Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2004. Т. 70,  № 1. С.54-66

УДК 519.24

 

ОПТИМАЛЬНЫЕ L-ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ СДВИГА И МАСШТАБА РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ПО ВЫБОРОЧНЫМ КВАНТИЛЯМ[1]

 

Б.Ю. Лемешко, Е.В. Чимитова[2]

 

Исследуются свойства L-оценок параметров сдвига и масштаба в виде линей­ных ком­бинаций выборочных кван­тилей. Предлагается использовать для по­строения таких оценок выборочные квантили, соответствующие асимп­то­тически опти­мальному группированию, при котором минимизируются потери в информации Фишера. Построены таблицы коэффициентов L-оценок пара­метров для ряда за­конов распределений, позволяющие просто вычислять оп­тимальные L-оценки. Методами статистического модели­рования показано, что предельными распре­делениями статистики критерия согласия  Пир­сона в случае ис­поль­зования L-оценок являются -распре­деления. Реко­мен­дуется применение L-оценок для оперативного анализа больших объемов данных.

 

Введение. L-оценки параметров распределений формируются как линейные комби­на­ции порядковых статистик или выборочных квантилей. Такие оценки обладают двумя важ­ными для  практического применения качествами: простотой вычислений и хо­ро­шими свой­ствами робастности.

Исследованию оценок, опирающихся на порядковые статистики, посвящено большое число зарубежных работ, итоги которых на определенных этапах аккумулированы в сбор­нике [1] и монографии [2], а также целый ряд отечественных публикаций, например, [3-6]. Хороший обзор результатов по линейным комбинациям порядковых статистик представлен в работе [7].

При больших объемах выборок строить L-оценки с использованием всего мно­же­ства порядковых статистик весьма затруднительно и более экономично для вычисления оце­нок параметров воспользоваться выборочными квантилями. Многочисленные модифи­кации ме-то­да квантилей эффективно используется при различной форме регистрации наблюдений [8].

В данной работе мы остановимся на L-оценках параметров сдвига и мас­штаба, вычис­ле­ние которых базируется на зна­че­ниях выбо­рочных квантилей [1]. Самой сложной опера­цией при вычислении таких оценок является сор­тировка имеющейся выборки по возраста­нию с це­лью опре­деления выборочных квантилей наблюдаемого закона. Как и оценки мак­симального правдоподобия по группи­рованным наблюдениям [9, 10], данные оценки явля­ются роба­стными. Под робастностью в статистике понимают нечувствительность к малым отклонениям от предположений [11]. Робастность этих оценок под­твер­жда­ет вид функций влияния Хампеля [12], которые для L-оце­нок представляют собой ступенчатые, огра­ниченные по абсолютной вели­чине зависимости [11, 13]. Такой вид функций влияния говорит о том, что присутствие в выборке аномальных наблюдений не будет приводить к резкому изменению L-оце­нок. 

Коэффициенты в линейной комбинации L-оценок определяются тем, какие и сколько квантилей используются при построении оценок. От выбора квантилей при построении оценок зависят и асимптотические свойства полу­чаемых L-оценок.

Построение L-оценок параметров сдвига и масштаба. Дз. Ога­вой, опираясь на асимп­тотиче­ское распределение выборочных кван­тилей ( квантилей при  интервалах) [14], в работах [15, 1] получено асимп­тотическое распреде­ление выбо­рочных квантилей для законов, определяемых только параметрами сдвига  и мас­штаба , с функ­цией распреде­ле­ния  и функцией плотности . Им же (см. стр. 54-60, [1]) методом наи­меньших квадратов построены “оптимальные линейные не­смещенные оценки” пара­метров сдвига и мас­штаба, в основе которых лежат значения выбо­рочных квантилей.

При построении оценок используются квантили  рассмат­рива­е­мо­го закона, которые делят область определения случайной величины в соответ­ствии с за­данны­ми вероятностями  попадания наблюдений в интервалы, где .

            Выражения для оценок [15, 1] можно преобразовать в совсем простые зависимости [16, 17]. При известном параметре  L-оценка параметра  принимает вид

,                                                              (1)

где , , – оценки квантилей по наблюдаемой выборке, которые при заданных ве­роятностях , , …,  зависят от параметров  и  наблюдаемого закона.

L-оценка параметра  при известном  принимает вид

.                                                             (2)

            При одновременном оценивании параметров сдвига и масштаба выражения для L-оце­нок параметров имеют вид

,                                                                     (3)

.                                                                     (4)

            Выбор квантилей  стандартного распределения и вычисление , , , .  Значения коэффициентов , , ,  в формулах (1)-(4) зависят от выбора кван­тилей  стандартного распределения (от выбора вероятностей , , …, ). L-оценки (1)-(4) явля­ются асимпто­тически эффективными [1]. Асимпто­тическая дисперсионная матрица вектора L-оценок параметров  определяется соотношением

,                                                              (5)

где  – информационная матрица Фишера вектора парамет­ров рас­пре­деления по группи­рованным наблюдениям.

Так как рассмат­риваемые оценки асимптотически эффек­тивны, то использование кван­тилей (граничных точек интервалов), соответствующих асим­птотически оптималь­ному груп­пированию, при котором минимизируются потери в ин­фор­мации Фишера, связанные с груп­пированием [18, 19], обеспечивает оптимальные свой­ства этих оценок [18]: мини­мум асимпто­тической дисперсии, а в случае оценивания сразу двух па­ра­мет­ров – минимум обоб­щенной асимптотической дисперсии.

В частных случаях решение задачи оптимального выбора квантилей для построения L-оценок рассматривалось в ряде ра­бот. В [1, 20] рассматривались оценки параметров для нор­мального рас­пре­деления, в [1] - для од­нопараметрического экспоненциального распреде­ле­ния, в [21] - для двухпараметрического экспоненциального распределе­ния, в [22] – для па­ра­метров логистического распределения, в [23] - для пара­метров распределения Коши, в [24] - для пара­метров распределения экс­тре­мальных значений. Приближенный подход к реше­нию такой за­дачи рассматривался в [25]. Причем в случае одновременного оце­нивания пара­мет­ров  и  оптимальные наборы гра­ничных точек опреде­лялись исходя из минимума ве­ли­чины , , а не минимума , как в [19].

