Jakie jest teoretyczne uzasadnienie dla bayesowskich wiarygodnych procedur interwałów?


20

(Aby zobaczyć, dlaczego to napisałem, sprawdź komentarze poniżej mojej odpowiedzi na to pytanie ).

Błędy typu III i teoria decyzji statystycznych

Udzielenie prawidłowej odpowiedzi na złe pytanie jest czasem nazywane błędem typu III. Statystyczna teoria decyzji jest formalizacją procesu decyzyjnego w warunkach niepewności; zapewnia ramy koncepcyjne, które mogą pomóc w uniknięciu błędów typu III. Kluczowym elementem frameworka jest funkcja straty . Przyjmuje dwa argumenty: pierwszy to (odpowiedni podzbiór) prawdziwy stan świata (np. W problemach z szacowaniem parametrów prawdziwa wartość parametru ); drugi jest elementem w zestawie możliwych działań (np. w problemach z oszacowaniem parametrów, estimateθ )θθ^). Wyjście modeluje stratę związaną z każdym możliwym działaniem w odniesieniu do każdego możliwego prawdziwego stanu świata. Na przykład w problemach z oszacowaniem parametrów niektóre dobrze znane funkcje strat to:

  • bezwzględna utrata błędówL(θ,θ^)=|θ−θ^|
  • kwadratowa utrata błędówL(θ,θ^)=(θ−θ^)2
  • Hal Varian 's LINEX lossL(θ,θ^;k)=exp⁡(k(θ−θ^))−k(θ−θ^)−1, k≠0

Analiza odpowiedzi w celu znalezienia pytania

Istnieje przypadek, w którym można próbować uniknąć błędów typu III, koncentrując się na sformułowaniu prawidłowej funkcji straty i przejściu przez resztę podejścia opartego na teorii decyzji (nie wyszczególnione tutaj). To nie jest moje krótkie - w końcu statystycy są dobrze wyposażeni w wiele technik i metod, które działają dobrze, nawet jeśli nie wywodzą się z takiego podejścia. Wydaje mi się jednak, że końcowy wynik jest taki, że zdecydowana większość statystyk nie wie i nie przejmuje się teorią decyzji statystycznych i myślę, że ich brakuje. Tym statystykom argumentowałbym, że powodem, dla którego mogą uznać teorię decyzji statystycznych za wartościową pod względem uniknięcia błędu typu III, jest to, że zapewnia ona ramy, w których można zapytać o każdą proponowaną procedurę analizy danych:z jaką funkcją straty (jeśli występuje) optymalnie radzi sobie procedura? Czyli w jakiej konkretnie sytuacji decyzyjnej stanowi najlepszą odpowiedź?

Spodziewana strata tylna

Z perspektywy bayesowskiej wystarczy funkcja straty. Możemy bardzo dużo pominąć resztę teorii decyzji - niemal z definicji, najlepszą rzeczą do zrobienia jest, aby zminimalizować posterior oczekiwana strata, to znaczy znaleźć akcję który minimalizuje .aL~(a)=∫ΘL(θ,a)p(θ|D)dθ

(A jeśli chodzi o perspektywy nie Bayesowskie? Cóż, twierdzenie częstokroć teorii decyzji - a konkretnie Twierdzenia Kompletnej Klasy Walda - że optymalnym działaniem zawsze będzie minimalizowanie bocznej oczekiwanej straty Bayesa względem niektórych (być może niewłaściwych) Trudność z tym wynikiem polega na tym, że jest to twierdzenie o istnieniu, które nie daje wskazówek co do tego, przed użyciem, ale owocnie ogranicza klasę procedur, które możemy „odwrócić”, aby dowiedzieć się, jakie dokładnie jest to pytanie, że jesteśmy w szczególności, pierwszym krokiem w odwróceniu dowolnej procedury nie bayesowskiej jest ustalenie, która (jeśli w ogóle) procedura bayesowska powiela lub przybliża.)

Hej Cyan, wiesz, że to jest strona z pytaniami i odpowiedziami, prawda?

