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随机变量函数的置信区间

随机变量函数的置信区间

如何为由点估计θ^\hat{\theta}及其置信区间推导出参数函数g(θ)g(\theta)的置信区间?三方法:

方法一:转换法

gg严格单调。递增:[L,U][g(L),g(U)][L,U]\to[g(L),g(U)];递减:[L,U][g(U),g(L)][L,U]\to[g(U),g(L)]。例:知σ2\sigma^2的95\%CI=[9,25]→标准差σ\sigma的CI=[3,5][3,5]x\sqrt{x}递增)。局限:仅单调函数→多变量或多参数函数不适用。

方法二:Delta方法

基于泰勒展开一阶近似→最广泛大样本法。θ^N(θ,Var(θ^))\hat{\theta}\approx N(\theta,\mathrm{Var}(\hat{\theta}))g(θ^)g(θ)+g(θ)(θ^θ)g(\hat{\theta})\approx g(\theta)+g'(\theta)(\hat{\theta}-\theta)。方差近似:Var(g(θ^))[g(θ)]2Var(θ^)\mathrm{Var}(g(\hat{\theta}))\approx[g'(\theta)]^2\mathrm{Var}(\hat{\theta})。用θ^\hat{\theta}θ\thetaSE^(g(θ^))=g(θ^)SE(θ^)\widehat{\mathrm{SE}}(g(\hat{\theta}))=|g'(\hat{\theta})|\cdot\mathrm{SE}(\hat{\theta})。CI:g(θ^)±zα/2g(θ^)SE(θ^)g(\hat{\theta})\pm z_{\alpha/2}\cdot|g'(\hat{\theta})|\cdot\mathrm{SE}(\hat{\theta})

例:对数优势 g(p)=log(p/(1p))g(p)=\log(p/(1-p))g(p)=1/[p(1p)]g'(p)=1/[p(1-p)]Var(g(p^))[1/(p(1p))]2p(1p)/n=1/[np(1p)]\mathrm{Var}(g(\hat{p}))\approx[1/(p(1-p))]^2\cdot p(1-p)/n=1/[np(1-p)]。CI:log(p^/(1p^))±zα/21/[np^(1p^)]\log(\hat{p}/(1-\hat{p}))\pm z_{\alpha/2}\sqrt{1/[n\hat{p}(1-\hat{p})]}。需优势比的CI→指数函数单调递增→对CI端点取指数。

局限:近似→小样本/高度非线性可能不准;需导数。

方法三:自助法(Bootstrap)

重抽样非参法→无分布假设/解析推导→计算模拟:从原始样本有放回抽n个形成自助样本→重复B次(如10000)→每次算g(θ^)g(\hat{\theta}^*)→B个值排序→分位数构成CI(百分位自助法)。例:两样本均值比μ1/μ2\mu_1/\mu_2→解析难→自助易(分别重抽样→算比率→排序→取分位数)。

方法对比

方法优点缺点适用
转换法精确/简单仅单调函数σ2σ\sigma^2\to\sigma
Delta通用→非单调/多变量;大样本理论支持近似/小样本不准/需导数绝大多数大样本(回归系数函数等)
自助极广/无需分布/无需导数计算密集/参数边界不佳解析难→中位数差/比率/相关系数

Delta方法因通用简便为标准;计算力增强→自助在探索性数据分析和复杂模型中日受欢迎。

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