给定一个观察值的方差的置信区间


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这是“第七届柯尔莫哥洛夫概率论奥林匹克竞赛”中的一个问题:

给定一个来自分布的观测值X,且两个参数均未知,请给出的置信区间,置信度至少为99%。Normal⁡(μ,σ2)σ2

在我看来,这应该是不可能的。我有解决方案,但尚未阅读。有什么想法吗?

我将在几天后发布解决方案。

[后续编辑:官方解决方案发布在下面。Cardinal的解决方案更长,但提供了更好的置信区间。也感谢Max和Glen_b的投入。]


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对我来说似乎也是不可能的。我等待答案
— 彼得·弗洛姆-恢复莫妮卡


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这是格式更好的论文:paper。
— 假设正常的2012年

h 我记得很多年前读过一篇关于这种东西的论文(一个观察间隔)。可能就是这个。
— Glen_b-恢复莫妮卡(Monica)2012年

1
@Max,感谢您的链接!我还没有时间仔细研究它,但是我会的。我在下面发布了“官方”答案。
— 乔纳森·克里斯坦森

Answers:


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从概率不平等和与多次观测的联系的角度来看,这个结果似乎并非不可能,或者至少看起来更合理。

让X∼N(μ,σ2)与μ和σ2是未知的。我们可以写出X=σZ+μ为Z∼N(0,1)。

主权利要求:[0,X2/qα)是(1−α)为置信区间σ2,其中qα是α与一个自由度的卡方分布的-电平位数。此外,由于该间隔在μ = 0时具有精确的 (1−α)覆盖率,因此它是形式为[ 0 ,b X 2)的最窄间隔μ=0[0,bX2)对于一些b∈R。

乐观的理由

回想一下,在n≥2的情况下,与T=∑i=1n(Xi−X¯)2,则典型 (1−α)置信区间σ2是

(Tqn−1,(1−α)/2,Tqn−1,α/2),
其中qk,a是具有 k个自由度的卡方的a级分位数。当然,对于任何 μ都成立。虽然这是最流行的间隔(出于明显的原因称为等尾间隔),但它既不是唯一的间隔,也不是宽度最小的间隔!显而易见,另一个有效选择是 ( 0 ,Tkμ
(0,Tqn−1,α).

因为,,然后 ( 0 ,Σ Ñ 我= 1 X 2 我T≤∑i=1nXi2 也具有至少(1 - α )的覆盖范围。

(0,∑i=1nXi2qn−1,α),
(1−α)

鉴于此,我们可能会乐观地认为,对于,主索赔中的间隔为true 。主要区别在于,对于单个观察而言,不存在零自由度卡方分布,因此我们必须希望使用单自由度分位数将起作用。n=1

到达目的地半步(利用右尾巴)

在深入研究主要主张的证据之前,让我们首先看一下初步主张,该初步主张在统计上不那么强大或令人满意,但是也许可以为正在发生的事情提供更多的见解。您可以跳至下面的主要索赔证明,而不会造成太多(如果有)损失。在本节和下一部分中,证明(虽然有些微妙)仅基于基本事实:概率的单调性,正态分布的对称性和单峰性。

辅助权利要求:是(1 - α )为置信区间σ 2只要α > 1 / 2。这里ž α是α标准正常的-电平位数。[0,X2/zα2)(1−α)σ2α>1/2zαα

证明。和| σ ž + μ | d = | - σ ž + μ | 由对称性,所以在下文中,我们可以采取μ ≥ 0不失一般性。现在,对于θ ≥ 0和μ ≥ 0, P(| X | > θ )≥ P(X > θ )|X|=|−X||σZ+μ|=d|−σZ+μ|μ≥0θ≥0μ≥0 并因此与 θ = Ž α σ,我们可以看到, P(0 ≤ σ 2 < X 2 / Ž 2 α)≥ 1 - α

P(|X|>θ)≥P(X>θ)=P(σZ+μ>θ)≥P(Z>θ/σ),
θ=zασ 这仅适用于 α > 1 / 2,因为这是所需要的用于 Ž α > 0。
P(0≤σ2<X2/zα2)≥1−α.
α>1/2zα>0

这证明了辅助主张。虽然是说明性的,但从统计角度来看并不能满足要求,因为它需要大得惊人的才能起作用。α

证明主要主张

对以上参数进行细化可以得出适用于任意置信度水平的结果。首先,请注意 设置一个= μ / σ ≥ 0和 b =

P(|X|>θ)=P(|Z+μ/σ|>θ/σ).
a=μ/σ≥0。然后, P(| ž + 一个| > b )= Φ (一- b )+ Φ (- 一- b )b=θ/σ≥0 如果我们可以证明对于每个固定的 b,右侧的 a都增加,那么我们可以采用与前一个参数类似的参数。这至少是合理的,因为我们希望相信,如果均值增加,则我们更有可能看到一个模数超过 b的值。(但是,我们必须注意左尾质量减少的速度!)
P(|Z+a|>b)=Φ(a−b)+Φ(−a−b).
abb

