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5 O p tim a lit y R e su lt s

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Academic year: 2021

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(1)

62

5 O p tim a lit y R e su lt s

5.1

H u b e r’s M in im a x T h e o re m

aGrossErrorModelRemember:

“Robustnessisthetheoryofapproximateparametricmo-dels.”

UεhFi={(1ε)Fh.i+εHh.i|Harbitrary}

M-estimatorsintheform Rψhx,ThFiidFhxi=0areaveryflexibleclassofestimators.Everyasympt.normalestimatorisequivalenttoanM-estimator.

(2)

635.1

bTheGame

NaturechoosesadistributionFfromasetFofdistributions–e.g.F=UεhFi.

ThestatisticianchoosesafunctionψΨ

Thepayofftothestatisticianis

Khψ,Fi= R(ψ hxidFhxi) 2R(ψhxi 2dFhxi)“usually”=1/VhT,Fi.

(3)

64

Statisticianchoosesminimaxstrategy:Maximizetheminimalpayoff=minimizethemaximalvariance

AssumethatNaturegivesyoutheworstdistribution.Choosethebestestimatorforthisdistribution.Makesurethatitisatleastasgoodforotherdistributions.

NeedsaddlepointKhψ0,F0isuchthat

Khψ0,F0iKhψ0,FiFFand

Khψ0,F0iKhψ,F0iψΨ

(4)

655.1 cHuber’sTheorem(1964,Ann.Math.Statistics)Assumptions:Fisconvex,hasdensities,finiteFisherInformationIhFi= R(f hxi/fhxi) 2fhxidx

Then,(i)IfthereisF0FsuchthatIhF0iIhFiFFandψ0h.i:=f 0 h.i/fh.iΨ,then

[ψ0,F0]isthesaddlepointofthegame,

Khψ,F0iKhψ0,F0i=IhF0iKhψ0,Fi

FFandψΨ.

(5)

66(ii)Conversely,if[ψ0,F0]isasaddlepoint,and

c:c·f 0 /f0Ψ,then

IhF0iIhFiFF,F0isuniqueandψ0=c·f 0 /f0.(iii)...

(6)

675.1

dLocationModelAssume:Ghasconvexsupport,loghgiisconvex.

ThFiM-estimatorgivenbyψ: RψhxThFiidFhxi=0 asvarF hTi= RψhxThFii 2dFhxiRψ hxThFiidFhxi 2“Neighborhood”UεhFi={(1ε)F+εH}Loss=asvar.“Saddlepoint”[ψ0,F0]:

asvarFhTiminimaxonlyamongdist.sFforwhichEFhψ0i=0Solutiondefinestheproblem!

RestrictiontosymmetricFandHisnatural...but“non-robust”!

(7)

68

ψ0istheboundedversionofthemax.li.scores

ψ0hxi=minhshxi,maxhshxi,bi,bi shxi=f hxi/fhxi.“Tuningconstant”bisafunctionofallowedcontaminationε

(1ε) 1= R

bghxi≤b ghxidx+(ghx0i+ghx1i)/b

(8)

695.1 eResultforthenormallocationmodelWhenF=UεhNhµ,1ii,thenthesaddlepointisgivenbytheHuberfunctionwithatuningconstantbthatisafunctionofε,and

F0isthecorrespondingdistribution,see(3.2.e) TuningconstantsandasvarΦhTi:

εbasvarΦ0.44170.51.2630.14281.01.1070.04981.41.0470.00642.01.010

(9)

70

b

as. Varianz

0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0

0.0 1.0 1.2 1.4 1.6

0.800.500.200.100.050.01 epsilon

(10)

715.1

fConsequences

Exacttreatmentoftherobustnessquestion:“Behaviorundertheassumptionthat

XifollowapproximatelythedistributionF

1/Kmeasurestheasymptoticvariance.Whataboutbias?Biasdominatesforlargen.Asymptoticbias:ThGiThFi,G=εF+(1ε)H.

MinimaxResultforBiasisalsotreatedinHuber(1964)!Result:...

(11)

72

Trickforminimaxvarianceresult:restrictiontosymmetricdistributions!

misunderstanding:Robustmethodsareforsymmetricdistributionsonly.

