유한 분산과 무한 분산의 차이점은 무엇입니까


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유한 분산과 무한 분산의 차이는 무엇입니까? 내 통계 지식은 다소 기본입니다. Wikipedia / Google은 그다지 도움이되지 않았습니다.


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무한 분산을 갖는 분포는 꼬리 가 무겁습니다 . 많은 특이 치가 있으며 보는 데 사용되는 것과 다른 특성을 가질 수 있습니다. 예를 들어, Cauchy 분포 에서 추출한 표본의 표본 평균은 개별 표본과 동일한 (Cauchy) 분포를 갖습니다. 이것은 샘플 평균이 개별 샘플보다 더 나은 "추정기"라는 일반적인 믿음과는 상당히 다릅니다.
— Dilip Sarwate

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아니요, 두꺼운 꼬리 는 무한한 분산을 갖는 것과 같지 않거나 적어도 내 견해로는 다릅니다. 그러나 나는 통계학자가 아니므로이 포럼에서 순위가 ​​높은 사용자의 권위있는 답변을 기다려야합니다.
— Dilip Sarwate

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무한 분산은 모집단 분산을 정의하는 적분 (합계)이 한계를 초과하여 유한 경계를 초과하여 증가 할 때 발생합니다. 여기에
— Glen_b -Reinstate Monica

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가장 중요한 것은, 대부분의 중앙 제한 정리가 그러한 인구 집단에 대해 유지하지 못하기 때문에 일반적인 결과는 무너질 것이라고 생각합니다.
— Henry.L

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중요 포인트 : (A)의 분산 경우 인구는 무한하지만,의 분산 샘플 유한, 다음과 같은 샘플 통계를 사용 인구의 분산이나 표준 편차의 추정 , 또는 다음 은 다소 치우친 편입니다. 너무 많은 테스트 통계는 효과의 추정 표준 오차에 대해 정규화 된 효과 측정 값을 기반으로하기 때문에 많은 CI가 추정 된 표준 오류에 의한 스케일링을 기반으로하므로 무한 분산을 갖는 변수에 대한 통계적 추론 가능성 이 있음을 의미합니다 오히려 심각하게 편향되어 있습니다. 의 의s2ssn
— Alexis

답변:


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랜덤 변수가 "무한 분산"을 갖는 것은 무엇을 의미합니까? 랜덤 변수가 무한한 기대를 갖는 것은 무엇을 의미합니까? 두 경우 모두에 대한 설명은 다소 유사하므로 기대 사례부터 시작한 다음 그 이후에 차이를 보도록합시다.

연속 랜덤 변수 (RV)라고 합시다 (우리의 결론은 더 일반적으로 유효합니다. 박람회를 단순화하려면 이라고 가정하십시오 .X ≥ 0XX≥0

그 적분 은 적분이 존재할 때, 즉 유한 인 적분 의해 정의됩니다 . 그렇지 않으면 우리는 기대가 존재하지 않는다고 말합니다. 그것은 부적절한 적분이며, 정의상 그 한계가 유한하기 위해서는 꼬리로부터의 기여는 사라져야한다. 즉, 우리는 이어야한다. 인 . 위에 표시된 조건에 따르면 (오른쪽) 꼬리의 기대에 대한 기여는 사라져야합니다.∫ ∞ 0 x f ( x )

E⁡X=∫0∞xf(x)dx
림 a → ∞ ∫ ∞ a x f ( x )
∫0∞xf(x)dx=lima→∞∫0axf(x)dx
lim x → ∞ x f ( x ) = 0
lima→∞∫a∞xf(x)dx=0
limx→∞xf(x)=0. 그렇지 않은 경우, 예상되는 것은 실제로 큰 실현 가치의 기여에 의해 결정됩니다 . 실제로, 그것은 경험적 수단이 매우 불안정하다는 것을 의미 할 것이다. 왜냐하면 그것들 은 매우 큰 실현 가치에 의해 지배 되기 때문이다 . 그리고 샘플 수단의 이러한 불안정성은 큰 샘플에서 사라지지 않을 것입니다. --- 모델의 내장 부분입니다!

