第 17 章 · 点估计与最优性

17.2 矩估计与最大似然估计

Moments and Maximum Likelihood
矩估计通过总体矩与样本矩匹配求参数,最大似然估计则在允许的参数空间中寻找全局最大值。两种方法有时重合,但识别、存在性、偏差和误差尺度仍须分别检查。本节证明连续逆映射下的矩估计一致性,处理伯努利端点与正态方差边界,并比较均匀端点的两种估计及其精确均方误差。
先修与阅读位置

主要先修:10.3 弱收敛、紧性与连续映射、10.5 大数定律的证明与适用边界、16.1 统计模型、似然与可识别性、17.1 偏差、风险与一致性。

技术部分另用:16.2 正态抽样、枢轴量与精确分布、16.4 指数族、完全性与辅助统计量,适用段落见下述说明。

矩估计与MLE属于估计的构造层。指数族得分部分另用16.4,正态方差风险另用16.2;一般MLE的渐近性质在19.3证明,当前解优化问题不需要预先假定该理论。 查看全书依赖图与分支路线。

17.2.1 矩匹配、识别与连续逆映射

上一节规定了评价估计量的偏差、风险与一致性。本节讨论怎样构造估计量。设\(X_i\)iid来自固定维数参数模型\(\{P_\theta:\theta\in\Theta\subseteq\mathbb R^d\}\),选择已知可测函数\(g_1,\ldots,g_d\):

\[m(\theta)=\bigl(E_\theta g_1(X),\ldots,E_\theta g_d(X)\bigr)^{\mathsf T},\qquad \widehat m_n=\frac1n\sum_{i=1}^n\bigl(g_1(X_i),\ldots,g_d(X_i)\bigr)^{\mathsf T}.\]
(17.2-1)
定义17.2.1 矩估计

求解\(m(\widehat\theta_n)=\widehat m_n\)得到矩估计。经典选择为\(g_j(x)=x^j\),也可以匹配其他已知函数的期望。方程可能无解或多解,所选矩还可能无法识别参数。

模型可识别不保证任意一组矩都可识别。例如\(N(0,\theta^2),\theta>0\)可以由方差识别,但均值对所有参数都为零。若矩映射在某个参数分支可逆,还须规定选哪个分支;局部可逆也不能自动解决多个远处根之间的选择。

命题17.2.2 连续逆给出一致性

设真实参数为\(\theta_0\),各\(E_{\theta_0}|g_j(X)|<\infty\)。若\(m(\theta_0)\)有一个开邻域\(V\),在其中有可测的逆分支\(r:V\to\Theta\),满足\(m(r(z))=z\)、\(r(m(\theta_0))=\theta_0\)且在真实矩处连续,则在\(\widehat m_n\in V\)时取\(\widehat\theta_n=r(\widehat m_n)\)、其余取任意固定参数值的规则强一致。

证明。由强大数定律及有限个坐标的交,\(\widehat m_n\to m(\theta_0)\)几乎必然。开邻域保证在这些路径上最终进入\(V\),连续性随即给出\(r(\widehat m_n)\to r(m(\theta_0))=\theta_0\)。邻域外的定义只影响有限多个初始项。证毕。

例17.2.1 Gamma形状与率参数的矩估计

设\(X_i\sim\operatorname{Gamma}(\alpha,\lambda)\),\(\alpha,\lambda>0\),第二参数为率。由\(EX=\alpha/\lambda\)、\(\operatorname{Var}(X)=\alpha/\lambda^2\),以\(v_n=n^{-1}\sum_i(X_i-\bar X_n)^2\)匹配方差得到

\[\widehat\alpha_{\rm MOM}=\frac{\bar X_n^2}{v_n},\qquad \widehat\lambda_{\rm MOM}=\frac{\bar X_n}{v_n}.\]
(17.2-2)

解与核对。对观测\((1,1,2,2,4)\),\(\bar x=2\)、原点二阶样本矩为\(26/5\),故\(v_n=6/5\)、估计值为\((10/3,5/3)\)。代回模型,均值为\(2\)、方差为\(6/5\)。连续正样本在\(n\ge2\)时几乎必然有\(v_n>0\);总体方差也为正,所以逆映射在真实矩附近连续,命题证明强一致。它没有保证这两个比值无偏;在\(v_n=0\)的异常数据上必须另给规则。

