数学——Unbiased Estimation

在很久之前学习概率论的时候呢,有这么一个比较奇怪的地方,方差的无偏估计: σ2=1n1i=1n(XiX¯)2 \sigma^2 = \frac{1}{n-1}\sum_ {i=1}^n(X_i - \overline X)^2

X¯=1nXi\overline X = \frac 1 n X_i,这里无偏估计是1n1\frac{1}{n-1}总感觉有点反直觉。这篇文章就是想介绍一下无偏估计,以及这个(n1)(n-1)是从何而来的。 无偏估计的定义是这样:如果t̂\hat ttt的一个无偏估计,那么$E[t] =t ..其实从通俗意义上来理解,就是以t有偏差,但是这个偏差是以t$为中心的。可以想象一个打靶的过程,你实际打的地方就是你瞄准的地方的无偏估计,前提是你可能打上打左打右打下等等。如果你瞄准的就不是靶心,那么你打的地方就不是靶心的无偏估计了。

现在来说明一些比较简单的无偏估计,它是我们推导的前提。

假如X1,X2,...,XnX_1,X_2,...,X_n是对X的独立随机采样,那么,μ\mu是X的均值,σ2\sigma^2是X的方差。 E[Xi]=μ \begin{equation} E[X_i] = \mu \end{equation} E[X¯]=μ \begin{equation} E[\overline X] = \mu \end{equation} 上式中X¯=1ni=1nXi\overline X = \frac{1}{n} \sum_ {i=1}^n X_i. E[1ni=1n(Xiμ)2]=σ2 \begin{equation} E[\frac 1 n \sum_ {i=1}^n (X_i - \mu)^2] = \sigma^2 \end{equation}

上面的式子前两个都不难理解,我们可以证明一下(3): E[1ni=1n(Xiμ)2]=1ni=1nE[(Xiμ)2]=1ni=1nE[Xi22Xiμ+μ2]=1ni=1nE[X22Xμ+μ2]=1ni=1nE[(Xμ)2]=E[(Xμ)2]=σ2 \begin{aligned} E[\frac 1 n \sum_ {i=1}^n (X_i - \mu)^2] &= \frac{1}{n}\sum_ {i=1}^nE[(X_i - \mu)^2]\\ &= \frac{1}{n}\sum_ {i=1}^n E[X_i^2 - 2X_i\mu + \mu^2]\\ &= \frac{1}{n}\sum_ {i=1}^n E[X^2 - 2X\mu + \mu^2]\\ &= \frac{1}{n}\sum_ {i=1}^n E[(X - \mu)^2]\\ &= E[(X - \mu)^2] =\sigma^2 \end{aligned}

但是实际中,我们也往往无法得到μ\mu的值。想象一下,如果需要统计全世界人的平均身高,你要统计60亿人的身高才能得到精确的μ\mu,如果有个人死掉了,有个人出生了,μ\mu又变了。实际中根本不会这么做。我们一般会根据X¯\overline X来估计μ\mu。因此对于方差的估计也是用X¯\overline X来完成的。这时候就出现了诡异的式子了: E[1n1i=1n(XiX¯)2]=σ2 \begin{equation} E[\frac{1}{n-1} \sum_ {i=1}^n (X_i - \overline X)^2] = \sigma^2 \end{equation}

也就是说,$S^2 = _ {i=1}^n (X_i - X)^2 才是^2$的无偏估计。

为什么?

先给大家一个直观的理解。首先,我们知道i=1n(Xiy)2\sum_ {i=1}^n (X_i - y)^2这个式子,在y=X¯y = \overline X时候取得最大值。如果你不知道这个,很好证明,之前数据学习一篇文章中也提到过k-means clustering.