많은 상황에서 그것은 비현실적으로 보입니다. (생명) 보험 모델을 말하면, (인간) 생애를 모델링합니다. 우리는 이 발생하지 않는다는 것을 알고 있지만 실제로는 상한이없는 모델을 사용합니다. 그 이유는 분명합니다. 단단한 상한은 알려져 있지 않습니다. 사람이 110 세라면 1 년을 더 살 수없는 이유는 없습니다! 따라서 상한이 어려운 모델은 인공적인 것 같습니다. 그럼에도 불구하고 우리는 극단적 인 상단 꼬리가 많은 영향을 미치지 않기를 바랍니다.X > 1000XX>1000

에 유한 한 기대가있는 경우 모델에 과도한 영향을주지 않으면 서 모델을 상한으로 크게 변경할 수 있습니다. 퍼지 상한이있는 상황에서는 양호 해 보입니다. 모델에 무한한 기대가 있다면, 모델에 도입 된 모든 상한선은 극적인 결과를 초래할 것입니다! 그것이 무한한 기대의 진정한 중요성입니다.엑스

유한 한 기대로 상한에 대해 애매 모호 할 수 있습니다. 무한한 기대로 우리는 할 수 없습니다 .

이제 무한 분산에 대해 거의 동일하게 말할 수 있습니다.

더 명확하게하기 위해 예를 보자. 예를 들어, R 패키지 (CRAN)에서 구현 된 Pareto 분포를 pareto1 --- 단일 매개 변수 Pareto 분포 (Pareto type 1 분포라고도 함)로 사용합니다. 그것은 일부 매개 변수의 . 경우 기대가 존재 주어진다 . 때 기대는 존재하지 않는, 또는 우리가 말할로 정의 적분이 무한대로 발산하기 때문에, 그것은 무한하다. 첫 모멘트 분포를 정의 할 수 있습니다m>0,α>0α>1α

에프(엑스)={α엠α엑스α+1,엑스≥엠0,엑스<엠
엠>0,α>0α>1α≤1E(M)=∫ M m xf(x)αα−1⋅엠α≤1(이후 참조 ? 오히려 분위수 중앙값보다 내측을 우리 tantiles을 사용하는 경우와 같은 일부 정보와 참조 용) (예상 자체가 존재하는지 여부에 관계없이 존재 함) (나중에 편집 : 나는 "첫 번째 순간 분포"라는 이름을 발명했고, 나중에 이것이 "공식적으로" 부분적인 순간 이라는 것과 관련이 있다는 것을 알게되었다 ).
이자형(엠)=∫엠엠엑스에프(엑스)디엑스=αα−1(엠−엠α엠α−1)

기대 값이 존재하면 ( ) 일체 형성 기대 천천히 수렴 할 기대 "겨우 존재"되도록, 약간은 1보다 큰 비트 불과하다. 예제를 보자 . R의 도움으로 을 플로팅하자 :E r ( M ) = E ( m ) / E ( ∞ ) = 1 − ( mα>1αm=1,α=1.2Er(M)

이자형아르 자형(엠)=이자형(엠)/이자형(∞)=1−(엠엠)α−1
α엠=1,α=1.2이자형아르 자형(엠)
### Function for opening new plot file:
open_png  <-  function(filename) png(filename=filename,
                                     type="cairo-png")

library(actuar) # from CRAN
### Code for Pareto type I distribution:
# First plotting density and "graphical moments" using ideas from http://www.quantdec.com/envstats/notes/class_06/properties.htm   and used some times at cross validated

m  <-  1.0
alpha <- 1.2
# Expectation:
E   <-  m * (alpha/(alpha-1))
# upper limit for plots:
upper  <- qpareto1(0.99, alpha, m)   
#
open_png("first_moment_dist1.png")
Er  <- function(M, m, alpha) 1.0 - (m/M)^(alpha-1.0)
### Inverse relative first moment distribution function,  giving
#   what we may call "expectation quantiles":
Er_inv  <-   function(eq, m, alpha) m*exp(log(1.0-eq)/(1-alpha))     

plot(function(M) Er(M, m, alpha), from=1.0,  to=upper)
plot(function(M) ppareto1(M, alpha, m), from=1.0,  to=upper, add=TRUE,  col="red")
dev.off()

이 플롯을 생성합니다 :