            Опираясь на построенную нами совокупность таблиц асимптотически оптимального группирования [19, 26, 27], значения коэффициентов , , ,  при различном числе ис­поль­зуемых квантилей для параметров законов рас­пределений, упоминаемых в данной ста­тье, по­лучены в [16] (64 таблицы) и вместе с табли­цами асимптотически оптимального груп­пирования (58 таблиц) доступны читателям жур­нала на WEB-сайте [28].

Таблицы коэффициентов для формул вида (1), (2), (3) и (4) сформированы для нор­мального распределения, для логистического распределения с функцией плотности

,

для распределения Коши с плотностью

,

для распределения наименьшего экстремального значения с плотностью

,

для распределения наибольшего экстремального значения с плотностью

.

При этом в зависимости от того, известен ли один из параметров или неизвестны оба пара­метра, наборам коэффициентов ,  и паре ,  соответствуют свои таблицы асимпто­ти­чески оптимального группирования. В частности, некоторые асим­птотически оптималь­ные граничные точки  для случая одновременного оценивания двух параметров нормаль­ного рас­пре­деления представлены в табл. 1, а соответствующие вероятности – в табл. 2. В последнем столбце таблиц приведены значения относительной асимптотической информации, представляющей собой отношение определителя информационной матрицы Фишера по группированным данным к определителю информационной матрицы Фишера по негруппированным . Данная величина позволяет судить о потерях информации, связанной с группированием. По­лученные значения коэф­фи­циентов , приведены в табл. 3 - 4.

Для распределений экспоненциального с плотностью

,

модуля нормального вектора () с плотностью

,

частными случаями которого являются распределения полунормальное - , Рэлея -  и Макс­велла - , таблицы коэффициентов ,  ,  опираются на таблицы асим­пто­тически оптимального груп­пирования только относительно масштабного параметра . Это связано с тем, что область определения этих случайных величин зависит от пара­метра сдвига .

 

Таблица 1

Оптимальные граничные точки интервалов группирования в виде  для одновременного оценивания двух параметров нормального распределения и проверки согласия по критерию  Пирсона

 

k

t1

t2

t3

t4

t5

t6

t7

t8

A

3

-1,1106

1,1106

 

 

 

 

 

 

0,4065

4

-1,3834

0,0

1,3834

 

 

 

 

 

0,5527

5

-1,6961

-0,6894

0,6894

1,6961

 

 

 

 

0,6826

6

-1,8817

-0,9970

0,0

0,9970

1,8817

 

 

 

0,7557

7

-2,0600

-1,2647

-0,4918

0,4918

1,2647

2,0600

 

 

0,8103

8

-2,1954

-1,4552

-0,7863

0,0

0,7863

1,4552

2,1954

 

0,8474

9

-2,3188

-1,6218

-1,0223

-0,3828

0,3828

1,0223

1,6218

2,3188

0,8753

           

Таблица 2

Вероятности попадания наблюдений в интервалы при асимптотически оптимальном группировании в случае одновременного оценивания двух параметров нормального распределения или проверки согласия по критерию  Пирсона

 

k

P1

P2

P3

P4

P5

P6

P7

P8

P9

A

3

0,1334

0,7332

0,1334

 

 

 

 

 

 

0,4065

4

0,0833

0,4167

0,4167

0,0833

 

 

 

 

 

0,5527

5

0,0449

0,2004

0,5094

0,2004

0,0449

 

 

 

 

0,6826

6

0,0299

0,1295

0,3406

0,3406

0,1295

0,0299

 

 

 

0,7557

7

0,0197

0,0833

0,2084

0,3772

0,2084

0,0833

0,0197

 

 

0,8103

8

0,0141

0,0587

0,1431

0,2841

0,2841

0,1431

0,0587

0,0141

 

0,8474

9

0,0102

0,0422

0,1009

0,1976

0,2982

0,1976

0,1009

0,0422

0,0102

0,8753

 

Таблица 3

Коэффициенты параметра сдвига. Нормальное распределение, неизвестны оба параметра.

 

k

g1

g2

g3

g4

g5

g6

g7

g8

3

0,500000

0,500000

 

 

 

 

 

 

4

0,224374

0,551252

0,224374

 

 

 

 

 

5

0,108579

0,391421

0,391421

0,108579

 

 

 

 

6

0,067815

0,234061

0,396249

0,234061

0,067815

 

 

 

7

0,043180

0,141936

0,314884

0,314884

0,141936

0,043180

 

 

8

0,029871

0,096902

0,216939

0,312575

0,216939

0,096902

0,029871

 

9

0,021547

0,068108

0,148605

0,261739

0,261739

0,148605

0,068108

0,021547

 

            Симметричность коэффициентов в формулах (1), (2), (3) и (4) для симметричных рас­пределений определяется симметричностью опти­маль­ных граничных точек интервалов. В книге [2] при обзоре работ по построению рассматриваемых L-оценок, было высказано пред­положение о симметричности опти­мальных квантилей для параметра  нормального рас­пре­деления. Однако для параметров масштаба при известном параметре сдвига и четном  задача асимптоти­че­ски опти­мального группирования обычно имеет два решения с несим­метричными значе­ниями квантилей. В таких случаях пара этих решений зеркальна относи­тельно центра сим­метрии распределения. Поэтому не единственным является оптимальный набор коэффици­ентов в формулах (2).

 

Таблица 4

Коэффициенты масштабного параметра. Нормальное распределение, неизвестны оба параметра.

k

u1

u2

u3

u4

u5

u6

u7

u8

3

-0,450207

0,450207

 

 

 

 

 

 

4

-0,361428

0

0,361428

 

 

 

 

 

5

-0,201360

-0,229872

0,229872

0,201360

 

 

 

 

6

-0,140732

-0,235892

0

0,235892

0,140732

 

 

 

7

-0,095717

-0,186279

-0,136715

0,136715

0,186279

0,095717

 

 

8

-0,070411

-0,147147

-0,166972

0

0,166972

0,147147

0,070411

 

9

-0,052747

-0,114684

-0,153492

-0,090860

0,090860

0,153492

0,114684

0,052747

 

Для вычисления предлагаемых оптимальных L-оценок достаточно в соотношения (1), (2) или (3) и (4) с известными коэффициентами [28] подставить значения выборочных кван­ти­лей , которые определяются таким образом, чтобы имеющаяся выборка оказалась раз­би­той на части с числом наблюдений , пропорциональным вероятности  попадания в со­ответст­вующий интервал при асимптотически оптимальном группировании ().  То есть,  должно быть выбрано из ус­ловия

,

где  - члены вариационного ряда , построенного по исходной вы­борке, ,  - означает целую часть числа, а  - выбираются из соответствующей строки таблицы оптимальных вероят­нос­тей. Например, в качестве  могут быть взяты сред­ние значения между соответствую­щими соседними членами вариационного ряда.