集。然后 ˚F “ bfb(a)=Φ(a−b)+Φ(−a−b) 注意, ˚F ' b(0 )= 0和正 Ü, φ (Û )在减小 ü。现在,对于一个∈ (0 ,2 b ),很容易地看到, φ (一- b )≥ φ (- b )= φ (b )。一起容易地暗示这些事实 ˚F ' b(一

fb′(a)=φ(a−b)−φ(−a−b)=φ(a−b)−φ(a+b).
fb′(0)=0uφ(u)ua∈(0,2b)φ(a−b)≥φ(-b)=φ(b) 为所有一≥ 0和任何固定 b ≥ 0。
Fb′(一种)≥0
一种≥0b≥0

因此,我们已经表明,对于和b ≥ 0, P(| ž + 一个| > b )≥ P(| Ž | > b )= 2 Φ (- b )一种≥0b≥0

P(|ž+一种|>b)≥P(|ž|>b)=2Φ(-b)。

如果我们取θ = √,则可以解开所有这些θ=qασ

P(X2>qασ2)≥P(ž2>qα)=1个-α,

结束语:仔细阅读上面的论点表明,它仅使用正态分布的对称和单峰性质。因此,该方法类似地用于从任何对称单峰位置尺度族(例如柯西或拉普拉斯分布)的单次观测中获得置信区间。


哇!并希望学生在短时间内参加奥林匹克考试会想到这种论点?
— Dilip Sarwate

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@Dilip:我不知道!我不熟悉本届奥运会的形式或解决方案的预期。从字面上看,我认为斯科特基的答案是可以接受的。我对尝试弄清楚使用“非平凡的”解决方案可能会走到多远感兴趣。我自己的探索(相当少)遵循了答案中所描述的相同思路(绕了一个弯路)。很可能存在更好的解决方案。:-)
— 主教

这比“正式”解决方案要长得多,但是可以更好地限制差异,因此我将其标记为“正确”答案。我在下面发布了“官方”答案,以及一些模拟结果和讨论。谢谢@cardinal!
— 乔纳森·克里斯坦森

2
@乔纳森:谢谢。是的,我本来可以使证明更为简洁。由于这里参与者的背景广泛,我经常倾向于沉迷于额外的(或也许是过多的)细节。:-)
— 主教

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是时候跟进了!这是给我的解决方案:

我们将构造形式为的置信区间,其中T (⋅ )[0,Ť(X))Ť(⋅)

(∀μ∈[R)(∀σ>0)Pμ,σ2(σ2>Ť(X))<0.01。
ñ(μ,σ2)1个/σ2πP(|X|≤一种)≤一种/σ一种≥0
Ť≥P(|X|/σ≤Ť)=P(X2≤Ť2σ2)=P(σ2≥X2/Ť2)。
Ť=0.01Ť(X)=10000X2。

在模拟中,置信区间(非常宽)有些保守,在我将CV改变多个数量级的情况下,没有经验覆盖率(在100,000个模拟中)低于99.15%。

6300X210000X2

(0,4900X2)


1
Ť≥⋯Ť≤⋯

2
还有两点:您的解决方案可以做到 非常接近,而无需对参数进行任何更改。请注意,您可以声明P(|X|≤一种)≤2一种/σ2π。然后间隔变为(0,2X2/πα2) 对于任何 α。使用α=0.01 产量 Ť(X)≈6366.198X2 与 1个/q0.01≈6365.864在我的回答中。置信度越高(即,α),则您的方法与我的方法相比越近(尽管您的时间间隔将始终更宽)。
— 红衣主教

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第二,我没有看过这篇论文,但是我强烈怀疑 (0,4900X2)可以是有效的99%置信区间。实际上,请考虑以下形式的所有置信区间(0,bX2) 对于一些 b。然后,当μ=0,我们有 X2/σ2 恰好是具有一个自由度的卡方,所以最小 b 我们可以在这种情况下选择 b=1个/qα。换句话说,我的答案中给出的间隔是陈述形式中最窄的。
— 主教

1
我做了(疑似)错字更正。此外,pchisq(1/4900,1,lower.tail=F)在Rreturn中0.9886,与您的模拟结果非常接近(0,4900X2) 间隔。
— 红衣主教

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感谢所有评论,@ cardinal。我认为您所做的更改是正确的,尽管我以原始解决方案中的键入方式进行了键入-我猜是典型的。
— 乔纳森·克里斯滕森

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CI的 (0,∞) 想必。


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我认为这对您说出为什么不能获得有限长度的置信区间会有所帮助。
— 假设正常的2012年

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@Max我不够聪明-但问题并没有要求。
— Scortchi-恢复莫妮卡

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为此+1。问题并没有说CI的覆盖范围很小,实际上暗示它可以通过其好奇的措辞“可接受的置信区间,置信水平至少为 99%” 来接受。
— Ari B. Friedman
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