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完备充分统计量

完备充分统计量

完备充分统计量结合充分统计量和完备统计量两性质→在寻找UMVUE中扮关键角色。

充分性

统计量 T(X)T(X) 充分→含样本关于θ\theta全部信息(知T值后原始数据不再提供额外信息)。条件分布 P(X=x∣T=t)P(X=x\mid T=t) 不依赖θ\theta。Neyman-Fisher因子分解定理:联合PDF/PMF f(x∣θ)=g(T(x)∣θ)⋅h(x)f(x\mid\theta) = g(T(x)\mid\theta) \cdot h(x)(θ\theta依赖仅通过T;h(x)h(x)不依赖θ\theta)。

例伯努利:联合PMF = p∑xi(1−p)n−∑xip^{\sum x_i}(1-p)^{n-\sum x_i} = pT(1−p)n−T⋅1p^{T}(1-p)^{n-T} \cdot 1→T=∑XiT=\sum X_i是pp的充分统计量(只需总成功次数→无需每次试验顺序)。

完备性

统计量T完备:若Eθ[g(T)]=0E_\theta[g(T)]=0对所有θ\theta成立→则Pθ(g(T)=0)=1P_\theta(g(T)=0)=1(唯一期零函数即零函数)。直观:T中无冗余信息/系统偏差。

续伯努利证明:T∼Binomial(n,p)T\sim\mathrm{Binomial}(n,p)。Ep[g(T)]=∑t=0ng(t)(nt)pt(1−p)n−t=0E_p[g(T)]=\sum_{t=0}^n g(t)\binom{n}{t}p^t(1-p)^{n-t}=0→除以(1−p)n(1-p)^n→令y=p/(1−p)y=p/(1-p)→多项式Q(y)=∑[g(t)(nt)]yt=0Q(y)=\sum[g(t)\binom{n}{t}]y^t=0恒零→所有系数为零→g(t)(nt)=0g(t)\binom{n}{t}=0→因(nt)>0\binom{n}{t}>0→g(t)=0g(t)=0→T完备。

捷径:指数族分布且参数空间含开集→自然统计量即完备充分统计量。正态/泊松/二项/伽玛/贝塔均属指数族。

Lehmann-Scheffé定理

莱曼-谢费定理:若T完备充分且W是τ(θ)\tau(\theta)的无偏估计量→ϕ(T)=E[W∣T]\phi(T)=E[W\mid T]是τ(θ)\tau(\theta)唯一UMVUE。

逻辑:Rao-Blackwell定理→充分统计量取条件期望得方差更小的估计量;完备性→唯一性(两不同起点得相同终点)。

例泊松λ\lambda:T=∑Xi\sum X_i完备充分(指数族),W=X1X_1无偏(E[X1]=λE[X_1]=\lambda)。Lehmann-Scheffé→UMVUE=E[X1∣∑Xi=t]E[X_1\mid\sum X_i=t]。已知X1∣∑Xi=t∼Binomial(t,1/n)X_1\mid\sum X_i=t\sim\mathrm{Binomial}(t,1/n)→期望=t/n=Xˉt/n=\bar{X}。证Xˉ\bar{X}是λ\lambda的UMVUE。

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