Асимптотические свойства L-оценок тем лучше, чем большее количество выборочных квантилей в них использовано. Практически количество используемых квантилей (число интервалов) ограничивается сверху объемом выборки и следующими соображениями. Во-первых, очевидно, что число интервалов  следует выбирать так, чтобы минимальное произведение  при данном  было больше 1 (3-5, но лучше больше 5-10). Это связано с ожидаемым числом попадания наблюдений, как правило, в крайние интервалы и определяет возможность определения соответствующей выборочной квантили. Во-вторых, число интервалов  ограничивается сверху максимальным числом интервалов, для которого построены соответствующие таблицы асимптотически оптимального группирования [19, 26, 27, 28]. Для случая оценивания одного параметра величина  ограничена 10-11 интервалами, для случая двух параметров – 15 интервалами. Использование большего числа интервалов нецелесообразно в связи с тем, что в первом случае в группированной выборке сохраняется 94-98% информации Фишера (это соответствует увеличению средне­квадра­тического отклонения оценки по группированным наблюдениям по сравнению с оцени­ва­нием по негруппированным на 3-1%), а во втором случае – порядка 95% информации.

Например, при необходимости оценивания по выборке 2-х параметров нормального закона, исходя из рекомендаций  для интервала с минимальной вероятностью попадания и опираясь на табл. 2 (вариант полной таблицы см. в [19, 26, 27, 28]), мы получим рекомендуемые значения числа интервалов, представленные в табл. 5.

 

Таблица 5

Рекомендуемые значения числа интервалов при оценивании по выборке 2-х параметров нормального закона в зависимости от объема выборки

Объем выборки n

Число интервалов k

Объем выборки n

Число интервалов k

≤37

3

390÷650

≤10

36÷60

≤4

510÷850

≤11

67÷111

≤5

640÷1070

≤12

100÷167

≤6

810÷1350

≤13

152÷254

≤7

1000÷1670

≤14

213÷355

≤8

1200 и более

≤15

294÷490

≤9

 

 

 

            Таким образом, вся процедура вычисления L-оценок состоит в построении по имею­щейся выборке вариационного ряда, определении  и выполнении десятка арифметических операций по формулам (1), (2) или (3) и (4). Причем с ростом объема выборки растет лишь число операций, требуемое для сортировки выборки по возрастанию.

Пример. Для нормального распределения при  соотношение (1) принимает вид (см. [16, 17,  28])

,

соотношение (2) (см. [16, 17, 28]) –

,

соотношения (3) и (4) (см. табл. 3-4) –

,

.

            Если мы оцениваем оба параметра, для определения  вероятности  выбираются из табл. 2. И при объеме выборки в 1000 наблю­дений в качестве , , можно взять сред­ние значения между следующими парами членов вариа­ци­онного ряда: , , , , , , , .

Точность оценивания квантилей и L–оценок. Оптимальные L-оценки параметров сдвига и масштаба являются асимптотически эффективными. На практике же мы имеем дело с выборками ограниченного объема. Понятно, что и точность оценивания квантилей , и точ­ность вычисления L-оценок зависят от объема выборки . В качестве основного возра­жения против использования L-оценок обычно выдвигают возможную значительную неточ­ность в определении выборочных квантилей , которая должна отражаться на точности L-оценок.

Методами статистического моделирования нами были исследованы законы распре­де­ле­ния выборочных квантилей и получаемых L-оценок в зависимости от конкретных объемов вы­бо­рок  и числа используемых квантилей для различных законов наблюдаемых случай­ных величин. Например, на рис. 1 приведены центрированные плотности выборочных кван­ти­лей  и L-оценок , построенных по этим выборочным квантилям. Плотности цен­триро­ваны относительно истинных значений квантилей  и параметра . Рассматри­вался случай оценивания масштабного параметра  экспоненциального закона при исполь­зовании 5 квантилей (число интервалов ) при объемах выборок . Экспоненци­альный за­кон моделировался с масштабным параметром . Значения асимптотически оп­ти­маль­ных квантилей , , для данной ситуации соответственно равны [19, 26-28] 0,4993; 1,0997; 1,8538; 2,8714; 4,4650. А значения соответствующих вероятностей попадания в интервалы между  – 0,3930; 0,2740; 0,1763; 0,1000; 0,0451; 0,0116. Значение L-оценки  определя­лось по формуле:

 

Рис. 1. Центрированные плотности распределения выборочных асимптотически

оптимальных квантилей и L-оценок масштабного параметра экспоненциального

распределения при объемах выборок

 

Для построения приведенных на рисунке законов распределения формировались вы­борки оценок из  значений, каждое из которых находилось по выборке объема  случайных величин, распределенных по экспоненциальному закону. Представляемые плотности построены по ансамблю реализаций (усреднены по 100 экс­периментам). То есть, общий объем смоделированных оценок, по которому строилось соответствующее распределение на рис. 1, составлял величину 2000´100=200000 наблю­дений.

Для моделируемых эмпирических распределений наилучшими моделями оказался нормальный закон. О степени близости к нормальному закону эмпирических распределений L-оценок можно судить по усредненным (по 10 экспериментам) значениям статистик  критериев согласия типа c2 Никулина [27, 29–31], типа Колмогорова [32], типа  w2 Мизеса [32], типа W2 АндерсонаДарлинга [32] и соответствующим вероятностям  (до­стигаемому уровню значимости), получаемым при проверке сложных гипотез (см. табл. 6).