여기에 이미지 설명을 입력하십시오

예를 들어,이 도표에서 당신은 기대에 기여의 약 50 %가 기대 감안할 (40)의 주위에 위의 관찰에서 오는 것을 읽을 수 있습니다 놀라게하다,이 분포는 6입니다! (이 분포에는 기존 분산이 없습니다.이를 위해서는 가 필요합니다 ).α > 2μα>2

위에서 정의 된 Er_inv 함수는 Quantile 함수와 유사한 역 상대적인 첫 번째 모멘트 분포입니다. 우리는 :

> ### What this plot shows very clearly is that most of the contribution to the expectation come from the very extreme right tail!
# Example   
eq  <-  Er_inv(0.5, m, alpha)
ppareto1(eq, alpha, m)
eq

> > > [1] 0.984375
> [1] 32
> 

이것은 기대치에 대한 기여의 50 %가 분포의 1.5 % 상단에서 나온다는 것을 보여줍니다! 따라서 특히 극단 꼬리가 표시되지 않을 확률이 높은 작은 표본의 경우 산술 평균은 여전히 ​​기대치 bias의 예상치 않은 추정량 이지만 매우 치우친 분포를 가져야합니다. 시뮬레이션을 통해이를 조사 할 것입니다. 먼저 표본 크기 합니다.n = 5μ엔=5

set.seed(1234)
n  <-  5
N  <-  10000000  # Number of simulation replicas
means  <-  replicate(N,  mean(rpareto1(n, alpha, m) ))


> mean(means)
[1] 5.846645
> median(means)
[1] 2.658925
> min(means)
[1] 1.014836
> max(means)
[1] 633004.5
length(means[means <=100])
[1] 9970136

읽기 쉬운 플롯을 얻으려면 샘플의 일부인 100 이하의 값으로 샘플 부분에 대한 히스토그램 만 표시합니다. 이는 샘플의 매우 큰 부분입니다.

open_png("mean_sim_hist1.png")
hist(means[means<=100],  breaks=100, probability=TRUE)
dev.off()

여기에 이미지 설명을 입력하십시오

산술 수단의 분포는 매우 왜곡되어 있습니다.

> sum(means <= 6)/N
[1] 0.8596413
> 

경험적 수단의 거의 86 %가 이론적 평균 인 기대치보다 작거나 같습니다. 평균에 대한 대부분의 기여는 대부분의 표본에서 나타내지 않는 극단적 인 상단 꼬리에서 비롯되기 때문에 우리가 기대하는 것입니다 .

이전 결론을 다시 평가해야합니다. 평균의 존재로 인해 상한에 대한 퍼지가 가능해 지지만, "평균이 거의 존재하지 않을 때", 적분이 천천히 수렴한다는 것을 알 수 있습니다 . 느리게 수렴 된 적분은 예상이 존재한다고 가정하지 않는 방법을 사용하는 것이 더 나을 수 있습니다 . 적분이 매우 느리게 수렴 할 때 실제로는 전혀 수렴하지 않는 것처럼됩니다. 수렴 적분에서 따르는 실질적인 이점은 천천히 수렴되는 경우에 키메라입니다! 이것이 http://fooledbyrandomness.com/complexityAugust-06.pdf 에서 NN Taleb의 결론을 이해하는 한 가지 방법입니다.


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환상적인 답변.
— Karl

2

분산은 랜덤 변수의 값 분포의 분산 측정입니다. 이는 유일한 측정 방법이 아닙니다. 예를 들어 평균 절대 편차는 대안 중 하나입니다.

무한 분산은 임의의 값이 평균에 너무 집중되지 않는 경향이 있음을 의미 합니다. 그것은 다음 난수 가 평균에서 매우 멀리 떨어질 가능성이 충분히 크다는 것을 의미 할 수 있습니다 .

정규 (가우시안)과 같은 분포는 평균에서 아주 멀리 떨어진 임의의 숫자를 생성 할 수 있지만 이러한 사건의 확률은 편차의 크기에 따라 매우 빠르게 감소 합니다.

이와 관련하여 Cauchy 분포 또는 Gaussian (정규) 분포의 플롯을 볼 때 시각적으로 크게 다르지 않습니다. 그러나 Cauchy 분포의 분산을 계산하려고하면 무한대가되는 반면 가우시안은 유한합니다. 따라서 정규 분포는 Cauchy에 비해 평균에 비해 더 빡빡합니다.