Co prowadzi mnie - wreszcie - do pytania statystycznego. W statystyce bayesowskiej, gdy podaje się oszacowania przedziałów dla parametrów jednowymiarowych, dwie popularne procedury przedziałów wiarygodności to wiarygodny przedział oparty na kwantach i wiarygodny przedział o największej gęstości tylnej. Jakie funkcje utraty powodują te procedury?


Bardzo dobrze. Ale czy są to jedyne funkcje strat uzasadniające te procedury?
— gość

1
@Cyan >> Dziękuję za pytanie i odpowiedź na pytanie dla mnie :) Przeczytam to wszystko i głosuję za każdym razem, gdy będzie to możliwe.
— Stéphane Laurent,

4
Ciekawy cytat z teorii decyzji statystycznych Bergera i analizy bayesowskiej : „nie postrzegamy wiarygodnych zestawów jako mających wyraźną rolę teoretyczną w podejmowaniu decyzji, dlatego jesteśmy ostrożni w podejściu do„ optymalności ”wyboru wiarygodnego zestawu”
— Simon Byrne,

1
@Simon Byrne >> 1985 był dawno temu; Zastanawiam się, czy on nadal tak myśli.
— Cyan

1
@Cyan: Nie wiem, ale teoria decyzji to jedna z części statystyki bayesowskiej, która niewiele się zmieniła w ciągu ostatnich 27 lat (było kilka interesujących wyników, ale książka Bergera nadal jest standardowym odniesieniem), szczególnie w porównaniu z minimax popularności daje statystyki częste.
— Simon Byrne

Odpowiedzi:


15

W estymacji interwału jednowymiarowego zestawem możliwych działań jest zestaw uporządkowanych par określających punkty końcowe interwału. Niech element tego zestawu będzie reprezentowany przez .(a,b), a≤b

Najwyższe odstępy gęstości tylnej

Niech tylna gęstość będzie . Najwyższe przedziały gęstości tylnej odpowiadają funkcji straty, która karze przedział, który nie zawiera prawdziwej wartości, a także penalizuje przedziały proporcjonalnie do ich długości:f(θ)

LHPD(θ,(a,b);k)=I(θ∉[a,b])+k(b–a),0<k≤maxθf(θ) ,

gdzie jest funkcją wskaźnika . Daje to oczekiwaną utratę tylnejI(⋅)

L~HPD((a,b);k)=1−Pr(a≤θ≤b|D)+k(b–a) .

Ustawienie daje warunek konieczny dla lokalne optimum we wnętrzu przestrzeni parametrów: - dokładnie reguła dla przedziałów HPD, zgodnie z oczekiwaniami.f(a)=f(b)=k∂∂aL~HPD=∂∂bL~HPD=0f(a)=f(b)=k

Forma daje pewien wgląd w to, dlaczego przedziały HPD nie są niezmienne dla monotonicznego wzrostu parametru. -kosmiczna HPD przedział przekształcony przestrzeni jest różne od -kosmiczna HPD przedział ponieważ dwa okresy odpowiadają różne funkcje straty: the -kosmiczna HPD odstęp odpowiada kara za przekształconą długość .g(θ)θg(θ)g(θ)g(θ)k(g(b)-g(a))L~HPD((a,b);k)g(θ)θg(θ)g(θ)g(θ)k(g(b)–g(a))

Wiarygodne przedziały oparte na kwantach

Rozważ oszacowanie punktu za pomocą funkcji straty

Lq(θ,θ^;p)=p(θ^−θ)I(θ<θ^)+(1−p)(θ−θ^)I(θ≥θ^), 0≤p≤1 .

Następna oczekiwana strata to

L~q(θ^;p)=p(θ^−E(θ|θ<θ^,D))+(1−p)(E(θ|θ≥θ^,D)−θ^) .

Ustawienie daje niejawne równanieddθ^L~q=0

Pr(θ<θ^|D)=p ,

to znaczy optymalny jest % kwantylem rozkładu tylnego, zgodnie z oczekiwaniami. (100s)θ^(100p)

Tak więc, aby uzyskać oszacowania przedziałów oparte na kwantylu, funkcją straty jest

LqCI(θ,(a,b);pL,pU)=Lq(θ,a;pL)+Lq(θ,b;pU) .


