最大似然估計會低估方差

根據最大似然估計可以得到方差的估計值爲:

σML2=1Nn=1N(xnμML)2(1) \sigma_{ML}^{2}=\frac{1}{N}\sum_{n=1}^{N}(x_{n}-\mu_{ML})^{2}\tag {1}

其中μML2=1Ni=1Nxi\mu_{ML}^{2}=\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}x_{i}

σML2\sigma_{ML}^{2}求期望的結果爲:

E(σML2)=N1Nσ2(2) E(\sigma_{ML}^{2})=\frac{N-1}{N}\sigma^{2}\tag {2}

從這個結果來看,可以知道最大似然估計對實際的方差σ2\sigma^{2}低估了,主要是因爲係數N1N\frac{N-1}{N}

下面對這個期望結果進行證明:

(1)(1)式代入(2)(2)可得,

E(σML2)=E(1Nn=1N(xnμML)2)=1Nn=1NE((xnμML)2)=1Nn=1NE(xn22xnμML+μML2)=1Nn=1NE(xn2)2Nn=1NE((xn2+1Ni=1,inNxnxi))+1Nn=1NE(μML2)=σ2+μ22Nμ22Nσ22N1Nμ2+μ2+1Nσ2=N1Nσ2 \begin{aligned} E(\sigma_{ML}^{2}) &= E(\frac{1}{N}\sum_{n=1}^{N}(x_{n}-\mu_{ML})^{2}) \\ & = \frac{1}{N}\sum_{n=1}^{N}E((x_{n}-\mu_{ML})^{2}) \\ & = \frac{1}{N}\sum_{n=1}^{N}E(x_{n}^{2}-2x_{n}\mu_{ML}+\mu_{ML}^{2})\\ & = \frac{1}{N}\sum_{n=1}^{N}E(x_{n}^{2})-\frac{2}{N}\sum_{n=1}^{N}E((x_{n}^{2}+\frac{1}{N}\sum_{i=1,i\neq{n}}^{N}x_{n}x_{i}))+\frac{1}{N}\sum_{n=1}^{N}\underbrace{E(\mu_{ML}^{2})}_{*}\\ & = \sigma^{2}+\mu^{2}-\frac{2}{N}\mu^{2}-\frac{2}{N}\sigma^{2}-2\frac{N-1}{N}\mu^{2}+\mu^{2}+\frac{1}{N}\sigma^{2}\\ & = \frac{N-1}{N}\sigma^{2} \end{aligned}
其中μ\mu是數據的真實均值,σ2\sigma^{2}是數據的真實方差,下方花括號括起來的*式的具體計算過程如下:
E(μML2)=E2(μML)+D(μML)=μ2+D(1Ni=1Nxi)=μ2+1N2D(i=1Nxi)=μ2+1N2Nσ2=μ2+1Nσ2 \begin{aligned} E(\mu_{ML}^{2}) & = E^{2}(\mu_{ML})+D(\mu_{ML})\\ & = \mu^{2}+D(\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}x_{i})\\ & = \mu^{2}+\frac{1}{N^{2}}D(\sum_{i=1}^{N}x_{i})\\ & = \mu^{2}+\frac{1}{N^{2}}N\sigma^{2}\\ & = \mu^{2}+\frac{1}{N}\sigma^{2} \end{aligned}

證畢。

發表評論
所有評論
還沒有人評論,想成為第一個評論的人麼? 請在上方評論欄輸入並且點擊發布.
相關文章