京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
R语言与点估计学习笔记(矩估计与MLE)
众所周知,R语言是个不错的统计软件。今天分享一下利用R语言做点估计的内容。主要有:矩估计、极大似然估计、EM算法、最小二乘估计、刀切法(Jackknife)、自助法(Bootstrap)的相关内容。
点估计是参数估计的一个组成部分。有许多的估计方法与估计理论,具体内容可以参见lehmann的《点估计理论》(推荐第一版,第二版直接从UMVU估计开始的)
一、矩估计
对于随机变量来说,矩是其最广泛,最常用的数字特征,母体的各阶矩一般与的分布中所含的未知参数有关,有的甚至就等于未知参数。由辛钦大数定律知,简单随机子样的子样原点矩依概率收敛到相应的母体原点矩。这就启发我们想到用子样矩替换母体矩,进而找出未知参数的估计,基于这种思想求估计量的方法称为矩法。用矩法求得的估计称为矩法估计,简称矩估计。它是由英国统计学家皮尔逊Pearson于1894年提出的。
因为不同的分布有着不同的参数,所以在R的基本包中并没有给出现成的函数,我们通常使用人机交互的办法处理矩估计的问题,当然也可以自己编写一些函数。
首先,来看看R中给出的一些基本分布,如下表:
虽然R中基本包中没有现成求各阶矩的函数,但是对于给出的样本,R可以求出其平均值(函数:mean),方差(var),标准差(sd),在fBasics包中还提供了计算偏度的函数skewness(),以及计算峰度的kurtosis()。这样我们也可以间接地得到分布一到四阶矩的数据。由于低阶矩包含信息较为丰富,矩估计也一般采用低阶矩去处理。
注:在actuar包中,函数emm()可以计算样本的任意阶原点矩。但在参数估计时需要注意到原点矩的存在性
例如我们来看看正态分布N(0,1)的矩估计效果。
> x<-rnorm(100) #产生N(0,1)的100个随机数
> mu<-mean(x) #对N(mu,sigma)中的mu做矩估计
> sigma<-var(x) #这里的var并不是样本方差的计算函数,而是修正的样本方差,其实也就是x的总体方差
> mu
[1] -0.1595923
> sigma
[1] 1.092255
可以看出,矩估计的效果还是可以的。
我们再来看一个矩估计的例子:设总体X服从二项分布B(k,p),X1,X2,…,Xn,是总体的一个样本。K,p为未知参数。那么k,p的矩估计满足方程:kp – M1= 0, kp(1 − p) −M2 = 0.
我们可以编写函数:
moment <-function(p){
f<-c(p[1]*p[2]-M1,p[1]*p[2]-p[1]*p[2]^2-M2)
J<-matrix(c(p[2],p[1],p[2]-p[2]^2,p[1]-2*p[1]*p[2]),nrow=2,byrow=T)#jicobi矩阵
list(f=f,J=J)
}# p[2]=p, p[1]=k,
检验程序
x<-rbinom(100, 20, 0.7); n<-length(x)
M1<-mean(x);M2<-(n-1)/n*var(x)
p<-c(10,0.5)
Newtons(moment, p)$root #是用牛顿法解方程的程序,见附件1
运行结果为:
[1]22.973841 0.605036
可以得到k,p的数值解
二、极大似然估计(MLE)
极大似然估计的基本思想是:基于样本的信息参数的合理估计量是产生获得样本的最大概率的参数值。值得一提的是:极大似然估计具有不变性,这也为我们求一些奇怪的参数提供了便利。
在单参数场合,我们可以使用函数optimize()来求极大似然估计值,函数的介绍如下:
optimize(f = , interval = , ..., lower = min(interval),
upper = max(interval), maximum = FALSE,
tol = .Machine$double.eps^0.25)
例如我们来处理Poisson分布参数lambda的MLE。
设X1,X2,…,X100为来自P(lambda)的独立同分布样本,那么似然函数为:
L(lambda,x)=lambda^(x1+x2+…+x100)*exp(10*lambda)/(gamma(x1+1)…gamma(x100+1))
这里涉及到的就是一个似然函数的选择问题:是直接使用似然函数还是使用对数似然函数,为了说明这个问题,我们可以看这样一段R程序:
> x<-rpois(100,2)
> sum(x)
[1] 215
> ga(x)#这是一个求解gamma(x1+1)…gamma(x100+1)的函数,用gamma函数求阶乘是为了提高计算效率(源代码见附1)
[1] 1.580298e+51
> f<-function(lambda)lambda^(215)*exp(10*lambda)/(1.580298*10^51)#这里有一些magic number + hard code 的嫌疑,其实用ga(x)带入,在函数参数中多加一个x就好
> optimize(f,c(1,3),maximum=T)
$maximum
[1] 2.999959
$objective
[1] 2.568691e+64
> fun<-function(lambda)-100*lambda+215*log(lambda)-log(1.580298*10^51)
> optimize(fun,c(1,3),maximum=T)
$maximum
[1] 2.149984 #MLE
$objective
[1] -168.3139
为什么会有这样的差别?这个源于函数optimize,这个函数本质上就是求一个函数的最大值以及取最大值时的自变量。但是这里对函数的稳定性是有要求的,取对数无疑增加了函数的稳定性,求极值才会合理。这也就是当你扩大了MLE存在区间时warning会出现的原因。当然,限定范围时,MLE会在边界取到,但是,出现边界时,我们需要更多的信息去判断它。这个例子也说明多数情况下利用对数似然估计要优于似然函数。
在多元ML估计时,你能用的函数将变为optim,nlm,nlminb它们的调用格式分别为:
optim(par, fn, gr = NULL, ..., method = c("Nelder-Mead", "BFGS", "CG", "L-BFGS-B", "SANN", "Brent"), lower = -Inf, upper = Inf, control = list(), hessian = FALSE)nlm(f, p, ..., hessian = FALSE, typsize = rep(1, length(p)), fscale = 1, print.level = 0, ndigit = 12, gradtol = 1e-6, stepmax = max(1000 * sqrt(sum((p/typsize)^2)), 1000), steptol = 1e-6, iterlim = 100, check.analyticals = TRUE)nlminb(start, objective, gradient = NULL, hessian = NULL, ..., scale = 1, control = list(), lower = -Inf, upper = Inf)
> x<-rnorm(1000,2,6) #6是标准差,而我们估计的是方差
> ll<-function(theta,data){
+ n<-length(data)
+ ll<--0.5*n*log(2*pi)-0.5*n*log(theta[2])-1/2/theta[2]*sum((data-theta[1])^2)
+ return(-ll)
+ }
>nlminb(c(0.5,2),ll,data=x,lower=c(-100,0),upper=c(100,100)) $par
[1] 1.984345 38.926692
看看结果估计的还是不错的,可以利用函数mean,var验证对正态分布而言,矩估计与MLE是一致.
