问题

数理统计中未知参数的置信区间估计方法中,存在最佳的枢轴量吗?

回答
数理统计中关于未知参数的置信区间估计,确实存在一个非常有吸引力且在理论上非常重要的概念——枢轴量(Pivotal Quantity)。而你问的“最佳的枢轴量”这个问题,直击了置信区间构造的核心思想,也触及了数理统计的一些深层讨论。

首先,让我们来理解一下什么是枢轴量。

枢轴量的定义与作用

枢轴量是一个关于未知参数(我们记为 $ heta$)的函数,但它还有一个关键的特性:它的概率分布不依赖于任何未知参数。换句话说,如果我们有一个样本 $X_1, X_2, ldots, X_n$,那么一个枢轴量 $P(X_1, ldots, X_n, heta)$ 的概率分布是已知的,而且与 $ heta$ 无关。

为什么这很重要?因为枢轴量为我们提供了一个连接样本数据和未知参数的桥梁。一旦我们找到了一个枢轴量 $P$,我们就可以利用它来构建置信区间。设想一下,如果我们知道 $P$ 的概率密度函数(或者累积分布函数),我们就可以找到一个区间 $[a, b]$ 使得 $P(a le P le b) = 1 alpha$,其中 $1 alpha$ 是我们期望的置信水平。

然后,我们将样本观测值代入 $P$,得到一个具体的数值 $p = P(x_1, ldots, x_n, heta)$。由于我们知道 $P$ 的分布,我们可以根据这个已知的分布反推出一个关于 $ heta$ 的不等式,最终解出 $ heta$ 所处的区间。

例如,如果一个枢轴量 $P$ 服从标准正态分布 $N(0, 1)$,那么我们可以找到 $z_{alpha/2}$ 使得 $P(z_{alpha/2} le P le z_{alpha/2}) = 1 alpha$。如果我们找到了一个枢轴量 $P = frac{ar{X} mu}{sigma/sqrt{n}}$(其中 $mu$ 是总体均值,$sigma$ 是总体标准差,$ar{X}$ 是样本均值),并且我们知道 $sigma$ 是已知的,那么 $ar{X} sim N(mu, sigma^2/n)$,所以 $frac{ar{X} mu}{sigma/sqrt{n}}$ 确实服从标准正态分布。我们就可以写出:

$z_{alpha/2} le frac{ar{X} mu}{sigma/sqrt{n}} le z_{alpha/2}$

通过一系列代数运算,我们可以将 $mu$ 从中间分离出来:

$ar{X} z_{alpha/2} frac{sigma}{sqrt{n}} le mu le ar{X} + z_{alpha/2} frac{sigma}{sqrt{n}}$

这样我们就得到了关于总体均值 $mu$ 的一个 $(1alpha) imes 100%$ 的置信区间:$[ar{X} z_{alpha/2} frac{sigma}{sqrt{n}}, ar{X} + z_{alpha/2} frac{sigma}{sqrt{n}}]$。

“最佳”枢轴量的概念

那么,回到你的问题:“是否存在最佳的枢轴量?”

从构造置信区间的角度来看,我们可以说存在“最优”的构造方法,而这种最优性往往是通过存在一个“好”的枢轴量来实现的。但严格来说,“最佳的枢轴量”这个说法可能需要更细致的解释,因为它涉及到我们对“最佳”的定义。

在数理统计中,我们通常追求的是具有良好性质的置信区间。最常见的“好”的性质包括:

1. 精确性 (Exactness):置信区间覆盖真实参数的概率恰好是预设的置信水平 $1alpha$,而不是大于 $1alpha$。枢轴量正是保证精确性的关键。如果一个函数是枢轴量,那么它所导出的置信区间就是精确的。
2. 最短性 (Shortest Length):在所有具有相同置信水平的区间中,我们希望找到一个长度最短的区间。这可以提供更精确的信息。
3. 无偏性 (Unbiasedness):虽然置信区间本身不是一个统计量,但与其构造相关的估计量可以讨论无偏性。
4. 不变性 (Invariance):如果对参数或数据进行某种变换,置信区间的性质应该保持不变。

枢轴量与最优区间构造

那么,枢轴量在这些“最佳”性质的实现中扮演什么角色呢?

