UMVUE


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ましょう密度からのランダムサンプルである(X1,X2,…,Xn)

fθ(x)=θxθ−110<x<1,θ>0

のUMVUEを見つけようとしています。θ1+θ

の結合密度は(X1,…,Xn)

fθ(x1,⋯,xn)=θn(∏i=1nxi)θ−110<x1,…,xn<1=exp⁡[(θ−1)∑i=1nln⁡xi+nln⁡θ+ln⁡(10<x1,…,xn<1)],θ>0

母集団pdfは1パラメータ指数ファミリに属しているため、これは完全な十分な統計がfθθ

T(X1,…,Xn)=∑i=1nln⁡Xi

以降、最初の考えで、の私に与えるUMVUEによってレーマン・シェッフェの定理。この条件付き期待値が直接見つかるか、条件付き分布を見つける必要があるかどうかはわかりません 。E(X1)=θ1+θE(X1∣T)θ1+θX1∣∑i=1nln⁡Xi

一方、私は次のアプローチを検討しました:

我々は、つまり。Xi∼i.i.dBeta(θ,1)⟹−2θln⁡Xi∼i.i.dχ22−2θT∼χ2n2

したがって、カイ2乗pdfを使用して計算された次の未加工モーメントはr−2θT

E(−2θT)r=2rΓ(n+r)Γ(n),n+r>0

したがって、異なる整数の選択に対して、異なる整数の累乗の不偏推定量(およびUMVUE)が得られるようです。たとえば、およびとのUMVUEを直接指定してください。rθE(−Tn)=1θE(1−nT)=θ1θθ

さて、我々が持っている。θ>1θ1+θ=(1+1θ)−1=1−1θ+1θ2−1θ3+⋯

などのUMVUEを確実に取得できます。したがって、これらのUMVUEを組み合わせると、の必要なUMVUEを取得できます。この方法は有効ですか、それとも最初の方法から続行しますか?UMVUEが存在する場合、UMVUEは一意であるため、どちらも同じ答えを返すはずです。1θ,1θ2,1θ3θ1+θ

明確にするために、

E(1+Tn+T2n(n+1)+T3n(n+1)(n+2)+⋯)=1−1θ+1θ2−1θ3+⋯

つまり、

E(∑r=0∞Trn(n+1)...(n+r−1))=θ1+θ

場合、必要なUMVUEがである可能性はありますか?∑r=0∞Trn(n+1)...(n+r−1)θ>1

用、私はなるだろう、及びUMVUEが異なることになるので。0<θ<1g(θ)=θ(1+θ+θ2+⋯)


最初のアプローチの条件付き期待値を直接見つけることができなかったと確信しており、、私は先に進みました条件付き分布を検索します。そのため、の結合密度が必要でした。E(X1∣∑ln⁡Xi=t)=E(X1∣∏Xi=et)X1∣∏Xi(X1,∏Xi)

I変数の変化使用よう全てについて。関節サポートこのリードである。(X1,⋯,Xn)→(Y1,⋯,Yn)Yi=∏j=1iXji=1,2,⋯,n(Y1,⋯,Yn)S={(y1,⋯,yn):0<y1<1,0<yj<yj−1 for j=2,3,⋯,n}

ヤコビ行列式はことが判明しました。J=(∏i=1n−1yi)−1

の結合密度をとして(Y1,⋯,Yn)

fY(y1,y2,⋯,yn)=θnynθ−1∏i=1n−1yi1S

したがって結合密度は(Y1,Yn)

fY1,Yn(y1,yn)=θnynθ−1y1∫0yn−2∫0yn−3⋯∫0y11y3y4...yn−1dy2y2⋯dyn−2dyn−1

ここで使用できる別の変換はありますか?これにより、結合密度の導出がより簡単になりますか?ここで正しい変換を行ったかどうかはわかりません。


コメントセクションのいくつかの優れた提案に基づいて、結合密度ではなくの結合密度を見つけました。ここで、および。(U,U+V)(X1,∏Xi)U=−ln⁡X1V=−∑i=2nln⁡Xi

とは独立していることがすぐに。U∼Exp(θ)V∼Gamma(n−1,θ)

そして確かに、です。U+V∼Gamma(n,θ)