Для сравнения на рисунке построена также плотность асимптотического рас­пре­деления оценки максимального правдоподобия (ОМП)  по точечной выборке (по не­группи­рованным наблюдениям). Срав­нивая плотность асимптотически эффективной ОМП по точеч­ной выборке с плотностью L-оценки, мы видим, что последние мало уступают ОМП. Это есте­ственно, так как в данном случае при асимптотически оптимальном группировании сохраня­ется 94,76% информации Фишера о параметре масштаба . Следовательно, стан­дартное от­клонение предельного рас­пределения  превышает стандартное отклонение распределения  не более чем на 2,73%.

 

Таблица 6

Усредненные значения статистик критериев

 согласия и достигаемый уровень значимости при проверке

 сложных гипотез о согласии с нормальным законом

Критерий

Значение статистики критерия

Никулина типа c2

1,09009

 0,8958

Типа Колмогорова

0,52249

 0,7490

Типа w2 Мизеса

0,04516

 0,5877

Типа W2 Андерсона

      Дарлинга

0,43316

0,2903

 

Рисунок наглядно демонстрирует, что, несмотря на относительно невысокую точ­ность оценивания квантилей ,  и , мы имеем достаточно высокую точность оцени­вания параметра масштаба  наблюдаемого экспоненциального закона. При этом, очевидно, что эти оценки не многим уступают ОМП по негруппированным наблюдениям, имея существен­ное преимущество в робастности.

О точности статистического моделирования можно судить, например, по следующим фактам. Стандартное отклонение теоретического асимптотического нормального распре­де­ле­ния  (для ОМП по негруппированным наблюдениям при объеме выборки  и значении =1), определяемое из соотношения , равно 0,031623. Стан­дартное от­клонение распределения , построенного в результате моделирования, также нор­маль­ного, равно 0,0316. По существу, распределение, полученное в результате моделирования, совпадает с асимптотическим Аналогично для L-оценок стандартное отклонение асим­птотического нор­мального распределения , определяемое соотношением (5), равно 0,032465. А для соответствующего распределения, полученного в результате моделирования и представ­ленного на рис. 1, стандартное отклонение равно 0,0324. В обоих случаях наблю­даем совпа­дение трех значащих цифр.

Точность L-оценок в зависимости от объема выборок. В связи с потерей информации при группировании L-оценки имеют большее рассеяние, чем асимптотически эффективные оценки, построенные по негруппированным данным. Например, в табл. 7 показан % увеличения среднего квадратического отклонения асимптотического распре­деления L-оценок по сравнению со средним квадратическим отклонением асимптотически эффективных оценок по негруппированным наблюдениям в зависимости от числа интервалов  для параметров сдвига и масштаба нормального закона (при оценивании только одного из них). Эти значения характеризуют асимптотическую точность оценивания.

Состоятельность оценок и характер изменения точно­сти L-оценок с ростом конечного объема выборок  при фиксированном числе используемых кванти­лей демонстрирует рис. 2. На рисунке приведены плотности оценок  параметра нормального закона, центрированные относительно истинных значений пара­метра , для случая  в зависи­мости от , когда при построении L-оценок ис­пользуются всего две выборочных квантили, со­ответствующие асимптотически оптималь­ному группированию, при одновре­менном оценива­нии пара­метров  и . Выборки нормального закона объема  генерирова­лись с парамет­рами  и .

                                                                                                       Таблица 7

Увеличение среднего квадратического отклонения асимптотического распределения L-оценок по сравнению с асимптотически эффективными оценками по негруппированным наблюдениям

 

k

Для параметра сдвига ( в %)

Для параметра масштаба (в %)

2

25,63

81,31

3

11,12

23,83

4

6,45

16,58

5

4,25

10,14

6

3,03

7,91

7

2,28

5,74

8

1,77

4,73

9

1,42

3,73

10

1,16

3,18

 

Рис. 2. Плотности распределения L-оценок  при  в зависимости от

 

О сравнительной точности оценивания можно судить по значениям среднеквадратич­ного отклонения закона, описывающего распределение соответствующих оценок при кон­крет­ных объемах выборок. Значения среднего квадратичного отклонения характеризуют рас­сея­ние оценок. Например, в табл. 8 для различных объемов выборок представлены значения средне­квадратичных отклонений (СКО) для ОМП по негруппированным наблюдениям  и  и для L-оценок  и  параметров сдвига и масштаба логистического закона при . Характери­стики рассеяния для ОМП по группированным наблюдениям в данном случае сов­падают с ха­рактеристиками рассеяния L-оценок.

 

Таблица 8

Объем выборки

ОМП по точечной выборке

L-оценки

СКО

СКО

СКО

СКО

100

0,0947

0,0833

0,0997

0,0927

300

0,0550

0,0482

0,0577

0,0541

500

0,0426

0,0373

0,0446

0,0420

1000

0,0301

0,0264

0,0315

0,0297

2000

0,0214

0,0187

0,0224

0,0210

 

L-оценки асимптотически эквивалентны ОМП по группированным наблюдениям: асимптотические дисперсионные матрицы этих оценок определяются соотношением (5). Од­нако при конечных объемах выборок  разница между свойствами этих оценок все же за­метна. В общем случае ОМП по группированным наблюдениям несколько точнее. Исследо­ва­ния ко­нечных выборок оценок параметров сдвига и масштаба, рассматри­ваемых в данной ра­боте законов, показали, что всегда  и , а при  дисперси­он­ные матрицы оценок практически совпадают. Однако если это преимущество и оказыва­ется за ОМП по группированным наблюдениям, то оно не­значительно.

Точность L-оценок в зависимости от числа используемых квантилей. Характер измене­ния точности L-оценок с ростом числа используемых квантилей при фиксированном объеме выборки  показывают рис. 3.

 

Рис. 3. Плотности распределения L-оценок  при  в зависимости от

 

На этом рисунке приведены центрированные от­носи­тельно истинного значения  плотности оценок  параметра нор­мального закона при объеме выборки  и различ­ном числе  используемых вы­бо­рочных квантилей для случая одновременного оценива­ния двух параметров закона. Выборки нор­мального закона, как и в предыдущем случае, гене­рировались с параметрами  и . Для сравнения на ри­сунке представлены центри­рованное распределение ОМП , полученное также в результате моделирования. Сохраняе­мое различие в законах распре­деле­ния ОМП и L-оценок при  связано с величиной от­но­сительной асимптотической ин­формации о параметрах закона . Эта величина определяет часть ин­форма­ции, сохраняющейся при группировании выборки (при переходе к выборочным кван­тилям), и составляющую в данном случае величину 0,8753.