但是,我们得到的$X $多少是有些偏差的,这意味着: i=1n(XiX¯)2i=1n(Xiμ)2 \sum_ {i=1}^n (X_i - \overline X)^2 \leq \sum_ {i=1}^n (X_i - \mu)^2 也就是,我们如果这样估计: 1ni=1n(XiX¯)2 \frac{1}{n} \sum_ {i=1}^n (X_i - \overline X)^2

结果是偏小的。

但是具体要增加多少才能达到无偏估计呢?下面开始推导: E[i=1n(XiX¯)2]=E[i=1n(Xiμ(X¯μ))2]=E[i=1n((Xiμ)22(Xiμ)(X¯μ)+(X¯μ)2)]=E[i=1n(Xiμ)22(X¯μ)i=1n(Xiμ)+n(X¯μ)2]=E[i=1n(Xiμ)22(X¯μ)(nX¯nμ)+n(X¯μ)2]=E[i=1n(Xiμ)2n(X¯μ)2]=nσ2nE[(X¯μ)2] \begin{aligned} E[\sum_ {i=1}^n (X_i - \overline X)^2] &=E[\sum_ {i=1}^n(X_i - \mu -(\overline X - \mu))^2]\\ &= E[\sum_ {i=1}^n ((X_i - \mu)^2 - 2(X_i - \mu)(\overline X - \mu) + (\overline X - \mu)^2)]\\ &= E[\sum_ {i=1}^n (X_i - \mu)^2 - 2(\overline X - \mu)\sum_ {i=1}^n(X_i - \mu) + n(\overline X - \mu)^2 ]\\ &= E[\sum_ {i=1}^n (X_i - \mu)^2 - 2(\overline X - \mu)(n\overline X - n\mu) + n(\overline X - \mu)^2 ]\\ &= E[\sum_ {i=1}^n (X_i - \mu)^2 - n(\overline X - \mu)^2 ]\\ &= n\sigma^2 - nE[(\overline X - \mu)^2 ] \end{aligned}

现在我们想要弄明白的是:E[(X¯μ)2]=?E[(\overline X - \mu)^2 ] = ? E[(X¯μ)2]=E[(1ni=1nXiμ)2]=E[(1n(i=1nXinμ))2]=E[1n2(i=1n(Xiμ))2]=1n2E[i=1n(Xiμ)22ij(Xiμ)(Xjμ)]=1n2(E[i=1n(Xiμ)2]2ijE[(Xiμ)(Xjμ)])=1n2(E[i=1n(Xiμ)2]2ijE[(Xiμ)]E[(Xjμ)])=1n2(E[i=1n(Xiμ)2])=1nσ2 \begin{aligned} E[(\overline X - \mu)^2 ] &= E[(\frac 1 n \sum_ {i=1}^n X_i - \mu)^2]\\ &= E[(\frac 1 n (\sum_ {i=1}^n X_i - n\mu))^2]\\ &=E[\frac{1} {n^2} (\sum_ {i=1}^n (X_i - \mu))^2]\\ &= \frac{1}{n^2}E[\sum_ {i=1}^n (X_i-\mu)^2 - 2\sum_ {i\ne j}(X_i - \mu)(X_j - \mu)]\\ &= \frac{1}{n^2}(E[\sum_ {i=1}^n (X_i-\mu)^2] - 2\sum_ {i\ne j}E[(X_i - \mu)(X_j - \mu)])\\ &= \frac{1}{n^2}(E[\sum_ {i=1}^n (X_i-\mu)^2] - 2\sum_ {i\ne j}E[(X_i - \mu)]E[(X_j - \mu)])\\ &= \frac{1}{n^2}(E[\sum_ {i=1}^n (X_i-\mu)^2])\\ &= \frac 1 n \sigma^2 \end{aligned}

上式中倒数第一步由(3)式得到,倒数第三步是因为我们采样是独立的。

所以我们得到: E[i=1n(XiX¯)2]=(n1)σ2 E[\sum_ {i=1}^n (X_i - \overline X)^2] = (n-1)\sigma^2

这也就证明了,对于方差的无偏估计是S2S^2,其中: S2=1n1i=1n(XiX¯)2 S^2 = \frac{1}{n-1} \sum_ {i=1}^n (X_i - \overline X)^2

下面我们将这个拓展到多维度变量的协方差矩阵。多维度变量XnX \in \mathbb{R}^n协方差矩阵的定义为: Cov(X)E[(Xμ)(Xμ)T] Cov(X) \triangleq E[(X-\mu)(X-\mu)^T]

现在假设有m个采样,而这些采样的平均值为μ̂\hat \mu.

