第 19 章 · 统计渐近理论与经验过程

19.3 最大似然的渐近理论

Asymptotic Likelihood Theory
最大似然的渐近结论需要分别处理估计量存在、一致性和局部正则性。本节先用总体似然的识别与统一大数定律定位全局极大点,再以得分和 Hessian 的积分展开证明渐近线性。三阶导数的可积控制给出局部渐近正态似然;伯努利和指数模型核对公式,均匀端点模型及局部非正则估计说明结论的边界。
先修与阅读位置

主要先修:17.2 矩估计与最大似然估计、17.4 Fisher信息与Cramér–Rao界、19.1 随机阶与渐近展开、19.2 M估计、Z估计与夹心协方差。

沿19.1的余项与19.2的估计方程进入正则MLE理论。它为19.4的检验、20.4的GLM渐近推断和21.5的后验渐近近似提供工具。 查看全书依赖图与分支路线。

19.3.1 存在、识别与一致性是不同问题

设 \(X_1,\ldots,X_n\) iid来自正确模型 \(P_{\theta_0}\),维数 \(d\) 固定,密度相对于同一基准测度定义。令单个观测对数似然为 \(\ell_\theta(x)=\log p_\theta(x)\),总对数似然为 \(L_n(\theta)=\sum_i\ell_\theta(X_i)\),经验平均为 \(M_n=L_n/n\)。MLE是选定的可测全局极大点;若只能取得上确界,则需另定义近似极大点,不能称其已达到最大值。

一致性的一组充分条件

设搜索集 \(K\subset\mathbb R^d\) 紧,包含 \(\theta_0\),对数似然期望 \(M(\theta)=E_{\theta_0}\ell_\theta\) 有限、连续且具有唯一极大点 \(\theta_0\),并且 \(\sup_K|M_n-M|\xrightarrow{p}0\)。若选定的可测估计量满足 \(\hat\theta_n\in K\) 与 \(M_n(\hat\theta_n)\ge\sup_K M_n-o_p(1)\),则 \(\hat\theta_n\to\theta_0\) 依概率。

这直接是19.2节 argmin 定理用于负对数似然。样本目标连续与紧性保证极大值存在;可测选择或可测近似选择仍是估计规则的一部分。若参数空间非紧,须另控制估计量不逃向无穷,并验证总体极值的分离。似然可识别并不单独完成这些步骤。

在共同正密度支持和相关积分有限时,总体最大点的识别由

\[M(\theta_0)-M(\theta)=E_{\theta_0}\log\frac{p_{\theta_0}(X)}{p_\theta(X)}=D(P_{\theta_0}\Vert P_\theta)\ge0\]
(19.3-1)

给出。相对熵等号要求两分布相同,再由模型可识别性得到 \(\theta=\theta_0\)。例如对数似然在紧搜索集上有可积随机 Lipschitz 界及一个可积基准值,就可调用19.2节的有限网格 ULLN。只证明某个固定参数处的大数定律,不足以控制由同一数据选出的极大点。

19.3.2 得分、信息与局部正则条件

记得分 \(s_\theta=\nabla\ell_\theta\)、Hessian \(H_\theta=\nabla^2\ell_\theta\)。以下条件是便于检查的一组充分条件,较一般的理论可以用二次均值可微等条件替代:

  1. 真值 \(\theta_0\) 是参数空间内点,已有一致的可测估计量;在邻域内支持固定且密度为正。
  2. 在该邻域,对数密度三次连续可微;密度的前两阶导数允许在归一化积分内求导。由17.4节的信息恒等式,\(E s_{\theta_0}=0\)、\(E H_{\theta_0}=-I\),其中 \(I=E[s_{\theta_0}s_{\theta_0}^{\mathsf T}]\)。
  3. \(I\) 有限且正定,\(E\|H_{\theta_0}\|<\infty\)。以真值为中心且具有正半径的固定闭球 \(K_0\) 位于上述邻域内,且存在可积 \(G(X)\),使三阶导数的三线性算子范数满足 \(\sup_{K_0}\|D^3\ell_\theta(X)\|\le G(X)\)。