以下のために、の関節密度あるn>1(U,V)

fU,V(u,v)=θe−θu1u>0θn−1Γ(n−1)e−θvvn−21v>0

変数を変更し、私はの共同密度ましたなどを(U,U+V)

fU,U+V(u,z)=θnΓ(n−1)e−θz(z−u)n−210<u<z

したがって、条件付き密度はU∣U+V=z

fU∣U+V(u∣z)=(n−1)(z−u)n−2zn−110<u<z

今、私のUMVUEは正確に。この投稿の冒頭に。E(e−U∣U+V=z)=E(X1∣∑i=1nln⁡Xi=−z)

したがって、あとはを見つけるだけです

E(e−U∣U+V=z)=n−1zn−1∫0ze−u(z−u)n−2du

しかし、その最後の積分はMathematicaによると不完全なガンマ関数に関して閉じた形をしており、私は今何をすべきか疑問に思います。


の条件付き分布を見つける最初の方法を続行する必要があります。このアプリケーションでは、十分な統計量の形式で作業する方が簡単な場合があります。X[1]|∏Xi
— jbowman

1
を導入する時点(早い段階)では、変数観点から作業するように心がける必要がありそれは彼らがに比例していることはほぼ即時のだすぐの同時分布を考慮にあなたの問題を軽減分布、と これにより、残りの2ページの数学が簡略化され、解決策にすばやく進むことができます。Y i = − log X i。Γ (1 )(U 、U + V )U 〜Γ (1 )TYi=−log⁡Xi.Γ(1)(U,U+V)U∼Γ(1)V∼Γ(n−1).
— whuber

@whuber明確にするために、最初にの密度を見つけ、そこから?はレート(あなたが言うようにガンマ変数でもあります)の指数変数であることに気づきましたが、それを扱うことを考えていませんでした。(X 1、∏ X i)(−ln⁡X1,−ln⁡X1−∑i=2nln⁡Xi)(X1,∏Xi) θ−ln⁡Xiθ
— StubbornAtom

1
@whuberしかし、どのように私はなるだろうから直接?E (LN X 1 | 。。。)E(X1∣...)E(ln⁡X1∣...)
— StubbornAtom

1
@whuber編集内容をご覧ください。私はほとんどそれをしましたが、その積分で何をすべきかわかりません。私の計算が正しいと私はかなり確信しています。
— StubbornAtom

回答:


5

私の元の投稿の両方のアプローチ(私の最初の試みとコメントセクションの提案に基づく別の試み)は同じ答えを与えることがわかりました。質問に対する完全な回答を得るために、ここでは両方の方法の概要を説明します。

ここで、は、ガンマ密度意味しますここで、とは、平均がである指数分布を示します()。明らかに、 です。F (Y )= θ NGamma(n,θ)θ、nは>0経験(θ)1/θθ>0経験(θ)≡ガンマ(1、θ)f(y)=θnΓ(n)e−θyyn−11y>0θ,n>0Exp(θ)1/θθ>0Exp(θ)≡Gamma(1,θ)

以来、するのに十分な完了及び、によってレーマン・シェッフェ定理 はのUMVUEです。したがって、この条件付きの期待を見つける必要があります。 θ E(X 1)= θT=∑i=1nln⁡Xiθ E(X1|T)θE(X1)=θ1+θE(X1∣T)θ1+θ

我々は注意。Xi∼i.i.dBeta(θ,1)⟹−ln⁡Xi∼i.i.dExp(θ)⟹−T∼Gamma(n,θ)

方法I:

ましょう及び、その結果、及び独立しています。実際、および、を意味し。 V = - Σ N iが= 2 LN X I U V U 〜経験(θ )V 〜ガンマ(N - 1 、θ )U + V 〜ガンマ(N 、θ )U=−ln⁡X1V=−∑i=2nln⁡XiUVU∼Exp(θ)V∼Gamma(n−1,θ)U+V∼Gamma(n,θ)

したがって、ます。E(X1∣∑i=1nln⁡Xi=t)=E(e−U∣U+V=−t)