现在我们证明Ĉ\hat CΣ=Cov(X)\Sigma = Cov(X)的无偏估计。其中: Ĉ=1m1E[i=1m(Xiμ̂)(Xiμ̂)T]. \hat C = \frac{1}{m-1}E[\sum_ {i=1}^m(X_i - \hat \mu)(X_i - \hat \mu)^T]. 实际上证明是大同小异的,幸运的是矩阵的多数运算都和标量非常相似。 E[Ĉ]=1m1E[i=1m(Xiμ̂)(Xiμ̂)T]=1m1i=1mE[(Xiμ̂)(Xiμ̂)T]=1m1i=1mE[(Xiμ+μμ̂)(Xiμ+μμ̂)T]=1m1i=1mE[(Xiμ)(Xiμ)T+2(Xiμ)(μμ̂)T+(μμ̂)(μμ̂)T]=1m1(i=1mE[(Xiμ)(Xiμ)T]+i=1mE[2(Xiμ)(μμ̂)T+(μμ̂)(μμ̂)T])=1m1(mΣ+E[i=1m2(Xiμ)(μμ̂)T+m(μμ̂)(μμ̂)T])=1m1(mΣ+E[2m(μ̂μ)(μμ̂)T+m(μμ̂)(μμ̂)T])=1m1(mΣmE[(μ̂μ)(μ̂μ)T]) \begin{aligned} E[\hat C]&= \frac{1}{m-1}E[\sum_ {i=1}^m(X_i - \hat \mu)(X_i - \hat \mu)^T]\\ &=\frac{1}{m-1}\sum_ {i=1}^mE[(X_i - \hat \mu)(X_i - \hat \mu)^T]\\ &=\frac{1}{m-1}\sum_ {i=1}^mE[(X_i - \mu + \mu - \hat \mu)(X_i - \mu + \mu - \hat \mu)^T]\\ &= \frac{1}{m-1}\sum_ {i=1}^m E[(X_i - \mu)(X_i - \mu)^T + 2 (X_i - \mu)(\mu - \hat \mu)^T + (\mu - \hat \mu)(\mu - \hat \mu)^T]\\ &= \frac{1}{m-1}\left(\sum_ {i=1}^m E[(X_i - \mu)(X_i - \mu)^T] + \sum_ {i=1}^m E[2 (X_i - \mu)(\mu - \hat \mu)^T + (\mu - \hat \mu)(\mu - \hat \mu)^T]\right)\\ &= \frac{1}{m-1} (m\Sigma + E[\sum_ {i=1}^m 2(X_i - \mu)(\mu - \hat \mu)^T + m(\mu - \hat \mu)(\mu - \hat \mu)^T])\\ &= \frac{1}{m-1} (m\Sigma + E[2m(\hat\mu - \mu)(\mu - \hat \mu)^T + m(\mu - \hat \mu)(\mu - \hat \mu)^T])\\ &= \frac{1}{m-1}(m \Sigma - mE[(\hat \mu - \mu)(\hat \mu - \mu)^T])\\ \end{aligned}

而其中: E[(μ̂μ)(μ̂μ)T]=E[(1mi=1mXiμ)(1mi=1mXiμ)T]=1m2E[(i=1m(Xiμ))(i=1m(Xiμ))T]=1m2E[i=1m(Xiμ)(Xiμ)T+2ij(Xiμ)(Xjμ)]=1m2(mΣ+2ijE[Xiμ]E[Xjμ])=1m2(mΣ+0)=1mΣ \begin{aligned} E[(\hat \mu - \mu)(\hat \mu - \mu)^T] &= E[(\frac{1}{m}\sum_ {i=1}^m X_i - \mu)(\frac{1}{m}\sum_ {i=1}^mX_i - \mu)^T]\\ &= \frac{1}{m^2}E[(\sum_ {i=1}^m(X_i - \mu))(\sum_ {i=1}^m(X_i - \mu))^T]\\ &=\frac{1}{m^2} E[\sum_ {i=1}^m (X_i - \mu)(X_i - \mu)^T + 2\sum_ {i\ne j}(X_i - \mu)(X_j - \mu )]\\ &=\frac{1}{m^2}(m\Sigma + 2\sum_ {i\ne j} E[X_i - \mu] E[X_j-\mu])\\ &=\frac{1}{m^2}(m\Sigma + 0)\\ &= \frac{1}{m}\Sigma \end{aligned}

所以我们得到: E[Ĉ]=1m1(m1)Σ=Σ.E[\hat C] = \frac{1}{m-1}(m-1)\Sigma = \Sigma.