵi=μ−log⁡(xDi). Note that as ϵi approaches infinity, x approaches 0, and as ϵi approaches negative infinity, x approaches infinity.

Eϵ∈Mi[maxi(δi+ϵi)]=∫∞0(δi+μ−log⁡[xDi])(−1Di)exp⁡{−x}dx=1Di∫0∞(δi+μ−log⁡[xDi])e−xdx=δi+μDi∫0∞e−xdx−1Di∫0∞log⁡[x]e−xdx+log⁡[Di]Di∫0∞e−xdx

The Gamma Function is defined as Γ(t)=∫0∞xt−1e−xdx. For values of t which are positive integers, this is equivalent to Γ(t)=(t−1)!, so Γ(1)=0!=1. In addition, it is known that the Euler–Mascheroni constant, γ≈0.57722 satisfies

γ=−∫0∞log⁡[x]e−xdx.

Applying these facts gives

Eϵ∈Mi[maxi(δi+ϵi)]=δi+μ+γ+log⁡[Di]Di

Then we sum over i to get

E[maxi(δi+ϵi)]=∑iδi+μ+γ+log⁡[Di]Di

Recall that Di=∑jeδj−δi=∑jeδjeδi. Notice that the familiar logit choice probabilities Pi=eδi∑jδj are inverses of the Di's, or in other words Pi=1/Di. Also note that ∑iPi=1. Then we have

E[maxi(δi+ϵi)]=∑iPi(δi+μ+γ+log⁡[Di])=(μ+γ)∑iPi+∑iPiδi+∑iPilog⁡[Di]=μ+γ+∑iPiδi+∑iPilog⁡[∑jeδjeδi]=μ+γ+∑iPiδi+∑iPilog⁡[∑jeδj]−∑iPilog⁡[eδi]=μ+γ+∑iPiδi+log⁡[∑jeδj]∑iPi−∑iPiδi=μ+γ+log⁡[∑jexp⁡{δj}].
Q.E.D.

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I linked what I believe is the article you're referring to, without actually looking through it to be sure; please correct if wrong.
— Dougal

@Jason Do you know how to prove what this is when the max is conditional on one being the max? See question here that is unsolved: stats.stackexchange.com/questions/260847/…
— wolfsatthedoor
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