Propagação de erro usando a série Taylor de 2ª ordem


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Estou lendo um texto, "Estatística Matemática e Análise de Dados", de John Rice. Estamos preocupados com a aproximação do valor esperado e variância da variável aleatória . Podemos calcular o valor e a variação esperados da variável aleatória e conhecemos a relação . Portanto, é possível aproximar o valor e a variação esperados de usando a expansão da série Taylor de sobre .YXY=g(X)YgμX

Na página 162, ele lista 3 equações.

  1. O valor esperado de usando a expansão da série Taylor de 1ª ordem. É: . Isso é referido posteriormente na minha pergunta como .YμY≈g(μX)E(Y1)

  2. A variação de usando a expansão da série Taylor de 1ª ordem. É: . Isso é referido posteriormente na minha pergunta como .YσY2≈σX2(g′(μX))2Var(Y1)

  3. O valor esperado de usando a expansão da série Taylor de 2ª ordem. É . Isso é referido posteriormente na minha pergunta como E (Y_2) .YμY≈g(μX)+12σX2g″(μX)E(Y2)

Observe que existem duas expressões diferentes para Y porque estamos usando duas ordens diferentes na expansão da série Taylor. As equações 1 e 2 referem-se a Y1=g(X)≈g(μX)+(X−μX)g′(μX) . A equação 3 refere-se a Y2=g(X)≈g(μX)+(X−μX)g′(μX)+12(X−μX)2g″(μX) .

Observe que especificamente a equação para Var(Y2) não é dada. Posteriormente, o autor parece usar a equação para a variação de Y1 (Equação 2), quando na verdade ele está se referindo ao valor esperado de Y2 (Equação 3). Isso parece implicar Var(Y2)=Var(Y1) .

Tentei calcular manualmente e estou obtendo uma expressão um pouco complicada. Aqui está o meu trabalho (parei porque no final estou obtendo termos na expectativa): Var(Y2)X3

Var(Y2)=E[(g(μX)+(X−μX)a+12(X−μX)2b−g(μX)−12σX2b)2]=E[((X−μX)a+(12(X−μX)2−12σX2)b)2]=E[(ca+(12c2−12σX2)b)2]=E[c2a2+ca(c2−σX2)b+14(c2−σX2)2b2]=E[(X2−2XμX+μX2)a2+(X−μX)a((X2−2XμX+μX2)−σX2)b+14((X2−2XμX+μX2)−σX2)2b2]

Note-se que nas equações acima, , , e . O que é ?a=g′(μX)b=g″(μX)c=X−μXVar(Y2)

Obrigado.


Por que você parou em ? Como a aproximação de segunda ordem é uma função quadrática de , sua variação geralmente envolve momentos de até . O terceiro momento pode ser zero, mas o quarto momento definitivamente aparecerá e não será cancelado por nada. X3XX2⋅2=4
— whuber

Respostas:


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Supondo que , podemos derivar a variação aproximada de usando a expansão de segunda ordem de Taylor de sobre seguinte maneira:Y=g(X)Yg(X)μX=E[X]

Var[Y]=Var[g(X)]≈Var[g(μX)+g′(μX)(X−μX)+12g″(μX)(X−μX)2]=(g′(μX))2σX2+14(g″(μX))2Var[(X−μX)2]+g′(μX)g″(μX)Cov[X−μX,(X−μX)2]=(g′(μX))2σX2+14(g″(μX))2E[(X−μX)4−σX4]+g′(μX)g″(μX)(E(X3)−3μX(σX2+μX2)+2μX3)=(g′(μX))2σX2+14(g″(μX))2(E[X4]−4μXE[X3]+6μX2(σX2+μX2)−3μX4−σX4)+g′(μX)g″(μX)(E(X3)−3μX(σX2+μX2)+2μX3)

Como @whuber apontou nos comentários, este pode ser limpo um pouco, utilizando o terceiro e quarto momentos centrais da . Um momento central é definido como . Observe que . Usando essa nova notação, temos que Xμk=E[(X−μX)k]σX2=μ2

Var[Y]≈(g′(μX))2σX2+g′(μX)g″(μX)μ3+14(g″(μX))2(μ4−σX4)

Essa é a abordagem correta, mas você não esqueceu de incluir a covariância entre e ? X−μX(X−μX)2
— whuber

@whuber Sim, eu fiz. Obrigado por apontar isso. Vou editar isso em breve.
— assumednormal

Você pode economizar alguns problemas escrevendo a resposta em termos do segundo, terceiro e quarto momentos centrais , , e . Você deve obter . σ2μ3μ4σ2g′(μ)2+μ3g′(μ)g″(μ)+14(μ4−σ4)g″(μ)2
— whuber

@jrand - Minhas desculpas. Eu não sabia que você tinha isso no seu post original. Não estou excluindo minha postagem, porque demorou um pouco para ser digitada.
— assumednormal

@ Max, whuber: Obrigado pela resposta e explicação.
— jrand
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