枢轴量是构造精确置信区间的直接工具:如上所述,如果存在一个枢轴量,那么基于它的置信区间就是精确的。很多情况下,如果一个参数的精确置信区间存在,那么通常就可以构造出相应的枢轴量。

枢轴量与最短区间的关系:存在一个重要的理论结果,即对于许多常见的统计推断问题,存在一个“好”的枢轴量,并且基于这个枢轴量构造出的置信区间恰好是精确且最短的。

举个例子,还是前面提到的均值估计问题:

如果总体方差 $sigma^2$ 已知:枢轴量是 $P = frac{ar{X} mu}{sigma/sqrt{n}} sim N(0, 1)$。基于此构造的区间是 $[ar{X} z_{alpha/2} frac{sigma}{sqrt{n}}, ar{X} + z_{alpha/2} frac{sigma}{sqrt{n}}]$。这个区间是精确的,而且是所有精确区间中最短的。

如果总体方差 $sigma^2$ 未知:这时我们不能再用上面的枢轴量,因为 $sigma$ 未知。我们需要寻找一个新的枢轴量。在正态分布假设下,我们可以使用样本均值 $ar{X}$ 和样本标准差 $s$ 来构造:
$$ T = frac{ar{X} mu}{s/sqrt{n}} $$
这个 $T$ 服从自由度为 $n1$ 的 $t$ 分布,记为 $t_{n1}$。这个 $t$ 分数是一个枢轴量,因为它的分布是已知的($t_{n1}$ 分布),并且不依赖于未知参数 $mu$ 和 $sigma^2$。基于 $T$ 的置信区间是:
$$ [ar{X} t_{n1, alpha/2} frac{s}{sqrt{n}}, ar{X} + t_{n1, alpha/2} frac{s}{sqrt{n}}] $$
其中 $t_{n1, alpha/2}$ 是 $t_{n1}$ 分布的上 $alpha/2$ 分位数。这个置信区间是精确的,并且在所有精确区间中是最短的。

在这些例子中,我们确实找到了能够构造出最优(精确且最短)置信区间的枢轴量。

是否存在“通用的最佳”枢轴量?

“最佳”这个词总是与特定的标准相关。

从构造精确区间的角度看,存在:如果我们能够找到一个枢轴量,它使得区间是精确的,那么它就是“最佳”的,因为它满足了我们对置信水平的直接要求。

从构造最短区间(在精确区间集合中)的角度看,存在:在很多标准情况下,存在一个枢轴量,它不仅能构造精确区间,还能构造出最短的精确区间。

是否存在一种“绝对的最佳”枢轴量,适用于所有问题? 答案是“否定的”。枢轴量的形式高度依赖于:
1. 推断的参数:是均值、方差、比例还是其他参数?
2. 总体的分布假设:是正态分布、二项分布、泊松分布还是其他?
3. 样本的性质:是独立同分布的样本,还是其他类型的样本?
4. 统计量的选择:例如,在估计均值时,我们通常用样本均值 $ar{X}$,但理论上也可以用中位数或其他统计量。

不同的场景需要不同的枢轴量。一个成功的枢轴量是针对特定问题量身定制的。

广义似然比检验与枢轴量

值得一提的是,在许多情况下,广义似然比检验(Generalized Likelihood Ratio Test, GLRT) 的构造可以引出枢轴量。广义似然比统计量在一定条件下,其负两倍的对数服从渐近的 $chi^2$ 分布。通过对广义似然比统计量进行适当的调整(有时是找到它的一个枢轴形式),可以构造出置信区间。很多最优性质的证明也与似然比检验有关。

总结

枢轴量是数理统计中构造精确置信区间的一项核心技术。它的关键在于其分布不依赖于未知参数。
“最佳的枢轴量” 这个说法可以理解为能够构造出具有“最优”性质(如精确性、最短性)的置信区间的枢轴量。
在许多经典的统计问题中,确实存在这样的枢轴量,它们使得我们能够获得理论上最优的置信区间。
然而,不存在一个普适的“最佳”枢轴量可以解决所有参数估计问题。枢轴量的选择是具体问题具体分析的结果,与推断的参数、总体的分布假设等密切相关。每一个成功的枢轴量都是针对特定场景找到的“最优解”。