Asymmetriccontaminationallowed“unavoidablebias”

RobustestimatordefinesquantitytobeestimatedforcontaminateddistributionsStillwanttobe(Fisher)consistent=asympt.unbiasedatthe“nominalmodel”Fθ.

(12)

73

5.2

H a m p e l’s O p tim a l E st im a to rs

aAsymptoticbias...ingrosserror“neighborhood”:

G=(1ε)F+εH=F+ε(HF)

ThGi=ThFi+ε RIFhx;T,Fid(HF)hxi

=ThFi+ε RIFhx;T,FidHhxi0

|ThGiThFi|εGEShT,Fi

GEShT,Fi=γ hT,Fi=supx h|IFhx;T,Fi|i

RobustestimatorboundedGES.

(13)

745.2

bOptimalityproblemAmongall(M-)estimatorswithGESaconstantγ,findtheonethatminimizes

asvarhT,Fi= RIFhx;T,Fi 2dFhxi

SearchintheclassofM-estimatorsclassofψ-functions.=Hampel’soptimalityproblem

Variationalproblem

(14)

755.2

cHampel’soptimalityproblemasapproximateminimaxproblem:

asvarGhTiasvar DhThFi+ 1n X

i IFhXi;T,Fi iE

= RIFhx;T,Gi 2dGhxi RIFhx;T,Fi 2dGhxi

=(1ε)asvarFhTi+ε RIFhx;T,Fi 2dHhxi

(1ε)asvarFhTi+εγ hT,Fi

(15)

765.2

dHampel’sLemma5Modelandassumptions:

Parametricmodel{Fθ|θΘ},Θopen,convex|R

Densityfθ >0onsetofpossibleobservationsx.

Fixθ0.DenoteF0:=fθ0 .

shx0i=hloghfθhxiii/θ|θ0 exists,and

Rshx0idF0hxi=0

FisherInformationJhF0i= Rshx0i 2dF0hxiexists

(16)

77

Lemma5

Chooseb>0.(a)Thereexistsaconstantasuchthat

eψhxi:=minhmaxhshx0ia,bi,bisatisfies ReψhxidF0hxi=0and

d:= Reψhxishx0idF0hxi>0.

(17)

78 (Lemma5,continued)This eψminimizesRψhxi 2dF0hxi .Rψhxishx0idF0hxi 2

amongallmappingsψthatsatisfyRψhxidF0hxi=0Rψhxishx0idF0hxi>0andsupx ψhxi Rψhxishx0idF0hxi γ:=b/d

Anyothersolutionofthisextremalproblemcoincideswithanonzeromultipleof eψalmosteverywhere(withrespecttoF0).

(18)

79 5.2

eInterpretation

LikeHuber’sTheorem,the“Lemma”isaboutfunctions.Noprobabilities,estimators...Interpretationforstatisticalpurposescomesnow.

Optimalityisdeterminedforafixedθ0.Onlymakessenseiftruefor“all”θ(atleastainneighborhoodofθ0).

RψhxidF0hxi=0meansFisherconsistency.(Weneedsuchacondition,sinceotherwise,thenon-random“estimator” bθhFi=θisoptimalunderallaspects...)

(19)

80

ThequantityminimizedisasvarhTi,whereTistheM-estimatordefinedbyψ.

Theexpressionsupx ...istheGESoftheestimatorandb/distheGESoftheconstructedestimator.

Wewouldprefertostartwithagivenboundγ.Butthen,theconstructionismoredifficult,because

γneedstobelargeenoughforasolutiontoexist.

(20)

815.2

fProof

aexistssinceRminhshx0ia,maxhshx0ia,bi,bidF0hxiiscontinuousinaandb>0foraandb<0fora.

d>0technical,seeHampeletal.(1986,p.118)

(21)

82

Optimality:Letψbeafunctionsatisfyingtheconditons.Then,wecanreplaceψbyd·ψ Rψhxishx0idF0hxi,thatis,wecanassume Rψhxishx0idF0hxi=dandneedtominimize Rψhxi 2dF0hxi.Denoteshx0ia=:eshxi.NotethatR(eshxiψhxi) 2dF0hxi

= Reshxi 2dF0hxi2d+ Rψhxi 2dF0hxiSincethefirst2termsonther.h.s.donotdependonψ,weminimizethel.h.s.Theintegrandisminimizedpointwiseby eψ.