然而这里还有一些没有解决的问题,比如使用nlminb初始值的选取。希望阅读到这的朋友给出些建议。
最后指出在stata4,maxLik等扩展包中有更多关于mle的东西,你可以通过查看帮助文档来学习它。
附1:辅助程序代码
Newtons<-function (fun, x, ep=1e-5,it_max=100){
index<-0; k<-1
while (k<=it_max){
x1 <- x; obj <- fun(x);
x <- x - solve(obj$J, obj$f);
norm <- sqrt((x-x1) %*% (x-x1))
if (norm<ep){
index<-1; break
}
k<-k+1
}
obj <- fun(x);
list(root=x, it=k, index=index, FunVal= obj$f)
}
ga<-function(x){
ga<-1
for(i in 1:length(x)){
ga<-ga*gamma(x[i]+1)
}
ga
}
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
数据分析师认证考试全面升级后,除了考试场次和报名时间,小伙伴们最关心的就是报名费了,报 ...
2025-12-23CDA中国官网是全国统一的数据分析师认证报名网站,由认证考试委员会与持证人会员、企业会员以及行业知名第三方机构共同合作,致 ...
2025-12-23在Power BI数据可视化分析中,矩阵是多维度数据汇总的核心工具,而“动态计算平均值”则是矩阵分析的高频需求——无论是按类别计 ...
2025-12-23在SQL数据分析场景中,“日期转期间”是高频核心需求——无论是按日、周、月、季度还是年度统计数据,都需要将原始的日期/时间字 ...
2025-12-23在数据驱动决策的浪潮中,CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的核心价值,早已超越“整理数据、输出报表”的基础层面,转 ...
2025-12-23在使用Excel数据透视表进行数据分析时,我们常需要在透视表旁添加备注列,用于标注数据背景、异常说明、业务解读等关键信息。但 ...
2025-12-22在MySQL数据库的性能优化体系中,索引是提升查询效率的“核心武器”——一个合理的索引能将百万级数据的查询耗时从秒级压缩至毫 ...
2025-12-22在数据量爆炸式增长的数字化时代,企业数据呈现“来源杂、格式多、价值不均”的特点,不少CDA(Certified Data Analyst)数据分 ...
2025-12-22在企业数据化运营体系中,同比、环比分析是洞察业务趋势、评估运营效果的核心手段。同比(与上年同期对比)可消除季节性波动影响 ...
2025-12-19在数字化时代,用户已成为企业竞争的核心资产,而“理解用户”则是激活这一资产的关键。用户行为分析系统(User Behavior Analys ...
2025-12-19在数字化转型的深水区,企业对数据价值的挖掘不再局限于零散的分析项目,而是转向“体系化运营”——数据治理体系作为保障数据全 ...
2025-12-19在数据科学的工具箱中,析因分析(Factor Analysis, FA)、聚类分析(Clustering Analysis)与主成分分析(Principal Component ...
2025-12-18自2017年《Attention Is All You Need》一文问世以来,Transformer模型凭借自注意力机制的强大建模能力,在NLP、CV、语音等领域 ...
2025-12-18在CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的时间序列分析工作中,常面临这样的困惑:某电商平台月度销售额增长20%,但增长是来 ...
2025-12-18在机器学习实践中,“超小数据集”(通常指样本量从几十到几百,远小于模型参数规模)是绕不开的场景——医疗领域的罕见病数据、 ...
2025-12-17数据仓库作为企业决策分析的“数据中枢”,其价值完全依赖于数据质量——若输入的是缺失、重复、不一致的“脏数据”,后续的建模 ...
2025-12-17在CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的日常工作中,“随时间变化的数据”无处不在——零售企业的每日销售额、互联网平台 ...
2025-12-17在休闲游戏的运营体系中,次日留存率是当之无愧的“生死线”——它不仅是衡量产品核心吸引力的首个关键指标,更直接决定了后续LT ...
2025-12-16在数字化转型浪潮中,“以用户为中心”已成为企业的核心经营理念,而用户画像则是企业洞察用户、精准决策的“核心工具”。然而, ...
2025-12-16在零售行业从“流量争夺”转向“价值深耕”的演进中,塔吉特百货(Target)以两场标志性实践树立了行业标杆——2000年后的孕妇精 ...
2025-12-15