全部期望此处均按 \(P_{\theta_0}\) 计算,矩阵用算子范数。第三条给出 Hessian 的随机 Lipschitz 界,因此有限网格方法使其在 \(K_0\) 上统一收敛到连续的 \(J(\theta)=E H_\theta\)。第二条的积分换序还须独立验证;仅有对数似然的局部光滑性不能自动保证它。

确为内点的可微极大点具有零得分。一致性与内部真值使这个条件以趋于1的概率成立。对近似数值解,还需要得分残差 \(n^{-1}\nabla L_n(\hat\theta_n)=o_p(n^{-1/2})\) 才能使用下一结论;只知道目标值误差为 \(o_p(1)\) 不足以保证这个精度。

19.3.3 最大似然的渐近线性证明

定理19.3-1 正则内部 MLE 的极限

在上述一致性、得分残差和局部正则条件下,

\[\sqrt n(\hat\theta_n-\theta_0)=I^{-1}\frac1{\sqrt n}\sum_i s_{\theta_0}(X_i)+o_p(1)\xrightarrow{d}N_d(0,I^{-1}).\]
(19.3-2)
证明

在连接真值和估计值的线段上,取平均 Hessian 的积分

\[\bar H_n=\int_0^1P_nH_{\theta_0+t(\hat\theta_n-\theta_0)}dt.\]
(19.3-3)

一致性使线段以趋于1的概率位于局部球内。统一 Hessian 收敛与其总体连续性给出 \(\bar H_n\xrightarrow{p}-I\),于是逆矩阵趋于 \(-I^{-1}\)。逐分量微积分展开得分,得到

\[P_ns_{\hat\theta_n}=P_ns_{\theta_0}+\bar H_n(\hat\theta_n-\theta_0),\qquad \sqrt n(\hat\theta_n-\theta_0)=-\bar H_n^{-1}\frac1{\sqrt n}\sum_i s_{\theta_0}(X_i)+o_p(1).\]
(19.3-4)

后一个余项来自规定的得分残差和逆矩阵的 \(O_p(1)\) 控制。得分均值为零、协方差为 \(I\),iid向量 CLT 使标准化得分和收敛到 \(N_d(0,I)\),并且为 \(O_p(1)\)。再用 Slutsky 定理替换逆 Hessian,就得到式(19.3-2)。协方差为 \(I^{-1}I I^{-1}=I^{-1}\)。证明既得到 \(n^{-1/2}\) 速率,也识别了影响函数 \(I^{-1}s_{\theta_0}\)。

这里的信息是单个观测的信息;样本信息为 \(nI\),所以估计量通常使用 \(I^{-1}/n\) 的渐近协方差近似。若模型失配,得分协方差与负期望 Hessian 通常不同,须保留19.2节的夹心矩阵,不直接用信息逆矩阵。

19.3.4 局部似然的二次展开与 LAN

定义19.3-1 局部渐近正态性

考察局部参数 \(\theta_0+h/\sqrt n\),其中 \(h\in\mathbb R^d\) 固定。若在 \(P_{\theta_0}^n\) 下,对数似然比可以写成

\[L_n(\theta_0+h/\sqrt n)-L_n(\theta_0)=h^{\mathsf T}\Delta_n-\frac12h^{\mathsf T}Ih+R_n(h),\qquad\Delta_n\xrightarrow{d}N_d(0,I),\qquad R_n(h)=o_p(1),\]
(19.3-5)