17.2.2 最大似然是一个全局优化问题

定义17.2.3 最大似然估计

固定密度版本与观测值,记\(L_x(\theta)\)为似然,定义最大值集合

\[\mathcal M(x)=\left\{\theta\in\Theta:L_x(\theta)=\sup_{\vartheta\in\Theta}L_x(\vartheta)\right\}.\]
(17.2-3)

从非空集合\(\mathcal M(x)\)中可测地选择一个点,才得到最大似然估计量,简称MLE。最大值集合可能为空,也可能包含多个点;数值算法得到的驻点需要验证。

参数空间紧且似然上半连续是一组常用存在条件;严格凹的对数似然在凸参数域内至多有一个最大值,但开参数域仍可能不取得上确界。内部可微最大值满足得分方程\(\nabla\ell_x(\theta)=0\),这是必要条件;边界最优点、支持约束和无穷远处的行为必须另行检查。

在规范指数族中,iid对数似然为\(\eta^{\mathsf T}\sum t(x_i)-nA(\eta)\)加参数无关项,内部得分方程为\(\nabla A(\eta)=n^{-1}\sum t(x_i)\)。这是一种自然统计量的矩匹配;任意选择的原点矩估计未必与MLE相同,更不能用这个方程制造参数域外的解。

17.2.3 伯努利端点及最大值不存在

例17.2.2 把全部数据情形列入估计规则

设\(n\ge1\),iid伯努利样本成功次数为\(s\),参数空间\([0,1]\)。在\(0<s<n\)时对数似然严格凹,导数方程给出\(\widehat p=s/n\)。还须处理两个端点:

\[s=0:\ L_x(p)=(1-p)^n\text{ 在 }p=0\text{ 最大};\qquad s=n:\ L_x(p)=p^n\text{ 在 }p=1\text{ 最大}.\]
(17.2-4)

结论与性质。完整规则仍为\(\widehat p=\bar X_n\),也是矩估计,满足\(E_p\widehat p=p\)、\(\operatorname{Var}_p(\widehat p)=p(1-p)/n\)且强一致。但若模型改为\(p\in(0,1)\),全成功或全失败时最大值不取得,MLE不存在。对任何内部真实参数,这类数据的概率为\(p^n+(1-p)^n>0\),所以它不是有限样本中可直接忽略的情形。

四次伯努利试验的端点与内部似然最大值左图四次全部成功时相对似然随成功概率上升,最大值在一。右图成功两次时相对似然在二分之一达到最大值。四次全成功:端点最大值成功两次:内部最大值0101最大值 1最大值 100.5100.51横轴为成功概率,纵轴为相对似然
图17.2-1 按\(p^4\)与\(16p^2(1-p)^2\)的精确数值采样连线,每条似然除以自身最大值。闭参数域包含左图最大值点\(p=1\);改用开区间时该点被排除,只保留上确界。纵轴不是参数概率密度。

17.2.4 正态均值方差:先优化均值再优化方差

例17.2.3 正态模型的全局MLE

设iid样本来自\(N(\mu,v)\),\(\mu\in\mathbb R,v>0\)。记\(Q=\sum_i(x_i-\bar x)^2\)。除去常数后的对数似然为

\[\ell_x(\mu,v)=-\frac n2\log v-\frac{Q+n(\mu-\bar x)^2}{2v}.\]
(17.2-5)

解。每个固定\(v>0\)下,第一步唯一最优均值为\(\bar x\)。当\(Q>0\)时,剩余一元函数的导数为\((Q-nv)/(2v^2)\),在\(v=Q/n\)前为正、后为负,故全局解为

\[\widehat\mu_{\rm ML}=\bar X_n,\qquad \widehat v_{\rm ML}=\frac1n\sum_i(X_i-\bar X_n)^2.\]
(17.2-6)

它们也等于前两个原点矩方程的解。对观测\((1,2,3)\),估计为\((2,2/3)\)。除数\(n-1\)得到的无偏样本方差为\(1\),并非本模型的方差MLE。

若\(Q=0\),取\(\mu=\bar x\)并令\(v\downarrow0\),对数似然趋于正无穷,模型内没有最大值。这在\(n=1\)时总发生;在\(n\ge2\)的非退化正态抽样中发生概率为零。明确存在条件后,二阶矩LLN保证两个估计强一致。由精确卡方抽样分布还可算得

\[E\widehat v_{\rm ML}=\frac{n-1}{n}v,\qquad \operatorname{Var}(\widehat v_{\rm ML})=\frac{2(n-1)}{n^2}v^2.\]
(17.2-7)