Распределения статистики  Пирсона при использовании L-оценок. При анализе наблюдений случайных величин оценивание параметров модели наблюдаемого закона все­гда оказывается лишь первым этапом. Следующим этапом является проверка адекватности по­строенной модели наблюдаемым данным. Проверка адекватности найденной теоретиче­ской модели закона распределения наблюдаемому эмпирическому распределению осуществ­ляется с использованием критериев согласия. Если  мы проверяем согласие по той же вы­борке, по кото­рой оценивали и параметры, то имеем дело с проверкой сложной гипотезы. В этом слу­чае пре­дельное распределение статистики любого критерия согласия (касается ли это кри­териев типа  или непараметрических критериев типа Колмогорова и типа  Ми­зеса) за­висит от применяемого метода оценивания параметров. И для того, чтобы восполь­зо­ваться каким-либо критерием согласия, вычислив L-оценки, необходимо знать (предель­ное) распре­деление стати­стики этого критерия, соответствующее данной проверяемой слож­ной гипо­тезе.

В частности, при справед­ливости сложной проверяемой гипотезы  предельным рас­пределением  статистики критерия согласия Пирсона , где  - объем выборки,  - количество наблюдений, попавших в -й интервал,  - вероятность попадания наблюдения в интервал,  - вектор параметров закона с плотностью , относительно которого проверяется гипотеза, - граничные точки интервалов, является -распределение в том случае, если  компонентов вектора пара­метров за­кона оцениваются по этой же выборке в результате мини­мизации этой же ста­ти­стики. Статистика  подчиняется -распределению и в том случае, если использу­ются ОМП по группирован­ным наблюдениям (см. стр. 563-567 в [33], стр. 460-470 в [34], [35]). По­следнее подтверждают и наши исследования методами статистического моделиро­вания, кото­рые показали хорошее согласие получаемых эмпирических распределений стати­стики  с -распределениями при проверке сложных гипотез с использованием ОМП по группиро­ванным наблюдениям (при конечных объемах выборок).

Начиная исследование распределений статистики  при проверке сложных гипотез с использованием L-оценок, мы надеялись на справедливость наших предположений о том, что и в данном случае предельными распределениями статистики являются -распреде­ления. Действительно, статистическое моделирование распределений статистики  с ис­пользова­нием L-оценок (для различных наблюдаемых законов; при различном числе исполь­зуемых квантилей, которое соответствует числу интервалов группирования при вычислении стати­стики; при различном числе оцениваемых параметров) и последующий анализ показали очень хорошее согласие получаемых эмпирических распределений статистики с соответст­вую­щими -распределениями.

Например, на рис. 4 представлены эмпирическая функция распределения статистики  при проверке согласия с экспоненциальным законом распределения в случае использо­ва­ния L-оценок масштабного параметра этого закона при объеме выборок  и числе ин­тервалов  и функция -распределения (). Эмпирическая функция распре­де­ления построена по выборке из  смоделированных значений статистики .

 

Рис. 4. Распределение статистики  с использованием L-оценок параметра

экспоненциального распределения: , ,

 

Как видно на приводимом рисунке, эмпирическая функция распределения статистики визуально практически совпадает с теоретическими -распределением. Проверка гипотезы о согласии эмпирического распределения статистики с -рас­пределениями по критериям, реализованным в [36] [ Пирсона, отноше­ния правдо­по­добия, Колмогорова,  и  Мизеса (соответственно, Смирнова-Мизеса и Андерсона-Дарлинга)], подтверждает очень хорошее согласие. Подчеркнем, что в данном случае речь идет о проверке простой гипотезы. На рисунке приведены достигнутые уровни значимости  по каждому из критериев, где  – полученное по выборке значение статистики соответствующего критерия. При про­верке со­гласия по критерию  Пирсона было выбрано 5 интервалов равной вероятности. Как ви­дим, достигнутые уровни значимости по всем критериям очень высоки. Моделирова­ние рас­пределений статистики  при проверке сложных гипотез о согласии с другими за­конами случайных величин, упоминаемыми в данной работе, при использовании L-оценок парамет­ров сдвига и мас­штаба показало, что они всегда очень хорошо согласуются с -распреде­ле­ниями. Анализ результатов исследований (при различных законах случайных ве­личин, различных , , ) показал, что нет оснований для отклонения гипотезы о принад­лежно­сти распределения статистики  к -распреде­лениям, если при проверке сложных гипотез используются L-оценки по выборочным квантилям.

Вообще говоря, на основании результатов статистического моделирования, если за­даться такой целью, можно с любой точностью показать, что в случае использования L-оце­нок распределением статистики  является соответст­вующее -распределение (при конкретном законе наблюдаемой величины, конкретных  и ). -распределения явля­ются частным случаем гамма-распределения с плотностью , в котором па­раметр формы  и параметр масштаба . Наи­лучшей параметрической моделью для эмпирических распределений статистики , получаемых в ре­зультате моделирования, все­гда оказываются гамма-распределения. Моделиро­вание серии выборок статистики, сгла­жи­вание каждой полученной выборки значений стати­стики гамма-распределением и после­дующее усреднение параметров гамма-распределения по всем выборкам серии позволяет уточнить закон распределения статистики. Например, средние значения параметров гамма-распределения по серии из 10 экс­периментов, соответствующих проверке согласия с экспо­ненциальным законом (, , ), со­ставили: =1,50615; =2,00545 (вместо положенных для -распределения значений параметров 1,5 и 2, со­ответ­ственно). Следует ожидать, что ус­реднение по большему числу реализаций приведет нас к -распределе­нию. Естественно, что увеличению точности будет способствовать и увеличение .

Аналогичные приведенному примеру результаты получаются при исследовании рас­пределений статистики  в случае проверки сложных гипотез с использованием L-оценок относительно других законов наблю­даемых случайных величин.