ここで、の条件付き分布を見つけます。U∣U+V

以下のためのと、の関節密度ありますθ > 0 (U 、V )n>1θ>0(U,V)

fU,V(u,v)=θe−θu1u>0θn−1Γ(n−1)e−θvvn−21v>0=θnΓ(n−1)e−θ(u+v)vn−21u,v>0

変数を変更すると、の結合密度がであることが即座になりf U 、(U,U+V)

fU,U+V(u,z)=θnΓ(n−1)e−θz(z−u)n−210<u<z

ましょうの密度である。したがって、条件付き密度はU + V U ∣ U + V = z f U ∣ U + V(u ∣ z )fU+V(⋅)U+VU∣U+V=z

fU∣U+V(u∣z)=fU,U+V(u,z)fU+V(z)=(n−1)(z−u)n−2zn−110<u<z

したがって、。E(e−U∣U+V=z)=n−1zn−1∫0ze−u(z−u)n−2du

つまり、のUMVUE はE(θ1+θ(1)E(X1∣T)=n−1(−T)n−1∫0−Te−u(−T−u)n−2du

方法II:

するための完全な十分統計量である、任意の不偏推定量の関数であり、のUMVUEなりリーマン・シェッフェの定理による。それで、分布がわかっているの瞬間を見つけることに進みます。我々は持っています、θ θTθθ1+θθT -Tθ1+θ−T

E(−T)r=∫0∞yrθne−θyyn−1Γ(n)dy=Γ(n+r)θrΓ(n),n+r>0

この方程式を使用して、整数ごとに不偏推定量(およびUMVUE)を取得します。1/θrr≥1

今のところ、私達持っているθθ>1θ1+θ=(1+1θ)−1=1−1θ+1θ2−1θ3+⋯

不偏推定量を組み合わせる、我々が入手1/θr

E(1+Tn+T2n(n+1)+T3n(n+1)(n+2)+⋯)=1−1θ+1θ2−1θ3+⋯

つまり、

E(∑r=0∞Trn(n+1)...(n+r−1))=θ1+θ

したがって、とすると、のUMVUE はθθ>1 G (T )= ∞ Σ rをθ1+θ(2)g(T)=∑r=0∞Trn(n+1)...(n+r−1)


2番目の方法での場合については、確信が持てません。0<θ<1

Mathematicaによれば、方程式は不完全なガンマ関数の観点から閉じた形をしています。そして、式では、積を通常のガンマ関数で。これはおそらくと間の明白な関係を提供します。(2 )n (n + 1 )(n + 2 )。。。(n +(1)(2)n (n + 1 )(n + 2 )。。。(n + r − 1 )= Γ (n + r )n(n+1)(n+2)...(n+r−1)(1)(2)n(n+1)(n+2)...(n+r−1)=Γ(n+r)Γ(n)(1)(2)

Mathematicaを使用して、とが実際に同じものであることを確認できました。(2 )(1)(2)


実際には、間の等価及びの級数展開書き込むことにより、以下のに、次いで積分和を入れ替えます。(2 )e −(1)(2)(2)e−u(2)
— StubbornAtom

1

上部の不完全なガンマ関数に関してあなたがほのめかした、よりコンパクトな答えが得られると思います。最初の方法を使用して、私は式を見つけました

E[X1|X1X2⋯Xn=eT]=(n−1)∫01zr(1−r)n−zdr,
ここでz=eT.

Wolfram Alphaはこれを統合して

E[X1|X1X2⋯Xn=eT]=eT(n−1)Tn−1[(n−2)!−Γ(n−1,T)]

が整数の場合、不完全ガンマ関数の項は閉じた形式になります。ですn

Γ(n−1,T)=Γ(n−1)eT∑j=0n−2Tjj!

期待を書き換えて簡素化すると、

E[X1|X1X2⋯Xn=eT]=Γ(n)Tn−1[eT−∑j=0n−2Tjj!]

結果と同等性を検証するソフトウェアにアクセスできませんが、と手動計算はと一致します。(1)(2)n=2n=3(1)


あなたが書いた場合はあなたが持っているべきE [ X 1 ∣ X 1 X 2 ⋯ X n = e T ]。E⁡[X1∣x1x2⋯xn=eT],E⁡[X1∣X1X2⋯Xn=eT].
— Michael Hardy
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