Btw, 수학자에게 이야기하면, 그들은 Cauchy 분포가 잘 정의 된 평균을 가지고 있지 않다고 주장합니다. 이것은 코시의 대칭 적이라는 사실을 지적하는 물리학 자들에게는 말도 안되는 소리로 들리므로 의미가 있습니다. 이 경우 그들은 문제가 Cauchy의 분포가 아니라 평균의 정의에 있다고 주장합니다.


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수학자 및 물리학 자에 대해 확신하십니까? 내 인상은 물리학이 그러한 것들에 대해 매우 엄격한 것 일 수 있다는 것입니다! 내 대답을 참조하십시오. 느린 수렴은 가치가 거의 없습니다! 또한 수학자는 코시가 무한 평균을 가지고 있다고 말하지 않을 것입니다. 적분을 정의하는 적절한 한계는 두 꼬리로 나뉘 기 때문에 단순히 존재하지 않습니다. 기대가 또는 경우 발산이 한쪽 꼬리에만있을 때만 의미가 있습니다. − ∞∞−∞
— kjetil b halvorsen

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@kjetilbhalvorsen, "수학자는 Cauchy가 무한한 평균을 가지고 있다고 말하지 않을 것입니다."-그 정의가 잘 정의되지 않았다는 것은 통계 전문가가 말한 것과 정확히 같으며, 이론 물리학 고문은 평균에 대한 질문조차도 놀랐습니다. "물론 그것은 0이고, 만약 당신이 동의하지 않는다면 당신의 평균에 대한 정의에 문제가 있습니다"
— Aksakal

평균에 대한 그의 정의에 대해 그에게 물었습니까?
— kjetil b halvorsen

@kjetilbhalvorsen, 수학 교수에 대해 이야기하는 경우 Riemann 통합. 그의 주장은 Riemann 합계에서는 특정 순서의 합 또는 합의 분할을 정의하지 않으므로 합은 무한대라는 것입니다. 물리학 자의 지적은 대칭이며, 분명히 "0이어야한다"
— Aksakal

1
그러면 평균이 아니라 중앙값을 정의했다고 말할 수 있습니다.
— kjetil b halvorsen

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보는 다른 방법은 Quantile 함수입니다.

큐(에프(엑스))=엑스

그런 다음 순간이나 기대치를 계산할 수 있습니다

이자형(티(엑스))=∫−∞∞티(엑스)에프(엑스)디엑스

에프(엑스)디엑스=디에프

이자형(티(엑스))=∫01티(큐(에프))디에프

티(엑스)=엑스엑스=0티(엑스)<0엑스=0π

코시 대 정상

이미지의 곡선은 각 Quantile이 계산에 얼마나 기여하는지 보여줍니다.

티(큐(에프))

이 무한대 자체는 거리 자체 (평균) 또는 제곱 거리 (분산)가 무한해질 수 있기 때문에 그리 이상하지 않을 수 있습니다. 그것은 무한한 꼬리가 얼마나 많은 무게 , F의 몇 퍼센트를 가지고 있는지에 대한 질문 일뿐 입니다.

0으로부터의 거리 (평균) 또는 평균 (분산)으로부터의 제곱 거리의 합산 / 통합에서 멀리 떨어진 단일 점은 근처의 많은 점보다 평균 거리 (또는 제곱 거리)에 더 많은 영향을 미칩니다.

따라서 우리가 무한으로 갈 때 밀도는 감소 할 수 있지만 거리 또는 제곱 거리와 같은 일부 (증가) 수량의 합에 대한 영향은 반드시 변하지는 않습니다.

엑스2엑스∑12엔∑((2엑스)엔)212엔→∞


1

엑스

피(케이)=기음/|케이|삼케이∈지∖{0}피(0)=0기음=(2ζ(삼))−1: =(2∑케이=1∞1/케이삼)−1<∞이자형∣엑스∣ <∞2∑케이=1∞케이2/|케이|삼=2∑케이=1∞케이−1=∞

ζ(엑스): =∑케이=1∞케이−엑스


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0∞−∞
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