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克拉默-拉奥下界

克拉默-拉奥下界 (CRLB)

CRLB由克拉默和拉奥1940s独立提出→为任意确定性参数无偏估计量的方差提供理论最小值。达CRLB称有效估计量(无偏约束下最优)。

正式表述:Var(θ^)≥1/In(θ)\mathrm{Var}(\hat{\theta})\ge 1/I_n(\theta)。In(θ)I_n(\theta)为样本容量n的费雪信息。单次观测信息:I(θ)=E[(∂ln⁡f(X;θ)/∂θ)2]=−E[∂2ln⁡f(X;θ)/∂θ2]I(\theta)=E[(\partial\ln f(X;\theta)/\partial\theta)^2]=-E[\partial^2\ln f(X;\theta)/\partial\theta^2](二阶导期望负数→似然曲率→"尖锐"则信息大)。i.i.d.可加性:In(θ)=n⋅I(θ)I_n(\theta)=n\cdot I(\theta)→CRLB=Var(θ^)≥1/(nI(θ))\mathrm{Var}(\hat{\theta})\ge 1/(nI(\theta))→n越大界越低→样本越多估越准。

正则性条件:参数空间开集;支撑集与θ\theta无关(如U[0,θ]U[0,\theta]不满足);对数似然一二阶导存在;积分微分可交换(得分期望为零)。

示例:正态均值

Xi∼N(μ,σ2)X_i\sim N(\mu,\sigma^2),σ2\sigma^2已知→估μ\mu。对数似然:ln⁡f=−12ln⁡(2πσ2)−(x−μ)2/(2σ2)\ln f=-\frac{1}{2}\ln(2\pi\sigma^2)-(x-\mu)^2/(2\sigma^2)。二阶导∂2ln⁡f/∂μ2=−1/σ2\partial^2\ln f/\partial\mu^2=-1/\sigma^2。I(μ)=−E[−1/σ2]=1/σ2I(\mu)=-E[-1/\sigma^2]=1/\sigma^2→In(μ)=n/σ2I_n(\mu)=n/\sigma^2→CRLB=σ2/n\sigma^2/n。

样本均值Xˉ\bar{X}:无偏(E[Xˉ]=μE[\bar{X}]=\mu)→Var(Xˉ)=σ2/n\mathrm{Var}(\bar{X})=\sigma^2/n=CRLB→Xˉ\bar{X}是μ\mu的有效估计量。

推广与局限

多参数→费雪信息矩阵 [I(θ)]ij=E[∂iln⁡f⋅∂jln⁡f][I(\boldsymbol{\theta})]_{ij}=E[\partial_i\ln f\cdot\partial_j\ln f]→协方差矩阵Cov(θ^)≥[In(θ)]−1\mathrm{Cov}(\hat{\boldsymbol{\theta}})\ge[I_n(\boldsymbol{\theta})]^{-1}→差值半正定。重要性:性能基准黄金标准(信号处理/通信/计量经济学);MLE大样本渐近达CRLB(渐近有效)。局限:仅适用无偏估计量(有偏但均方误差更小可能更优);不保证有限样下可达;正则性不满足→不适或需修。

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