可见最大化似然本身不保证无偏;渐近正态性与效率还需19.3节的正则条件。

17.2.5 均匀上端点:两种方法的精确风险

例17.2.4 充分利用支持约束

设\(X_i\)iid服从\(U(0,\theta),\theta>0\),使用\(f_\theta(x)=\theta^{-1}\mathbf1_{0\le x\le\theta}\)的密度版本。矩方程\(EX=\theta/2\)给\(\widehat\theta_{\rm MOM}=2\bar X_n\),而16.1节的支持计算给\(\widehat\theta_{\rm ML}=M_n=\max_iX_i\):似然在\(\theta\ge M_n\)内严格递减,最大值在左端点取得。这里要求\(M_n>0\),模型下几乎必然如此;若观测全为零,正参数域内的似然无界,MLE不存在。

比较。对数据\((0.2,0.3,1.5)\),矩估计为\(4/3\),MLE为\(1.5\)。前者仍是参数空间中的正数,却小于实际样本最大值,在该参数下当前数据似然为零。矩匹配只匹配所选期望,没有同时执行样本支持约束。

精确风险计算。独立样本均值的方差给出\(\operatorname{Var}(2\bar X_n)=\theta^2/(3n)\)且它无偏。最大值密度\(nt^{n-1}/\theta^n\)给出\(EM_n=n\theta/(n+1)\)和\(EM_n^2=n\theta^2/(n+2)\),于是

\[\operatorname{Var}(M_n)=\frac{n\theta^2}{(n+1)^2(n+2)},\qquad E(M_n-\theta)^2=\frac{2\theta^2}{(n+1)(n+2)}.\]
(17.2-8)

无偏校正\(\widetilde\theta_n=(n+1)M_n/n\)的方差为\(\theta^2/[n(n+2)]\)。这三条结论都是有限样本精确值,不使用正态近似。证毕。

矩估计由LLN一致。最大值满足\(M_n\le\theta\)几乎必然;对\(0<\varepsilon<\theta\),\(P(M_n\le\theta-\varepsilon)=(1-\varepsilon/\theta)^n\to0\),也证明一致性。最大值随\(n\)单调增加且有上界,因而有几乎必然极限;依概率收敛使这一极限只能为\(\theta\),故强一致。风险计算显示两类误差具有不同尺度:矩估计的均方误差为\(n^{-1}\)量级,端点估计为\(n^{-2}\)量级。非正态极限见19.5节。

均匀端点三种估计的归一化均方误差按样本量2、4、8、16绘制矩估计、最大值MLE和无偏校正最大值的精确均方误差,全部除以端点平方。均方误差除以端点平方:有限样本精确比较0.20.10矩估计:两倍样本均值MLE:样本最大值无偏校正的最大值24816样本量横轴按样本量每次加倍等距布置
图17.2-2 三条折线分别按\(1/(3n)\)、\(2/[(n+1)(n+2)]\)和\(1/[n(n+2)]\)的精确数值作图,未使用模拟结果。样本量\(2\)时前两条风险相同;无偏校正会改变风险,不能仅从似然最大化断言有限样本最优。

17.2.6 重参数化与多对一目标

若\(\eta=h(\theta)\)为一一变换,新似然是\(L_x(h^{-1}(\eta))\),没有参数雅可比;若原MLE存在,其变换\(h(\widehat\theta)\)即是新MLE。16.1节已区分参数重新标记与数据坐标变换。

命题17.2.4 多对一目标的最大似然不变性

对可测目标\(\tau=h(\theta)\),在\(h(\Theta)\)上定义按目标值剖面的似然

\[L_x^*(\tau)=\sup_{\theta:h(\theta)=\tau}L_x(\theta).\]
(17.2-9)

若\(\widehat\theta\)是原模型的全局MLE,则\(h(\widehat\theta)\)最大化\(L_x^*\)。

证明。记原最大值为\(M\)。每个参数子集的上确界都不超过\(M\);包含\(\widehat\theta\)的子集则达到\(M\),所以目标值\(h(\widehat\theta)\)为全局最大值点。证毕。

多对一变换未必能单独标记一个观测分布,式(17.2-9)保留同一目标下的其他参数并对其优化。剖面似然对同一目标下的其他参数取最大值;它既不进行似然求和,也不表示参数的概率密度。最大值存在时还可能不唯一:例如伯努利模型限制\(p\in\{1/4,3/4\}\),两个观测为\((0,1)\)时,两参数的似然均为\(3/16\)。该模型可识别,但当前数据有两个MLE。