Примечание: Мы исследовали методами статистического моделирования распределения статистики  при про­верке сложных гипотез с применением оценок по группированным наблюдениям, вычисляе­мых минимизацией модифицированной статистики , расстояния Хеллингера и дивергенции Куль­бака-Лейблера [33]. Оказалось, что во всех этих случаях нет оснований для отклонения ги­потезы о принадлежности распределений статистики  к -распределениям. Перечис­ленные оценки (при известных отличиях [33]) имеют одинаковые асимптотические свойства с оценками по методу минимума статистики , ОМП по группированным наблюдениям [37] и рассматриваемыми L-оценками [1]. Одинаковые асимптотические свойства оценок также явля­ются доводом в пользу справедливости данной гипотезы.

Моделирование псевдослучайных величин. Важным элементом любой системы статистического моделирования является датчик, генерирующий псевдослучайные числа по равномерному закону. Проверка качества такого датчика является непременным условием его использования. Важно, не только то, чтобы получаемые последовательности при любых объемах выборок хорошо соответствовали рав­номерному закону, но и то, чтобы они удовлетворяли целям исследований [38]. Всегда хоро­шей дополнительной проверкой ка­чества датчиков может являться построение в результате моделирования той статистической закономерности, которая является известным достоянием теории. Хорошее совпадение результатов моделирования с теоретическими является косвен­ным подтверждением качества используемого датчика.

В своих исследованиях мы пользовались встроенным датчиком систем програм­миро­вания С++, собственными реализациями мультипликативного датчика, описанного в [39], реализациями датчиков, рассмотренных в [40]. Датчики исследовались с исполь­зованием программной системы [36] и ее последующих версий [41]. Все эти датчики позволяют полу­чать последовательности, достаточно хорошо подчиняющиеся равномерному закону при раз­лич­ных объемах выборок. Все они удовлетворяют требованиям, позволяющим использовать их с целью исследования статистических закономерностей.

Датчик в С++ обладает хорошими свойствами равномерности, но имеет один недос­таток, который следует иметь в виду: в генерируемых выборках, начиная с объемов, при­мерно, в 1700-1800 наблюдений, начинают появляться повторные значения. Например, в сгенерированной выборке из 2000 наблюдений порядка 50 могут оказаться повторившимися дважды. Реализации датчиков [39, 40] такого недостатка не имеют.

Справедливости ради отметим, что значимого влияния отмеченного недостатка пер­вого датчика на результаты проводимых исследований не замечено: выводы оказываются стабильными при любом удовлетворительном датчике.

Пример построения оценок. Выборка в 200 наблюдений представлена следующим вариационным рядом:

 

-3,9974

-3,4223

-3,3518

-3,2468

-2,9512

-2,8614

-2,5131

-2,4703

-2,3764

-2,3248

-2,2861

-2,2051

-2,1274

-2,1121

-2,0838

-1,9483

-1,9223

-1,8914

-1,8881

-1,8852

-1,5887

-1,5686

-1,5290

-1,5257

-1,4929

-1,4806

-1,4768

-1,4729

-1,4664

-1,3564

-1,3375

-1,2893

-1,2512

-1,2049

-1,1740

-1,1588

-1,1150

-1,1073

-1,0652

-1,0159

-0,9794

-0,9748

-0,9503

-0,9307

-0,9283

-0,8931

-0,8174

-0,7629

-0,7618

-0,6671

-0,5973

-0,5670

-0,5330

-0,5286

-0,5280

-0,5210

-0,5066

-0,5064

-0,3962

-0,3913

-0,3488

-0,3481

-0,3224

-0,3082

-0,2172

-0,2117

-0,1785

-0,1188

-0,1059

-0,0826

0,0369

0,1151

0,1191

0,1206

0,1247

0,1866

0,2199

0,2750

0,2986

0,3649

0,4088

0,4244

0,4301

0,4643

0,4831

0,4901

0,5307

0,5840

0,6085

0,6268

0,6550

0,6613

0,6718

0,6879

0,7179

0,7194

0,8400

0,8587

0,8688

0,9319

0,9336

1,0087

1,0119

1,0192

1,0344

1,0410

1,0414

1,1076

1,1365

1,1450

1,1866

1,2009

1,2240

1,2395

1,3081

1,3413

1,3523

1,3600

1,3729

1,4650

1,4823

1,4885

1,5101

1,6124

1,6513

1,6823

1,7244

1,7244

1,7304

1,7321

1,7458

1,8288

1,8693

1,9080

1,9563

1,9689

1,9811

2,0209

2,0361

2,0434

2,0463

2,0628

2,1042

2,1247

2,2191

2,3264

2,3522

2,3588

2,3621

2,3760

2,3832

2,3922

2,3946

2,4012

2,4455

2,4535

2,4708

2,5525

2,5860

2,6366

2,6404

2,7468

2,7797

2,7945

2,8180

3,0140

3,0515

3,0643

3,0763

3,0835

3,1301

3,1541

3,2029

3,2392

3,3662

3,4533

3,4705

3,5160

3,5551

3,6222

3,6795

3,8301

3,9971

4,0461

4,1126

4,1293

4,2046

4,2724

4,3496

4,3900

4,6509

4,8979

4,9145

5,0427

5,0430

5,1736

5,4432

5,4817

5,5030

6,3378

 

В предположении, что выборка принадлежит нормальному закону, найдем оптимальные L–оценки его параметров. Число интервалов выбираем максимально возможным. Учитывая ограничение , стараемся, чтобы, по крайней мере, выполнялось неравенство . По табл. 2 останавливаемся  на числе интервалов =7, так как в этом случае . Разбивая упорядоченную выборку на интервалы пропорционально  при =7, находим граничные точки интервалов (оценки квантилей) как средние значения между наблюдениями, попавшими в смежные интервалы:

=(+)/2=(–3,35183,2468)/2=–3,2993;

=(+)/2= (–1,88521,5887)/2=–1,73695;

=(+)/2= (–0,3481,3224)/2=–0,33525;

=(+)/2= (1,9811+2,0209)= 2,001;

=(+)/2= (3,5551+3,6222)= 3,58865;

=(+)/2= (5,1736+5,4432)= 5,3084.

