Média da amostra de bootstrap vs estatística da amostra


18

Digamos que eu tenha uma amostra e a amostra de bootstrap dessa amostra para um estastítico (por exemplo, a média). Como todos sabemos, esta amostra de bootstrap estima a distribuição amostral do estimador da estatística.χ

Agora, a média dessa amostra de bootstrap é uma estimativa melhor da estatística da população do que a estatística da amostra original ? Em que condições seria esse o caso?


2
A média da amostra de inicialização é a média da amostra e, nesse caso, você não precisa de uma amostra de inicialização.
— Xi'an

1
Obrigado @ Xi'an Não tenho certeza se sigo. A média da amostra de autoinicialização pode ser numericamente diferente da média da amostra. Você está tentando dizer que os dois ainda são teoricamente equivalentes? Você pode confirmar nos dois lados?
— Amelio Vazquez-Reina

2
Vamos deixar nossa terminologia clara: "amostra de inicialização" pode se referir a uma amostra específica com substituição dos dados ou a uma variável aleatória (multivariada) da qual essa amostra seria considerada uma realização. Você está certo de que a média de uma realização pode diferir da média dos dados, mas @ Xi'an fornece a observação mais relevante de que a média da variável aleatória (que por definição é a estimativa de autoinicialização da média da população ) deve coincidir com a média dos dados.
— whuber

1
Então sua pergunta é quase idêntica a stats.stackexchange.com/questions/126633/… ; a única diferença é que as realizações da amostra de inicialização podem se sobrepor, mas a análise dada na resposta é facilmente transferida para a situação da inicialização, com o mesmo resultado.
— whuber

1
Eu vejo a conexão @whuber, embora no bootstrap tenha "subconjuntos com substituição" e as realizações possam se sobrepor, como você disse. Eu imagino que a distribuição (por exemplo, pseudo-aleatoriedade) usada para obter as re-amostras no bootstrap também possa afetar o viés da estimativa da amostra do bootstrap. Talvez a resposta seja que, para todas as questões práticas, a diferença é insignificante. É disso que se trata a questão: condições, sutilezas e a diferença na prática.
— Amelio Vazquez-Reina

Respostas:


19

Vamos generalizar, de modo a focar no cerne da questão. Explicarei os mínimos detalhes para não deixar dúvidas. A análise requer apenas o seguinte:

  1. A média aritmética de um conjunto de números é definida comoz1,…,zm

    1m(z1+⋯+zm).
  2. A expectativa é um operador linear. Ou seja, quando são variáveis ​​aleatórias e são números, a expectativa de uma combinação linear é a combinação linear das expectativas,α iZi,i=1,…,mαi

    E(α1Z1+⋯+αmZm)=α1E(Z1)+⋯+αmE(Zm).

Seja uma amostra obtida de um conjunto de dados , retirando elementos uniformemente de com substituição. Deixe ser a média aritmética de . Esta é uma variável aleatória. Então( B 1 , … , B k ) x = ( x 1 , … , x n ) k x m ( B ) BB(B1,…,Bk)x=(x1,…,xn)kxm(B)B

E(m(B))=E(1k(B1+⋯+Bk))=1k(E(B1)+⋯+E(Bk))

segue pela linearidade da expectativa. Como os elementos de são todos obtidos da mesma maneira, todos têm a mesma expectativa, dizem:bBb

E(B1)=⋯=E(Bk)=b.

Isso simplifica o que precede

E(m(B))=1k(b+b+⋯+b)=1k(kb)=b.

Por definição, a expectativa é a soma dos valores ponderados pela probabilidade. Como se supõe que cada valor de tenha uma chance igual de de ser selecionado,1 / nX1/n

E(m(B))=b=E(B1)=1nx1+⋯+1nxn=1n(x1+⋯+xn)=x¯,

a média aritmética dos dados.