因此,我们可以说,在统计学家的工具箱里,存在着“针对特定问题的最佳枢轴量”,它们是我们构建出高质量置信区间的秘密武器。发现和构造这些枢轴量,是统计理论研究的重要组成部分。

网友意见

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楼上回答的对了一半,也错了一半。

枢轴统计量,我通常翻译成基准统计量(pivotal statistic),意思是分布与任何未知参数无关的统计量。

比如,正态总体情况下,有:

以及:

这两个东西的分布都与未知参数无关,所以是基准统计量。

基准统计量有很多好处,首先是性质好,比如bootstrap做检验的时候一定要用基准统计量;还有就是因为基准统计量与未知参数无关,方便我们查表。

有了基准统计量之后,找到基准统计量分布的一个区间,让这个区间的概率是设定的置信水平,变换不等式就可以得到置信区间。

只不过在这里,这个区间的取法可以有很多。

在对称的情况下,比如上面的t分布,方法非常简单,比如我们要算95%的置信区间,左边右边各去2.5%,中间的区间就是95%。

到了不对称的分布,情况就有点微妙了。一般的课本上也都是按照上面的方法,左边右边各去2.5%,中间剩下的是95%,如下图所示:

然而这不是唯一的方法,比如,我们左边去1%,右边去4%可不可以?按照这个方法,中间的区间也是95%啊!

实际上也没有什么不可以,因为置信区间的定义只是要找到一个区间,这个区间包含真值的概率是95%就可以了,没有规定应该如何找这个区间。

那么那么多的区间里面,总有一个最好的吧?

首先应该定义什么是“好”。题主说的没错,置信区间越短越好。

那么怎么构造置信区间最短呢?我们无非是要找一个区间(a,b),使得F(b)-F(a)=0.95,其中F是分布的分布函数。那么,我们的问题可以转化为一个优化问题:

使用拉格朗日:

解出来,我们得到:

因而我们得到结论:如果需要得到最短的置信区间,我们需要让密度函数相等。什么意思呢,就是我们要找这样的置信区间:

之前构造的两边各去2.5%是红色的a'、b',现在构造的最优的置信区间应该是刚好使得密度函数相等,所以两边尾巴的概率很难说是多少了,只能说加起来是5%。

那既然这个是最优的,为啥不用呢?因为难计算啊!

特别是以前没有计算机的时候,都是靠查表来完成找这个区间的,而因为卡方分布有自由度,所以基本上都只给几个1% 2.5% 5% 95% 97.5% 99%之类的几个分位数,上面最优的方法根本查不出来!

比如,下面的代码实现了找一个自由度为5的卡方分布的最小置信区间:

       local df=5 di "传统方法下界: " invchi2(`df',0.025) di "传统方法上界: " invchi2(`df',0.975)  local error=1e10 forvalues t=1/1000{  local leftp=0.05*`t'/100  local rightp=1-(0.05-`leftp')  local ll=invchi2(`df',`leftp')  local ul=invchi2(`df',`rightp')  local new_error=abs(chi2den(`df',`ul')-chi2den(`df',`ll'))  if `new_error' <= `error' {   local error=`new_error'  }  else {   continue, break  } } di "最优方法下界: `ll'" di "最优方法上界: `ul'" di "置信区间概率:F(b)-F(a)=" chi2(`df',`ul')-chi2(`df',`ll')      

结果:

       传统方法下界: .83121161 传统方法上界: 12.832502 最优方法下界: .3318872319614707 最优方法上界: 11.23031364026668 置信区间概率:F(b)-F(a)=.95     

可以看到,新的置信区间同样保证是95%的置信区间,但是区间长度比之前小了1.1。其实收益没有那么大。

所以最佳的置信区间是存在的,仅仅是因为难算,收益小,还不如两边各去2.5%得了。

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