1
Innym sposobem na zmotywowanie tego jest ponowne zapisanie funkcji straty jako (ważonej) sumy szerokości przedziału powiększonej o ewentualną odległość, o jaką przedział nie pokrywa prawdziwej . θ
— gość

Czy istnieje inny sposób myślenia o interwałach opartych na kwantach, które nie odnoszą się bezpośrednio do kwantyli ani długości interwału. Miałem nadzieję na coś w rodzaju „interwał kwantylu maksymalizuje / minimalizuje średnią / minimum / maksimum / itd. Coś-miary”
— Rasmus Bååth,

@ RasmusBååth, w zasadzie pytasz: „jakie są niezbędne warunki dla funkcji straty dla interwałów kwantowych, aby być rozwiązaniem dla minimalizacji oczekiwanej straty tylnej?” Moją intuicją, po prostu ze sposobu, w jaki matematyka działa w kierunku do przodu, jest to, że to w zasadzie wszystko. Jednak tego nie udowodniłem.
— Cyan

Nie jestem więc pewien funkcji utraty, ale znam procedurę, która w zależności od funkcji utraty punktu spowoduje HPD lub interwał kwantylu. Zakładam, że masz próbek losowych remisu z tylnej. 1. Wybierz punkt o najniższej utracie tylnej i dodaj ten punkt do odstępu. 2. Usuń ten punkt z , z powodu tego zdejmowania tylnej strata dla pozostałych punktów w może teraz zmiana (w zależności od ). 3. Bądź szczęśliwy, jeśli interwał ma wymagany zasięg, w przeciwnym razie powtórz od (1). L = L0 daje HPD, L = L1 daje interwał kwantylu. s s s s LLssssL
— Rasmus Bååth

5
tylko wspominając, że sekcja 5.5.3 Bayesian Choice obejmuje oparte na stratach wyprowadzanie wiarygodnych zestawów ...
— Xi'an

1

Odstępy minimalnego rozmiaru

Jednym oczywistym wyborem funkcji straty do wyboru przedziału (zarówno bayesowskiego, jak i częstokształtnego) jest użycie wielkości przedziałów mierzonych w kategoriach rozkładów krańcowych. Dlatego zacznij od żądanej właściwości lub funkcji straty i uzyskaj optymalne odstępy czasu. Tak się zwykle nie dzieje, czego przykładem jest niniejsze pytanie, nawet jeśli jest to możliwe. W przypadku wiarygodnych zbiorów bayesowskich odpowiada to zminimalizowaniu wcześniejszego prawdopodobieństwa interwału lub maksymalizacji względnego przekonania, np. Jak przedstawiono w Evans (2016). Rozmiar może być również wykorzystany do wybrania częstych zestawów zaufania (Schafer 2009). Oba podejścia są powiązane i można je dość łatwo wdrożyć za pomocą reguł decyzyjnych, które preferencyjnie obejmowały decyzje z dużymi punktowymi informacjami obustronnymi (Bartels 2017).

Bartels, C., 2017. Wykorzystanie wcześniejszej wiedzy w testach częstych. figshare. https://doi.org/10.6084/m9.figshare.4819597.v3

Evans, M., 2016. Mierzenie dowodów statystycznych przy użyciu względnego przekonania. Czasopismo o biotechnologii obliczeniowej i strukturalnej, 14, s. 91–96.

Schafer, CM i Stark, PB, 2009. Konstruowanie regionów zaufania o optymalnej oczekiwanej wielkości. Journal of the American Statistics Association, 104 (487), str. 1080-1089.


Widzę, że cytujesz sugestię Evansa według Keitha O'Rourke'a ( andrewgelman.com/2016/07/07/17/… ). Naprawdę lubię rzeczy Evansa.
— Cyjan

Bardzo się cieszę, że Keith poinformował mnie o pracy, która zaczyna się inaczej, ale kończy się na podobnych wnioskach! Ważne, aby to cytować.
— user36160
Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.