Используя коэффициенты из табл. 3, находим оценку параметра сдвига

=0,04318(+)+0,141936(+)+0,314884(+)»0,8741,

и, используя коэффициенты из табл. 4, – оценку параметра масштаба

=0,095717()+0,186279()+0,136715()»2,1353.

На рис. 5 представлены плотность полученного нормального закона и гистограмма, построенная при асимптотически оптимальном группировании [19, 26–28]. В табл. 9 приведены значения статистик непараметрических критериев согласия типа Колмогорова, типа w2 Мизеса (КрамераМизеса–Смирнова), типа W2 АндерсонаДарлинга и соответ­ству­ющие значения вероятностей  (достигаемых уровней значимости) при проверке сложных гипотез о согласии. Значения вероятностей  были вычислены в соответствии с построенными распределениями статистик данных критериев согласия для случая применения L-оценок. Распределения статистик непараметрических критериев согласия в случае применения L-оценок отличаются от распределений статистик при проверке сложных гипотез с использованием ОМП [32] и сдвинуты вправо относительно последних. Поэтому при одних и тех же значениях статистик  величины достигаемых уровней значимости  в случае использования L-оценок всегда будут выше.

 

Рис. 5. Гистограмма и плотность нормального закона, построенного

 с использованием L-оценок

 

Таблица 9

Результаты проверки сложных гипотез о согласии с нормальным законом

Критерий

При =0,8741; =2,1353

При ;

Значение

 статистики

Значение

 статистики

Типа Колмогорова

0,4506

0,9492

0,6256

0,4611

Типа w2 Мизеса

0,0296

0,9006

0,0454

0,5838

Типа W2 Андерсона

      Дарлинга

0,2701

0,8004

0,3238

0,5276

 

Вычисленные по этой же выборке ОМП параметров нормального закона (по негруппированным наблюдениям) равны соответственно , . Результаты проверки согласия также приведены в табл. 9. В данном случае при вычислении вероятностей  использованы распределения статистик из [32]. Как можно заметить, в данном примере в случае L-оценок мы получаем закон, который лучше согласуется с эмпирическим распределением по сравнению со случаем использования ОМП (сравните по значениям статистик соответствующих критериев в табл. 9). Вообще говоря, такая ситуация не типична, но данный пример подчеркивает устойчивость L-оценок к некоторым отклонениям от предполагаемого закона не только на “хвостах”, но и в середине области определения случайной величины. Интересно, что в данном случае при =6 и =5 получаемые L-оценки также оказываются предпочтительнее ОМП в смысле близости эмпирического распре­деления к соответствующему теоретическому по рассматриваемым критериям согласия.

            Заключение. Предлагаемые вниманию исследователей оптимальные L-оценки пара­метров сдвига и масштаба по выборочным квантилям являются наилучшими в своем классе.

Применение готовых таб­лиц вероятностей попадания в интервал, соответ­ству­ющих асимптоти­чески оптимальному группированию, и формул (1-4), опи­рающихся на вычис­лен­ные таблицы коэффициентов, делает процесс вычисления этих оценок очень простым. Не требуется специального программного обеспечения. Исключая процесс формирова­ния ва­риационного ряда, который элементарно реализуется сортировкой выборки в любой элек­тронной таблице, все вычисления ограничиваются десятком арифметических операций.

Как и все оценки по группированным данным L-оценки являются робастными. Они ус­тойчивы к наличию аномальных ошибок измерений, к малым отклонениям от исходных пред­по­ложений о виде наблюдаемого закона распределения. Это позволяет использовать L-оценки в процедурах параметрической отбраковки наблюдений.

L-оценки обладают одинаковыми асимптотическими свойствами с оценками по груп­пированным наблюде­ниям: максимального правдоподобия; по методу минимума ; моди­фицированному методу минимума ; получаемых минимизацией расстояния Хеллингера или дивергенции Кульбака-Лейблера [37]. L-оценки выгодно отличаются от перечисленных тем, что в случае L-оценок не требуется реализации итерационного процесса.

Использование L-оценок не вызывает проблем при дальнейшей проверке адекватно­сти полученной модели, так как в данном случае, применяя критерии согласия типа  Пир­сона и отношения правдоподобия, в качестве распределений статистик кри­те­риев можно воспользоваться -распределениями. Применение готовых таблиц вероятностей попада­ния в интервал, соответ­ству­ющих асимптотически оптимальному группи­рованию, с одной стороны, делает эле­ментарной процедуру вычисления статистики , с другой, – обес­печи­вает максимальную мощность против близких альтернатив.

Полный состав таблиц, которыми можно воспользоваться при вычислении L-оценок и проверке гипотез о согласии, представлен в [28].

Все вышесказанное позволяет рекомендовать использование L-оценок в приложе­ниях, особенно для оперативного анализа данных при контроле технологических про­цессов. Целесообразность применения L-оценок определяется совокупностью 2-х достоинств: про­стотой вычислений и робастностью. Есте­ственно, данные рекомендации не исключают возможности применения на последующих этапах анализа более эффективных оценок и более мощных критериев.

ЛИТЕРАТУРА

1.      Сархан А.Е., Гринберг Б.Г. Введение в теорию порядковых статистик. – М.: Статистика, 1970. – 414 с.

2.      Дэйвид Г. Порядковые статистики.  – М.: Наука, 1979. – 336 с.

3.      Егоров В.А., Невзоров В.Б. Асимптотические разложения функции распределения сумм абсолютных порядковых статистик // Вестник ЛГУ, 1975. – № 19. – С. 18-25.

4.      Егоров В.А., Невзоров В.Б. Некоторые оценки скорости сходимости сумм порядковых ста­тистик к нормальному закону // Записки научных семинаров ЛОМИ, 1976. – Т. 55.. – С. 165-174.

5.      Грибкова Н.В., Егоров В.А. О робастных оценках параметра сдвига, являющихся линей­ными комбинациями порядковых статистик // Вестник ЛГУ, 1978. – № 13. – С. 24-57.

6.      Благовещенский Ю.Н., Самсонова В.П., Дмитриев Е.А. Непараметрические методы в почвенных исследованиях. – М.: Наука, 1987. –  96 с.

7.      Бенинг В.Е. Линейные комбинации порядковых статистик: асимптотические свойства и применение в задачах проверки гипотез // Обозрение прикладной и промышленной математики. 1997. – Т.4. – № 3. – С. 497–522.

