Inequalities & Point Estimation

Normal Approximation to Binomial Distribution

若 Y∼Binomial(n,p)Y\sim Binomial(n,p)

則:

  • E(Y)=npE(Y)=np
  • Var(Y)=np(1−p)Var(Y)=np(1-p)
  • SD(Y)=np(1−p)SD(Y)=\sqrt{np(1-p)}

Normal approximation: Y≈N(np,np(1−p))Y\approx N(np,np(1-p))
標準化: Z=Y−npnp(1−p)Z=\frac{Y-np}{\sqrt{np(1-p)}}

P(Y>a)≈P(Z>a−npnp(1−p))P(Y>a)\approx P\left(Z>\frac{a-np}{\sqrt{np(1-p)}}\right)

Markov Inequality

Markov inequality 適用於 positive random variable。

若 X>0X>0 且 a>0a>0,則 P(X>a)≤E(X)aP(X>a)\le\frac{E(X)}{a}

重點:

  • 只需要 XX 為 positive random variable。
  • 只需要知道 E(X)E(X)。
  • 不需要完整 distribution。
  • 提供 tail probability 的 upper bound。

Chebyshev Inequality

Chebyshev inequality 適用於任何具有 finite mean 與 variance 的 random variable。

若 E(X)=μE(X)=\mu、Var(X)=σ2Var(X)=\sigma^2,則對 k>0k>0: P(∣X−μ∣>k)≤σ2k2P(|X-\mu|>k)\le\frac{\sigma^2}{k^2}

等價地: P(∣X−μ∣≤k)≥1−σ2k2P(|X-\mu|\le k)\ge1-\frac{\sigma^2}{k^2}

Standard Deviation Form

若距離寫成 kk 個 standard deviations: P(∣X−μ∣≥kσ)≤1k2P(|X-\mu|\ge k\sigma)\le\frac{1}{k^2}

因此: P(∣X−μ∣<kσ)≥1−1k2P(|X-\mu|<k\sigma)\ge1-\frac{1}{k^2}

Chebyshev Inequality for Sample Mean

若 X1,…,XnX_1,\ldots,X_n 為 iid sample,且:

  • E(Xi)=μE(X_i)=\mu
  • Var(Xi)=σ2Var(X_i)=\sigma^2

因為 Var(Xˉ)=σ2nVar(\bar X)=\frac{\sigma^2}{n}
所以: P(∣Xˉ−μ∣>k)≤σ2nk2P(|\bar X-\mu|>k)\le\frac{\sigma^2}{nk^2}

等價地: P(∣Xˉ−μ∣≤k)≥1−σ2nk2P(|\bar X-\mu|\le k)\ge1-\frac{\sigma^2}{nk^2}

Estimation Error

Xˉ\bar X 是 μ\mu 的 estimator,因此 ∣Xˉ−μ∣|\bar X-\mu| 可視為 estimation error。

事件 ∣Xˉ−μ∣≥k|\bar X-\mu|\ge k 表示 estimation error 至少達到事先設定的標準 kk。

Chebyshev inequality 給出: P(∣Xˉ−μ∣≥k)≤σ2nk2P(|\bar X-\mu|\ge k)\le\frac{\sigma^2}{nk^2}

Chebyshev Upper Bound 的三個因素

由 σ2nk2\frac{\sigma^2}{nk^2} 可以看出三個重要因素。

  • kk: 人為設定的標準
    • kk 小,標準較嚴格;kk 大,標準較寬鬆
    • k↑ ⇒σ2nk2↓k\uparrow~\Rightarrow\frac{\sigma^2}{nk^2}\downarrow
  • σ2\sigma^2: Population Variation
    • σ2\sigma^2 越小,population 本身變異越小
    • σ2↓ ⇒σ2nk2↓\sigma^2\downarrow~\Rightarrow\frac{\sigma^2}{nk^2}\downarrow
  • nn: Sample Size
    • n↑⇒σ2nk2↓n\uparrow\Rightarrow\frac{\sigma^2}{nk^2}\downarrow

small σ²/large n/large k 較容易讓 estimation error 保持在標準內

Tail Probability under Normality

Normal Population

若 Xi∼iidN(μ,σ2)X_i\overset{iid}{\sim}N(\mu,\sigma^2)

則任何 nn: Xˉ∼N(μ,σ2n)\bar X\sim N\left(\mu,\frac{\sigma^2}{n}\right)

所以 P(∣Xˉ−μ∣>k)=P(∣Z∣>kσ/n)P(|\bar X-\mu|>k)=P\left(|Z|>\frac{k}{\sigma/\sqrt n}\right)

Non-normal Population but Large Sample

若 population 不是 Normal,但 nn 很大,由 CLT: Xˉ≈N(μ,σ2n)\bar X\approx N\left(\mu,\frac{\sigma^2}{n}\right)

所以 P(∣Xˉ−μ∣>k)≈P(∣Z∣>kσ/n)P(|\bar X-\mu|>k)\approx P\left(|Z|>\frac{k}{\sigma/\sqrt n}\right)

Statistical Inference

以下不考

Statistical inference 主要分成:

  • Estimation
    • Point estimation
    • Interval estimation
  • Hypothesis testing

Parameter 一般記為 θ\theta,例如 population mean 可寫成 θ=μ\theta=\mu。

Point Estimator

若 θ^\hat\theta 是 sample (X1,…,Xn)(X_1,\ldots,X_n) 的函數,且用來估計未知 parameter θ\theta,則稱 θ^\hat\theta 為 point estimator。

例如:

  • Xˉ\bar X 估計 μ\mu
  • S2S^2 估計 σ2\sigma^2

Bias、Variance、MSE

  • Bias(θ^)=E(θ^)−θBias(\hat\theta)=E(\hat\theta)-\theta
    • 若 E(θ^)=θE(\hat\theta)=\theta,則稱為 unbiased estimator。
  • Var(θ^)Var(\hat\theta) 越小,通常代表 estimation precision 越高。
  • MSE(θ^)=E[(θ^−θ)2]=Bias(θ^)2+Var(θ^)MSE(\hat\theta)=E[(\hat\theta-\theta)^2]=Bias(\hat\theta)^2+Var(\hat\theta)
    • 所以 MSE 同時考慮 bias 與 variance。

Method of Moments 與 MLE

Method of Moments (MoM)

核心概念: 用 sample moments 估計 population moments。

例如使用 Xˉ\bar X 估計 E(X)E(X)。

Maximum Likelihood Estimation (MLE)

Likelihood: L(θ)=∏i=1nfθ(xi)L(\theta)=\prod_{i=1}^{n}f_\theta(x_i)

核心概念: 選擇一個 θ\theta,讓目前觀察到的 data 最合理。

即 θ^MLE=arg⁡max⁡θL(θ)\hat\theta_{MLE}=\arg\max_\theta L(\theta)

常取 log-likelihood: l(θ)=log⁡L(θ)l(\theta)=\log L(\theta)

範例:

  • Bernoulli 的 pp,MLE 為 sample proportion Xˉ\bar X
  • Poisson 的 μ\mu,MLE 為 Xˉ\bar X
  • Normal 的 μ\mu,MLE 為 Xˉ\bar X
  • Normal 的 σ2\sigma^2,MLE 分母是 nn,unbiased sample variance 分母是 n−1n-1