間違いしかありません.コメントにてご指摘いただければ幸いです(気が付いた点を特に断りなく頻繁に書き直していますのでご注意ください).

正規分布に従う互いに独立な標本における分散の最尤推定量を求める

正規分布に従う互いに独立な標本における分散の最尤推定量を求める

x1,,xnN(μ,σ2)からの独立な観測値とする時のσ2の最尤推定を考える.

確率密度凾数

XkN(μ,σ2)f(x;μ,σ2)=12πσ2e(xμ)22σ2f(x1,,xn;μ,σ2)={12πσ2e(x1μ)22σ2}{12πσ2e(x2μ)22σ2}{12πσ2e(xnμ)22σ2}=(12πσ2)ne12σ2k=1n(xkμ)2

μが既知の場合のσ2の最尤推定

確率密度凾数から尤度凾数(確率密度凾数に対して,確率変数や既知のパラメータを定数として,未知のパラメータを変数とみなす)の対数をとり,対数尤度凾数を用意する. l(σ2;x1,,xn,μ)=log{(12πσ2)ne12σ2k=1n(xkμ)2}=log{(12πσ2)n}+log{e12σ2k=1n(xkμ)2}log(AB)=log(A)+log(B)=log{(2πσ2)n2}+log{e12σ2k=1n(xkμ)2}1A=A1=n2log(2πσ2)12σ2k=1n(xkμ)2log(e)log(AB)=Blog(A)=n2log(2πσ2)12σ2k=1n(xkμ)2log(e)=1 極値を考えるために変数であるσ2で微分する(スコア凾数). ddσ2l(σ2;x1,,xn,μ)=ddσ2{n2log(2πσ2)12σ2k=1n(xkμ)2}=n2ddσ2log(2πσ2)12{k=1n(xkμ)2}ddσ21σ2ddx{f(x)+g(x)}=ddxf(x)+ddxg(x),ddxcf(x)=cddxf(x)=n2ddulog(u)dudσ212{k=1n(xkμ)2}ddvv1dvdσ2u=2πσ2,dudσ2=2π,v=σ2,dvdσ2=1=n21u2π12{k=1n(xkμ)2}(v2)1=n212πσ22π12{k=1n(xkμ)2}{(σ2)2}u=2πσ2,v=σ2=n21σ212{k=1n(xkμ)2}{1(σ2)2}=n2σ2+12σ4{k=1n(xkμ)2}(AB)C=ABC この式が0となるσ2(=σ^2)を求める(極値である). ddσ2l(σ2;x1,,xn,μ)=n2σ^2+12σ4{k=1n(xkμ)2}=012σ^2[n+1σ^2{k=1n(xkμ)2}]=0n+1σ^2{k=1n(xkμ)2}=012σ^2σ^200[]01σ^2{k=1n(xkμ)2}=n1σ^2=nk=1n(xkμ)2σ^2=1nk=1n(xkμ)2

μが未知の場合のσ2の最尤推定

対数尤度凾数を用意する(上と同じ). l(μ,σ2;x1,,xn)=n2log(2πσ2)12σ2k=1n(xkμ)2 極値を考えるために変数であるμ,σ2でそれぞれ偏微分する(スコア凾数). μl(μ,σ2;x1,,xn)=μ{n2log(2πσ2)12σ2k=1n(xkμ)2}=μ{n2log(2πσ2)}+μ{12σ2k=1n(xkμ)2}x{f(x,y)+g(x,y)}=xf(x,y)+xg(x,y)=12σ2ddμk=1n(xkμ)2ddxc=0,ddxcf(x)=cddxf(x)=12σ2k=1nddμ(xkμ)2ddxk=1nf(xk)=ddx{f(x1)++f(xn)}=ddxf(x1)++ddxf(xn)=k=1nddxf(xk)=12σ2k=1ndduu2dudμu=xkμ,dudμ=1=12σ2k=1n2u1=12σ2k=1n2(xkμ)u=xkμ=12σ2(2)k=1n(xkμ)=1σ2k=1n(xkμ)σ2l(μ,σ2;x1,,xn)=σ2{n2log(2πσ2)12σ2k=1n(xkμ)2}=n2σ2+12σ4{k=1n(xkμ)2}l(σ2;x1,,xn,μ) これらの式が0となる連立方程式としてμ(=μ^),σ2(=σ~2)を求める(極値である). {1σ~2k=1n(xkμ^)=0n2σ~2+12σ~4{k=1n(xkμ^)2}=0 第一式より 1σ~2k=1n(xkμ^)=0k=1n(xkμ^)=01σ~2σ~200k=1nxkk=1nμ^=0(AB)=ABk=1nxknμ^=0k=1nc=nc(c:)nμ^=k=1nxkμ^=1nk=1nxk=x¯x¯=1nk=1nxk 第二式のμ^にこれを代入してσ~2の最尤推定量を得る. n2σ~2+12σ~4{k=1n(xkμ^)2}=0n2σ~2+12σ~4{k=1n(xkx¯)2}=0μ^=x¯12σ~2[n+1σ~2{k=1n(xkx¯)2}]=0n+1σ~2{k=1n(xkx¯)2}=012σ~2σ~200[]01σ~2{k=1n(xkx¯)2}=n1σ~2=nk=1n(xkx¯)2σ~2=1nk=1n(xkx¯)2=s2s2=1nk=1n(XkX)2=n1nσ^2σ^2=1n1k=1n(XkX)2

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