则称这一 iid实验在真值处局部渐近正态(LAN)。它描述邻近参数模型的似然比较,不是对任意估计量抽样分布的陈述。

三阶控制下的展开证明

取 \(\Delta_n=n^{-1/2}\sum_i s_{\theta_0}(X_i)\)。每个对数密度沿方向 \(h/\sqrt n\) 作二阶 Taylor 展开,再求和,线性项为 \(h^{\mathsf T}\Delta_n\),二次项为 \(\tfrac12h^{\mathsf T}(P_nH_{\theta_0})h\)。三阶余项满足

\[|\text{三阶余项}|\le\frac{\|h\|^3}{6\sqrt n}P_nG=o_p(1).\]
(19.3-6)

大数定律使 \(P_nH_{\theta_0}\to-I\),得分 CLT 给出 \(\Delta_n\) 的极限。因而式(19.3-5)成立;这些界还使总余项在每个固定有界 \(h\) 集合上一致为 \(o_p(1)\)。没有这个样本求和后的余项控制,单个观测的形式 Taylor 式不足以证明 LAN。

标量情形中,局部二次式的极大点是 \(h=\Delta_n/I\),与 MLE 渐近线性一致。LAN可用于局部正则估计量的卷积下界与局部渐近极小极大理论,但还需规定比较类和损失;本节证明似然展开,不把它直接当成所有估计量的效率结论。更弱的二次均值可微到 LAN 的一般定理见文献[3]。

0−1−2−3−101 局部对数似然比局部参数 h 样本量400 样本量1600 二次展开 真概率为0.3两组成功数124与488中心得分同为0.952381曲线来自指定计数的精确公式,没有模拟。
图19.3-1 伯努利模型取 \(p_0=0.3\)、局部参数 \(p=p_0+h/\sqrt n\)。两组指定样本计数具有相同 \(\Delta_n=20/21\) 与 \(I=100/21\),虚线为 \(h\Delta_n-Ih^2/2\);显示 \(h\in[-1,1]\) 内的精确代数比较。

19.3.5 伯努利与指数模型的完整核对

例19.3-1 伯努利概率的内部真值与样本边界

设 \(X_i\) iid伯努利,真概率 \(p_0\in(0,1)\)。在闭参数空间 \([0,1]\) 上,MLE为 \(\hat p=T/n\),\(T=\sum_iX_i\)。若只允许开区间 \((0,1)\),全零或全一时只有上确界、没有达到最大值的参数;在闭区间上则是样本边界估计。该事件概率为 \((1-p_0)^n+p_0^n\to0\),所以内部真值下仍可在趋于1的事件上使用得分方程。

\[s_p(x)=\frac{x-p}{p(1-p)},\qquad H_p(x)=-\frac{x}{p^2}-\frac{1-x}{(1-p)^2},\qquad I(p_0)=\frac1{p_0(1-p_0)}.\]
(19.3-7)

均值大数定律直接给出一致性。真值附近远离0、1,三阶导数有确定有限上界,且两点样本空间允许归一化和求导交换。因此

\[\sqrt n(\hat p-p_0)\Rightarrow N(0,p_0(1-p_0)).\]
(19.3-8)

本例线性表示其实精确:\(I^{-1}s_{p_0}(X)=X-p_0\),不需要估计误差余项。\(n=100,p_0=0.3\) 时,真实标准误为 \(\sqrt{0.21/100}\approx0.04582576\);若观察37次成功,插值标准误为 \(\sqrt{0.37\cdot0.63/100}\approx0.04828043\)。方差公式是精确的,正态尾概率仍是渐近近似。在真值 \(p_0=0\) 或1时分布退化,本节的内部正则结论不适用。

例19.3-2 指数率 MLE 的偏差与极限

设 \(X_i\) iid指数分布,率 \(\lambda_0>0\),密度 \(\lambda e^{-\lambda x}\)(\(x>0\))。令 \(W=\sum_iX_i\),则 \(W>0\) 几乎必然,\(L_n=n\log\lambda-\lambda W\) 严格凹,唯一内点 MLE为 \(\hat\lambda=n/W\)。样本均值趋于 \(1/\lambda_0\),所以估计一致。

\[s_\lambda(x)=\frac1\lambda-x,\qquad H_\lambda=-\frac1{\lambda^2},\qquad I(\lambda_0)=\frac1{\lambda_0^2},\qquad\sqrt n(\hat\lambda-\lambda_0)\Rightarrow N(0,\lambda_0^2).\]
(19.3-9)