Para responder à pergunta, se alguém usar a média dos dados para estimar a média da população, a média da autoinicialização (que é o caso ) também será igual a e, portanto, será idêntica ao estimador da média da população . k=n ˉ xx¯k=nx¯


Para estatísticas que não são funções lineares dos dados, o mesmo resultado não é necessariamente válido. No entanto, seria errado simplesmente substituir a média de autoinicialização pelo valor da estatística nos dados: não é assim que a autoinicialização funciona. Em vez disso, comparando a média do bootstrap com a estatística dos dados , obtemos informações sobre o viés da estatística. Isso pode ser usado para ajustar a estatística original para remover o viés. Como tal, a estimativa corrigida pelo viés torna-se assim uma combinação algébrica da estatística original e a média do bootstrap. Para obter mais informações, consulte "BCa" (inicialização otimizada e corrigida e corrigida) e "ABC". A Wikipedia fornece algumas referências.


Você quer dizer que a expectativa da média do bootstrap é igual à média dos dados, não? O próprio meio de autoinicialização não é determinado pela amostra de dados (original).
— capybaralet

@ user2429920 A média de autoinicialização é uma estatística determinada pela amostra. Nesse sentido, é idêntico à média da amostra. Sua expectativa é tomada no sentido da distribuição amostral. Eu suspeito que você possa estar usando "expectativa" em um sentido diferente em relação ao processo de calcular a média de autoinicialização via subamostragem repetida com substituição.
— whuber

1
Penso que o último parágrafo é a resposta real a esta pergunta, pois é geral e não se concentra apenas na estatística média. Eu tinha a mesma dúvida que o OP e não sabia da existência do BCa. Embora a demonstração nesta resposta não tenha me ajudado muito (não estou usando a média como estatística), o último parágrafo foi muito claro sobre o cerne da questão. Eu acredito que a resposta de Xi'an também aborda o caso em que a estatística média é usada, o mesmo problema. Obrigado!
— Gabriel

1
@ Gabriel bons pontos. Eu verifiquei o registro: antes da edição, essa pergunta originalmente era feita apenas sobre a média. É por isso que as respostas parecem estar tão focadas nessa estatística.
— whuber

9

Como a distribuição de auto-inicialização é definida como a média da distribuição do bootstrap é Quando você (se for necessário) implementar uma versão de simulação dessa expectativa, ou seja, uma média de sorteios aleatórios, há variabilidade de Monte Carlo em essa aproximação de , mas sua média (a expiração da média empírica) e seu limite quando o número de simulações de bootstrap cresce até o infinito são exatamente .E F N [ X ] = 1

F^n(x)=1n∑i=1nIXi≤xXi∼iidF(x),
E F N[X] ˉ X N
EF^n[X]=1n∑i=1nXi=X¯n
EF^n[X]X¯n

2
+1 Esta é a resposta que eu originalmente queria escrever, mas temia que fosse muito opaco para alguns leitores. Ainda assim, fico feliz em vê-lo tão elegantemente apresentado. Não sei ao certo o que você quer dizer na sua última frase, onde parece diferenciar a "expectativa" da aproximação simulada à média do seu "limite": uma vez que a expectativa é constante (não varia com o tamanho da simulação) ), não há realmente nenhum limite a ser cumprido.
— whuber

@whuber: Obrigado pelo comentário e desculpe por escrever minha resposta concisa exatamente ao mesmo tempo que a sua! Suas explicações são certamente mais legíveis para iniciantes no bootstrap. Corrigi a sentença final, cuja parte limitante é a lei dos grandes números.
— Xi'an

3
Seu uso de "mau" nessa última frase é bastante ambíguo! Eu descobri isso a partir da sua pista do LLN. Para qualquer simulação finita da distribuição de inicialização, cada amostra na simulação produz sua própria média (há um significado de "média"). A média de todas as amostras em uma determinada simulação produz uma média de simulação (há outro significado). A média da simulação converge para uma constante à medida que o tamanho da simulação aumenta, que é a média da autoinicialização (um terceiro significado), e isso é igual à média da amostra (o quarto significado). (E isso estima a média da população - um quinto significado!)
— whuber
Ao utilizar nosso site, você reconhece que leu e compreendeu nossa Política de Cookies e nossa Política de Privacidade.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.