8.      Скрипник В.М., Назин А.Е., Приходько Ю.Г., Благовещенский Ю.Н. Анализ надежности технических систем по цензурированным выборкам. – М.: Радио и связь, 1988. – 183 с.

9.      Лемешко Б.Ю. Группирование наблюдений как способ полу­чения ро­баст­ных оценок // На­дежность и контроль качества. – 1997. – № 5. – С. 26-35.

10.  Лемешко Б.Ю. Робастные методы оценивания и отбраковка ано­маль­ных изме­рений // За­водская лаборатория. – 1997. – Т.63. – № 5. – С. 43-49.

11.  Хьюбер П. Робастность в статистике. – М.: Мир, 1984. – 303 с.

12.  Hampel F.R. The influence curve and its role in robust estimation // J. Amer. Statist. Ass., 1974. – V. 69. – № 346. – P. 383-393.

13.  Шуленин В.П. Введение в робастную статистику. – Томск: Изд-во Том. ун-та, 1993. – 227 с.

14.  Mosteller F. On some useful inefficient statistics. Ann. Math. Statist. 17 (1946). – P. 377-407.

15.  Ogawa J. Contributions to the theory of systematic statistics. I. Osaka Math. J. 3 (1951). – P. 175-213.

16.  Лемешко Б.Ю. Оптимальные оценки параметров сдвига и масштаба по выборочным кван­тилям для больших выборок / Тр. третьей меж­дународной научно-технической кон­ферен­циии “Актуальные проблемы электронного приборострое­ния АПЭП-96”. – Т. 6. – Ч.1. – Новосибирск, 1996. – С. 37-44.

17.  Лемешко Б.Ю., Чимитова Е.В. Построение оптимальных L-оценок параметров сдвига и масштаба распределений по выборочным квантилям // Сибирский журнал индустри­альной математики. – 2001. – Т.4. – № 2. – С. 166-183.

18.  Куллдорф Г. Введение в теорию оценивания по группированным и частично группиро­ван­ным выборкам. – М.: Наука, 1966. – 176 с.

19.  Денисов В.И., Лемешко Б.Ю., Цой Е.Б. Оптимальное группи­рование, оцен­ка параметров и планирование регрессионных экспери­ментов. В 2-х ч. / Новосиб. гос. техн. ун-т. – Но­во­си­бирск, 1993. – 347 с.

20.  Eisenberger J., Posner E.C. Systematic statistics used for data compression in space telemetry. J. Amer. Statist. Ass. 60 (1965). - P. 97-133.

21.  Saleh A.K.M.J., Ali M.M. Asymptotic optimum quantiles for the esti­mation of the parameters of the negative exponential distribution. Ann. Math. Statist. 37 (1966). – P. 143-151.

22.  Gupta S.S., Gnanadesikan M. Estimation of the parameters of the logistic distribution. Biometrika, 53 (1966). – P. 565-570.

23.  Bloch D. A note on the estimation of the location parameter of the Cauchy distribution. J. Amer. Statist. Ass. 61 (1966). – P. 852-855.

24.  Hassanein K.M. Analysis of extreme-value data by sample quantiles for very large samples. J. Amer. Statist. Ass. 63 (1968). – P. 877-888.

25.  Särndal C.E. Estimation of the parameters of the gamma distribution by sample quantiles. Technometrics. 6 (1964). – P. 405-414.

26.  Денисов В.И., Лемешко Б.Ю., Постовалов С.Н. Прикладная статис­тика. Правила про­верки согласия опытного распределения с тео­ретическим. Мето­дические рекомендации. Часть I. Критерии типа  . – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1998. – 126 c.

27.  Р 50.1.033-2001. Рекомендации по стандартизации. Прикладная статистика. Правила проверки согласия опытного распределения с теоретическим. Часть I. Критерии типа хи-квадрат. – М.: Изд-во стандартов. 2002. – 87 с.

28.  http://www.ami.nstu.ru/~headrd/.

29.  Никулин М.С. Критерий хи-квадрат для непрерывных распределений с параметрами сдвига и масштаба // Теория вероятностей и ее приме­нение. 1973. Т. XVIII. № 3. – С.583-591.

30.  Никулин М.С. О критерии хи-квадрат для непрерывных распре­де­лений // Теория вероятностей и ее применение. 1973. Т. XVIII. № 3. – С.675-676.

31.  Мирвалиев М., Никулин М.С. Критерии согласия типа хи-квадрат // За­водская лаборатория. 1992. Т. 58. № 3. – С.52-58.

32.  Р 50.1.037-2002. Рекомендации по стандартизации. Прикладная статистика. Правила проверки согласия опытного распределения с теоретическим. Часть II. Непараметрические критерии. - М.: Изд-во стандартов. 2002. - 64 с.

33.  Кендалл М., Стьюарт А. Статистические выводы и связи. – М.: Нау­ка, 1973. – 900 с.

34.  Крамер Г. Математические методы статистики. – М.: Мир, 1975. – 648 с.

35.  Birch M.W. A new proof of the Pearson–Fisher theorem // Ann. Math. Statist. – 1964. V. 35. – P. 817.

36.  Лемешко Б.Ю. Статистический анализ одномерных наблюдений случайных величин: Про­граммная система. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1995. – 125 с.

37.  Рао. С.Р. Линейные статистические методы и их применения. - М.: Наука, 1968. - 548 с.

38.  Ермаков С.М. О датчиках случайных чисел // За­водская лаборатория. – 1993. – Т.59. – № 7. – С. 48-50.

39.  Ермаков С.М., Михайлов Г.А. Статистическое моделирование. – М.: Наука, 1982. – 296 с.

40.  Рыданова Г.В. Методика изучения временных зависимостей в последовательностях слу­чайных чисел // За­водская лаборатория. – 1986. – Т.52. – № 1. – С. 56-58.

41.  Лемешко Б.Ю., Постовалов С.Н. Система статистического анализа наблюдений и иссле­дования статистических закономерностей // Сб. "Моделирование, автоматизация и опти­мизация наукоемких технологий". - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. - С. 44-46.



[1] Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 00-01-00913)

[2] Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск, Россия