正参数邻域内,三阶导数 \(2/\lambda^3\) 有确定上界,得分二阶矩有限,正则条件全部成立。影响函数为 \(\lambda_0-\lambda_0^2X\)。但渐近正态性并不使有限样本估计无偏:由 \(W\sim\operatorname{Gamma}(n,\lambda_0)\) 的逆矩积分,

\[E\hat\lambda=\frac{n\lambda_0}{n-1}\quad(n>1),\qquad\operatorname{Var}\hat\lambda=\frac{n^2\lambda_0^2}{(n-1)^2(n-2)}\quad(n>2).\]
(19.3-10)

在 \(n=1\) 时期望发散,在 \(n=2\) 时二阶矩发散。\(n=10,\lambda_0=2\) 时均值为 \(20/9\),方差为 \(50/81\approx0.61728395\),而渐近方差近似为0.4。若该样本总时间为4.8,则率估计值为 \(25/12\approx2.083333\)。小样本的精确区间可使用18.4节的 Gamma 枢轴。

19.3.6 支持变化与效率比较的边界

反例19.3-1 均匀总体的未知上端点

设 \(X_i\) iid服从 \(U(0,\theta)\),\(\theta>0\),取包含上端点的密度版本。MLE为最大值 \(M_n\),对数似然在 \(\theta\ge M_n\) 为 \(-n\log\theta\),较小端点处为负无穷。极大点位于数据限定的支持边界,不能解普通零得分方程。

对 \(0\le t\le n\),精确尾概率为

\[P_\theta\left(n\left(1-\frac{M_n}{\theta}\right)>t\right)=\left(1-\frac tn\right)^n\longrightarrow e^{-t}.\]
(19.3-11)

因此 \(n(1-M_n/\theta)\Rightarrow\operatorname{Exp}(1)\),其中参数1为率;估计误差是 \(n^{-1}\) 阶,具有单侧非正态极限。直接在支持内求得的得分 \(-1/\theta\) 期望不为零,说明不能忽略移动边界来使用信息恒等式。支持变化的模型不满足本节固定支持正则条件。

00.51012345 分布函数标准化误差 样本量5 样本量20 指数极限 误差仅取非负值,标准化使用样本量,而非样本量的平方根。
图19.3-2 \(n(1-M_n/\theta)\) 的精确分布函数与率1指数极限,显示误差范围0至5。曲线按式(19.3-11)绘制,没有模拟或正态近似。

LAN模型中也不能把任意估计量都看作正则估计量。例如已知方差1的正态位置模型,令 \(T_n=\bar X_n\mathbf1_{\{|\bar X_n|>n^{-1/4}\}}\)。在固定真值0处,\(\sqrt nT_n\to0\) 依概率,似乎比信息逆方差1更小;但在局部真值 \(\theta_n=h/\sqrt n\) 下,\(T_n=0\) 的概率仍趋于1,故 \(\sqrt n(T_n-\theta_n)\to-h\)。中心化极限随 \(h\) 改变,破坏局部正则性。这类 Hodges 规则说明,点上的超有效不能替代对局部参数族的统一效率比较。

习题与解答

习题19.3-1 指数逆矩(证明)

用 \(W\sim\operatorname{Gamma}(n,\lambda)\) 的形状/率密度推导 \(E(W^{-r})\) 的存在条件,并核对指数率 MLE 的均值公式。

解

积分为 \(\lambda^n\Gamma(n)^{-1}\int_0^\infty w^{n-r-1}e^{-\lambda w}dw\)。零点附近可积当且仅当 \(n>r\),此时 Gamma 积分给出 \(E W^{-r}=\lambda^r\Gamma(n-r)/\Gamma(n)\)。取 \(r=1\) 后乘以 \(n\),得到 \(E\hat\lambda=n\lambda/(n-1)\)。\(n=1\) 不满足零点可积条件,因此不能给 MLE 赋予有限期望,也不能在该样本量套有限方差比较。

