Por que a matriz de informações de Fisher é semidefinida positiva?


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Seja θ∈Rn . A Matriz de Informações de Fisher é definida como:

I(θ)i,j=−E[∂2log⁡(f(X|θ))∂θi∂θj|θ]

Como posso provar que a Matriz de informações de Fisher é semidefinida positiva?


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Não é o valor esperado de um produto externo da pontuação consigo?
— Neil G

Respostas:


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Confira: http://en.wikipedia.org/wiki/Fisher_information#Matrix_form

A partir da definição, temos

Iij=Eθ[(∂ilog⁡fX∣Θ(X∣θ))(∂jlog⁡fX∣Θ(X∣θ))],
parai,j=1,…,k , em que∂i=∂/∂θi . Sua expressão paraIij segue desta em condições de regularidade.

u=(u1,…,uk)⊤∈Rn

∑i,j=1kuiIijuj=∑i,j=1k(uiEθ[(∂ilog⁡fX∣Θ(X∣θ))(∂jlog⁡fX∣Θ(X∣θ))]uj)=Eθ[(∑i=1kui∂ilog⁡fX∣Θ(X∣θ))(∑j=1kuj∂jlog⁡fX∣Θ(X∣θ))]=Eθ[(∑i=1kui∂ilog⁡fX∣Θ(X∣θ))2]≥0.

If this component wise notation is too ugly, note that the Fisher Information matrix H=(Iij) can be written as H=Eθ[SS⊤], in which the scores vector S is defined as

S=(∂1log⁡fX∣Θ(X∣θ),…,∂klog⁡fX∣Θ(X∣θ))⊤.

Hence, we have the one-liner

u⊤Hu=u⊤Eθ[SS⊤]u=Eθ[u⊤SS⊤u]=Eθ[||S⊤u||2]≥0.


3
(+1) Good answer and welcome back, Zen. I was becoming concerned we might have lost you permanently given the length of your hiatus. That would have been a real shame!
— cardinal

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WARNING: not a general answer!

If f(X|θ) corresponds to a full-rank exponential family, then the negative Hessian of the log-likelihood is the covariance matrix of the sufficient statistic. Covariance matrices are always positive semi-definite. Since the Fisher information is a convex combination of positive semi-definite matrices, so it must also be positive semi-definite.

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