得分函数 (Score Function)
得分函数→数理统计核概念→极大似然估计(MLE)与渐近理论基石。给定概率密度f(x;θ)→对数似然ℓ(θ;x)=logf(x;θ)。得分函数V(x;θ)定义为对数似然关于参数θ的一阶偏导:
V(x;θ)=∂θ∂ℓ(θ;x)=∂θ∂logf(x;θ)=f(x;θ)f′(x;θ)
其中f′表示f对θ的偏导数。直观上→得分函数衡量对数似然在参数空间中的梯度→指示参数微小变动如何改变观测数据与当前参数的兼容程度。
基本性质
在正则条件(积分与求导可交换)下,得分函数具三个核心性质:
1. 零期望: E[V(X;θ)]=∫V(x;θ)f(x;θ)dx=∫f′(x;θ)dx=∂θ∂∫f=0→即得分函数在真实参数处期望为零→这是后续所有推断的基础。
2. 方差等于Fisher信息: Var[V]=E[V2]=I(θ)→Fisher信息定义即得分函数二阶矩。等价公式→I(θ)=−E[∂2ℓ/∂θ2]→对数似然期望曲率。
3. 可加性: 对独立同分布样本X1,…,Xn→联合得分Vn(θ)=∑i=1nVi(θ)→各观测得分贡献独立累加→Var[Vn]=nI(θ)。
MLE与渐近理论
MLEθ^是得分方程Vn(θ^)=0的解。由泰勒展开:
0=Vn(θ0)+Vn′(θ0)(θ^−θ0)+op(n)
→整理得n(θ^−θ0)≈−(n1Vn′)−1n1Vn。由WLLN→−n1Vn′pI(θ0);由CLT→n1VndN(0,I(θ0))。斯卢茨基定理合→
n(θ^−θ0)dN(0,I−1(θ0))
→MLE的渐近精度完全由得分函数方差(即Fisher信息)决定。
得分检验(Rao Score Test)
Rao得分检验(也称拉格朗日乘数检验)→仅需在原假设H0:θ=θ0下计算得分:
S=Vn(θ0)TI−1(θ0)Vn(θ0)dχk2
vsWald检验需MLE→vs似然比检验需双估计→得分检验计算成本最低→常用于模型设定检验与异方差检验。
向量参数推广
多参数θ∈Rk→得分向量V=∇θℓ→分量Vj=∂ℓ/∂θj。期望仍为零→协方差矩阵=Fisher信息矩阵:
Iij=E[ViVj]=−E[∂θi∂θj∂2ℓ]
Cramér-Rao下界→Cov(θ^)⪰I−1→得分函数方差之逆界定多参数联合估计精度极限。
应用延伸:GMM→E[m(θ)]=0即广义得分条件;拟似然→误设分布仍用得分方程得一致估计;得分匹配→生成模型中用得分函数梯度指导采样。核→得分函数桥接似然、矩方法与渐近理论→现代统计与计量推断不可或缺的概念枢纽。