习题19.3-2 伯努利信息与样本量(计算)

真概率0.2,样本量400。计算单个观测信息、样本信息与 MLE 标准误,并判断400次全零样本在开参数空间上是否有 MLE。

解

单个观测信息为 \(1/(0.2\cdot0.8)=6.25\),样本信息为2500,标准误为 \(1/\sqrt{2500}=0.02\),也等于精确样本比例标准差。若全部为零,似然为 \((1-p)^{400}\),在 \(p\in(0,1)\) 上不断随着 \(p\downarrow0\) 增大,上确界没有达到;闭参数空间上 MLE才是0。这个样本事件虽在内部真值下很罕见,仍须区分有限样本存在性与渐近内部概率趋1。

习题19.3-3 LAN 的二次项与余项(计算、条件)

伯努利 \(p_0=0.3\),指定样本 \(n=400,T=124\),取 \(h=0.2\)。计算 LAN 二次式,并说明若 \(h\) 随 \(n\) 无界增加,能否直接沿用固定有界集合的余项保证。

解

中心得分 \(\Delta_n=(124-120)/(20\cdot0.21)=20/21\),信息为 \(100/21\)。二次式为 \((0.2)(20/21)-(0.2)^2(100/21)/2=2/21\approx0.09523810\),对应局部概率0.31。三阶上界含 \(\|h\|^3/\sqrt n\),因此若 \(h=h_n\) 无界增长,该项不自动趋零;还要检查局部参数留在邻域、余项的增长及更强的一致控制。固定 \(h\) 的 LAN 不是任意远参数的全局似然近似。

习题19.3-4 均匀端点误差(计算、辨析)

对 \(U(0,\theta)\) 样本量20,求 \(P(M_{20}\ge0.9\theta)\),并比较式(19.3-11)在 \(t=2\) 的精确尾与指数极限尾。

解

最大值分布给出 \(P(M_{20}\ge0.9\theta)=1-0.9^{20}\approx0.87842335\)。标准化误差大于2正好对应最大值小于0.9倍端点,其精确尾为 \(0.9^{20}\approx0.12157665\),指数极限尾为 \(e^{-2}\approx0.13533528\)。二者接近但并不相等,精确概率已经可由模型直接计算。标准化误差非负且用样本量20缩放,不能把它套成常规双侧正态误差。

关键术语

  • 全局最大似然估计:达到整个指定搜索集似然最大值的可测估计规则。
  • 内部真值:在参数空间中具有开邻域的真实参数值。
  • 得分:单个观测对数密度对参数的一阶导数向量。
  • Hessian:对数密度对参数的二阶偏导数矩阵。
  • Fisher信息:正则正确模型下得分的二阶矩,也是负期望 Hessian。
  • 渐近线性:标准化估计误差等于影响函数的标准化和加可忽略余项。
  • LAN:局部参数扰动下对数似然比具有高斯线性项和信息二次项的性质。
  • 局部正则性:估计量的中心化极限在局部参数扰动下保持相容的性质。
  • 非正则模型:不满足所用正则极限定理条件、需要另行分析的模型。

参考文献

  1. Sivaraman Balakrishnan,CMU 36-700,Lecture 12: MLE Asymptotics,2016。总体似然、MLE一致性、得分与渐近正态的基本证明路线;本节补明统一收敛和局部余项假设。
  2. John Duchi 等,Stanford STATS 300B,Lecture 3,讲义标注2018。向量积分 Taylor 展开、似然渐近线性及信息。
  3. John Duchi,Stanford STATS 300B,Lecture 19,讲义标注2018。局部渐近正态性及二次均值可微的更一般框架;本节只展开可积三阶导数下的证明。