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動差估計(Method Of Moments Estimation, MOME)

得到樣本 X1,,XniidXX_1,\cdots,X_n\stackrel{\text{iid}}{\sim} X with Xiidf(x;θ),θΩRrX\stackrel{\text{iid}}{\sim} f(x;\theta), \theta\in\Omega\subseteq\R^r

我們定義 k 次動差:

  • 母體(Population):Eθ(Xk)=mk(θ)E_\theta(X^k)=m_k(\theta)
  • 樣本(Sample): 1ni=1nXik=mk(X~)\frac{1}{n}\sum_{i=1}^nX_i^k=m_k(\utilde{X})

根據大數法則,隨著樣本數量增加,樣本動差會收斂到母體動差,i.e. mk(X~)Pmk(θ)m_k(\utilde{X})\xrightarrow{P}m_k(\theta) as nn\to\infty.

如果一個分佈有若干參數,並且這個分佈的動差可以用這些參數表示,那我們可以令 mk(θ)=mk(X~),k=1,2,m_k(\theta)=m_k(\utilde{X}),k=1,2,\cdots,然後解方程組得到這些參數的估計量。

如果我們得到了 θ\theta 的 MOME θ^\hat{\theta},那麼對於 η(θ)\eta(\theta),我們可以直接帶入 θ^\hat{\theta},i.e. η(θ)^=η(θ^)\widehat{\eta(\theta)}=\eta(\hat{\theta})

EX: X1,,XniidE(X)=μ,Var(X)=σ2<X_1, \cdots,X_n\stackrel{\text{iid}}{\sim} E(X)=\mu, Var(X)=\sigma^2<\infty

set

{μ=E(X)=m1(θ)=m1(X~)=1ni=1nXi=Xˉμ2+σ2=E(X2)=m2(θ)=m2(X~)=1ni=1nXi2\begin{cases} \mu=E(X)=m_1(\theta)=m_1(\utilde{X})=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^nX_i=\bar{X}\\ \mu^2+\sigma^2=E(X^2)=m_2(\theta)=m_2(\utilde{X})=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^nX_i^2 \end{cases}     {μ=Xˉσ2=1ni=1nXi2Xˉ2=1ni=1n(XiXˉ)2\implies \begin{cases} \mu=\bar{X}\\ \sigma^2=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^nX_i^2-\bar{X}^2=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n(X_i-\bar{X})^2 \end{cases}     {μ^MOME=Xˉσ^MOME2=1ni=1n(XiXˉ)2=S2\implies \begin{cases} \hat{\mu}_{MOME}=\bar{X}\\ \hat{\sigma}^2_{MOME}=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n(X_i-\bar{X})^2=S^2_* \end{cases}

對於兩個參數的分佈,基本上都可以用以上的方式得到參數的 MOME。

危險
1ni=1n(XiXˉ)2=S2S2=1n1i=1n(XiXˉ)2\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n(X_i-\bar{X})^2=S^2_*\neq S^2=\frac{1}{n-1}\sum_{i=1}^n(X_i-\bar{X})^2

S2S^2 是方差的無偏估計量,S2S^2_* 是方差的有偏估計量。

EX: X1,,XmiidU(α,β),θ=(α,β)X_1,\cdots,X_m\stackrel{\text{iid}}{\sim} U(\alpha, \beta), \theta=(\alpha, \beta)

{α+β2=Xˉ(αβ)212=S2\begin{cases} \frac{\alpha+\beta}{2}=\bar{X}\\ \frac{(\alpha-\beta)^2}{12}=S^2_* \end{cases}     {α^MOME=Xˉ3Sβ^MOME=Xˉ+3S\implies \begin{cases} \hat{\alpha}_{MOME}=\bar{X}-\sqrt{3}S_*\\ \hat{\beta}_{MOME}=\bar{X}+\sqrt{3}S_* \end{cases}

Recall: T=(X(1),X(n))T=(X_{(1)},X_{(n)}) is minimal sufficient for α,β\alpha, \beta, and α^MOME,β^MOME\hat{\alpha}_{MOME},\hat{\beta}_{MOME} are not functions of TT. Hence, they can be improved by Rao-Blackwell Theorem.