Thisalsoprovesuniqueness(uptovaluesonsetswith0probability)

(22)

835.2

gApproximatelyminimalMSEMeanSquaredError

MSE=bias 2+var(ThGi) 2+n 1·as.varhT,Gi

GEShT,Fi 2+n 1·(as.varhT,Fi+...)

Forgivenεandn,necanchooseboftheHuberest.suchthatthisapproximateMSEisminimized.

“Optimal”choiceofthetuningconstant,dependingonn.

Moreprecisetreatmentneeds“ChangeofVarianceFunction”andrespective“sensitivity”,seeHampeletal(1986,Ch.2.7).

(23)

84 5.2

hExample:Log-WeibulldistributionWeibull:OftenusedinreliabilitystudiesFailuretimeorsurvivaltimeYW

0.51.01.52.02.53.0

0.0 0.4 0.8 1.2

13.15

2.68

1.14

0.63 Gamma

0.51.01.52.02.53.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

3.80

1.71

1.08

0.76 Weibull

−2−101234

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4

Gumbel

x x fhxifhxiη=η=

µ=0=1

(24)

85 FailuretimeorsurvivaltimeYWThen,X=loghYiGumbelor“extremevalue”distributionCum.d.f.Fµhxi=1exph−e zi,z= xµτDensityfµhxi=τ 1e zexph−e zi

Location-Scalefamily.Considerfixedscaleτ=1.

Optimalestimatorsforµ?exercise!

loghfµ,1hxii=ze z.Scores:shxi=e z1.Max.li.: Pi e xibµn=0exphbµi= 1n Pi exphxii.

(25)

86 Optimalestimatorsforµ?Givenb,determineasuchthat(generalformula!)Rminhmaxhshx0ia,bi,bidF0hxi

=b

0100(1)Fhcha,biiFhcha,bii

(f0hc1ha,biif0hc0ha,bii)

a(F0hc1ha,biiF0hc0ha,bii)

=0

c0ha,bi=s habi,c1ha,bi=s ha+biwheres istheinversefunctionofsh.,θ0i.Thisdefinesthefunctionahbi.

ForGumbel,s hci=logh1+ci.

(26)

87

Functionahbi:

f.ho.b2a<-function(b,distr="gumbel"){##Purpose:Hampeloptimality:calculateafromb##Arguments:b:chosenboundif(distr=="gumbel"){fd<-function(x)exp(x-exp(x))fp<-function(x)1-exp(-exp(x))fsi<-function(x)log(max(1e-20,1+x))}elsestop("notprogrammedforthisdistr.")##functionforunirootff<-function(a,b){lc0<-fsi(a-b);lc1<-fsi(a+b)b*(1-fp(lc1)-fp(lc0))-(fd(lc1)-fd(lc0))-a*(fp(lc1)-fp(lc0))}rr<-uniroot(ff,c(-1,1),b=b)rr$root}

(27)

88

12345678

−0.15 −0.10 −0.05 0.00

b

a

(28)

89

Estimatingfunction

##functionthatestimatesmufromdataxf.estgumbel0<-function(x,b){la<-f.ho.b2a(b)lf.psi<-function(x,a,b)pmin(pmax(exp(x)-1-a,-b),b)ff<-function(mu,a,b,x)sum(lf.psi(x-mu,a,b))rr<-uniroot(ff,c(-10,10),a=la,b=b,x=x)rr$root}

(29)

90

Simulation:

##Gumbelquantilesandrandomnumbersf.qgumbel<-function(p)log(-log(1-p))f.rgumbel<-function(n)f.qgumbel(runif(n))

##simulatedistributionoftheestimatorf.simgumbelest<-function(n=20,nrep=100,b=2){lx<-matrix(f.rgumbel(n*nrep),n)apply(lx,2,f.estgumbel0,b=b)}

r.simest<-f.simgumbelest(n=t.n,1000,b=2)c(n=t.n,expec=mean(r.simest),sd=lsd<-sd(r.simest),se=lsd/sqrt(length(r.simest)-1))

nexpecsdse10.0000-0.03450.35080.0111

(30)

91

Simulated distr. of opt. M−est., b = 0.5 , n = 10

estimated mu

Frequency

−1.0−0.50.00.51.0

0 50 100 150 200

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