本节的存在性、无偏性与一致性均按具体条件证明。将MLE作为一般方法使用时,计算上须验证全局最大值,抽样推断上须检查识别、边界、支持和矩条件。一般渐近结论将在19.3节展开。

17.2.7 习题与完整解答

习题17.2-1 选择的矩是否识别参数

设\(X_i\)iid服从\(N(0,\theta^2),\theta>0\)。为什么不能用第一矩估计\(\theta\)?用第二矩构造一致估计,并计算数据\((1,-2,2)\)的估计值。

第一矩恒为\(0\),方程无法区分不同\(\theta\)。第二矩为\(m_2(\theta)=\theta^2\),在正参数域有连续逆\(\sqrt{m_2}\),因此估计为\(\sqrt{n^{-1}\sum X_i^2}\)。二阶矩可积,LLN及连续映射证明强一致。样本二阶矩为\((1+4+4)/3=3\),估计为\(\sqrt3\)。若允许带符号参数,则相同分布无法识别符号,不能只凭选择平方根解决这个模型问题。

习题17.2-2 得分为零就一定最大吗

设\(X_i\sim N(\theta^2,1),\theta\in\mathbb R\),观测均值\(\bar x>0\)。找出全部得分根并辨别\(\theta=0\);解释MLE是否唯一。

除去常数,对数似然为\(-n(\bar x-\theta^2)^2/2\)。导数为\(2n\theta(\bar x-\theta^2)\),根是\(0,\sqrt{\bar x},-\sqrt{\bar x}\)。在零点的二阶导数为\(2n\bar x>0\),所以零点是局部最小值。两个非零根使平方项为零,均为全局最大值。此模型的正负参数具有相同分布;即使求出了全部得分根,仍须按原参数域和似然比较筛选最大值。

习题17.2-3 平方目标的剖面似然

设\(X_i\sim N(\mu,1)\),目标\(\tau=\mu^2\)。对数据\((-3,-1)\)计算其MLE,说明为何不能只保留\(\mu=\sqrt\tau\)。

原模型MLE为\(\bar x=-2\),故不变性给目标MLE\(4\)。对\(\tau>0\),剖面似然应取\(\max\{L_x(\sqrt\tau),L_x(-\sqrt\tau)\}\);在\(\tau=0\)只有\(\mu=0\)。本数据中负根离均值更近,保留正根会丢失原全局最大值。该估计也不是无偏:\(E_\mu\bar X_n^2=\mu^2+1/n\),不变性只描述优化结果。

习题17.2-4 偏差与有限样本风险

均匀端点模型取\(n=4,\theta=2\)。求矩估计、最大值MLE与无偏校正最大值的均方误差,并把MLE的偏差和方差分开。

矩估计无偏,均方误差为\(4/(3\cdot4)=1/3\)。MLE偏差为\(-2/5\)、方差为\(4\cdot4/(25\cdot6)=8/75\),故均方误差为\(8/75+4/25=4/15\)。无偏校正的风险为\(4/[4(4+2)]=1/6\)。三者依次约为\(0.33333,0.26667,0.16667\)。有偏的MLE优于这里的无偏矩估计,另一个无偏估计又有更小风险;偏差或似然最大化本身都不决定这项比较。

关键术语

  • 矩估计:用经验期望替换模型期望后解参数方程。
  • 矩识别:所选总体矩足以区分目标参数。
  • 逆分支:在指定参数区域由矩值恢复参数的规则。
  • 最大似然估计:在模型参数空间中最大化观测似然。
  • 得分方程:可微对数似然的一阶导数为零的方程。
  • 全局最大值:其目标值不低于整个参数域内任何候选点。
  • 支持约束:参数对可能观测范围的限制。
  • 剖面似然:固定目标值后对其余参数取似然上确界。
  • 不变性:已有MLE的参数函数最大化相应剖面似然。

参考文献

  1. Kempthorne, P. (2016). MIT 18.655, Lecture 9, Methods of Estimation I。官方讲义:矩方程、参数识别、估计方程与最大似然。
  2. Balakrishnan, S. (2016). CMU 36-700, Lecture 9, Finding Estimators。大学课程讲义:矩估计、MLE及一一和多对一变换下的不变性。
  3. Kempthorne, P. (2016). MIT 18.655, Lecture 16, Asymptotics: Consistency and Delta Method。官方讲义:矩方法的一致性与连续变换。本节的边界判别、全局最大值和均匀端点风险均在正文直接推导。