Ugrás a fő tartalomhoz

Maximum likelihood módszer

Adott egy nn független, azonos eloszlású elemből X1,X2,…,XnX_1,X_2,\dots,X_n álló minta. Egyetlen ismeretlen paraméterünk van, amit λ\lambda-val jelölünk.

Az x1,x2,…,xnx_1,x_2,\dots,x_n elemek likelihood függvényének nevezük, és L(λ;x)\mathrm{L}(\lambda; x)-el jelöljük az

fλ(x)=gλ(x1)⋅gλ(x2)⋅…⋅gλ(xn)f_\lambda(x) = g_\lambda(x_1) \cdot g_\lambda(x_2) \cdot \ldots \cdot g_\lambda(x_n)

függvényt.

Egy mintahalmazra vonatkozó ML becslés alatt azt a λ\lambda értéket írjük, melyre a mintahalmaz likelihood függvénye maximális.

Ezt a maximális értéket nyilvánvalóan a likelihood függvény deriválásával tudjuk meghatározni. A likelihood függvény egy sok tagból álló szorzatfüggvény így deriválása nehéz.

tanács

A becslés során célszerű a függvény logaritmusát az ún. log-likelihood függvényt venni. Így a logaritmus azonosságait kihasználva, jelentősen le tudjuk egyszerűsíteni a számításokat.

log⁡a(xy)=log⁡a(x)+log⁡a(y)log⁡a(xy)=log⁡a(x)−log⁡a(y)log⁡a(xn)=n⋅log⁡a(x)\begin{align*} \log_a(xy) &= \log_a(x) + \log_a(y) \\ \log_a\left(\frac{x}{y}\right) &= \log_a(x) - \log_a(y) \\ \log_a(x^n) &= n \cdot \log_a(x) \end{align*}
Példa (4.3)

Annak valószínűsége, hogy pontosan ilyen kombinációját kapjuk az értékeknek c4⋅(3c)10⋅(1−4c)6c^4 \cdot (3c)^{10} \cdot (1-4c)^6. Ez a likelihood függvényünk. Ez egyszerűbb számolás érdekében vegyük ennek a logaritmusát.

Ekkor a log-likelihood függvény:

ln⁡(c4⋅(3c)10⋅(1−4c)6)=ln⁡c4+ln⁡(3c)10+ln⁡(1−4c)6=4ln⁡c+10ln⁡(3c)+6ln⁡(1−4c)=4ln⁡c+10ln⁡3+10ln⁡c+6ln⁡(1−4c)\begin{align*} \ln(c^4 \cdot (3c)^{10} \cdot (1-4c)^6) &= \ln{c^4} + \ln{(3c)^{10}} + \ln{(1-4c)^6} \\ &= 4 \ln{c} + 10 \ln{(3c)} + 6 \ln{(1-4c)} \\ &= 4 \ln{c} + 10 \ln{3} + 10 \ln{c} + 6 \ln{(1-4c)} \end{align*}

A lokális szélsőértékre vonatkozó elsődleges feltétel miatt:

0=4c+0+10c+(61−4c⋅−4)=14c−241−4c=14−56c−24cc(1−4c)=14−80cc(1−4c)\begin{align*} 0 &= \frac{4}{c} + 0 + \frac{10}{c} + \left(\frac{6}{1-4c} \cdot -4 \right) \\ &= \frac{14}{c} - \frac{24}{1-4c} \\ &= \frac{14-56c - 24c}{c(1-4c)} \\ &= \frac{14-80c}{c(1-4c)} \end{align*}

Ez pontosan akkor nulla, ha a számláló nulla, azaz:

14−80c=014-80c = 0

Így:

c=740c = \frac{7}{40}

(Még le kéne ellenőrizni, hogy cc valóban maximum hely-e de ez már az analízis feladata.)

Példa (4.4/a)

Legyen XX egy nn elemből álló minta. Adjunk ML becslést Bin(m,p)\mathrm{Bin}(m,p) eloszlás pp paraméterére!

Ekkor a log-likelihood függvény:

ln⁡∏i=0n(mxi)⋅pxi⋅(1−p)m−xi\ln \prod_{i=0}^{n}{{m \choose x_i} \cdot p^{x_i} \cdot (1-p)^{m-x_i}}

Ami a logaritmus tulajdonságai alapján:

ln⁡L(m,p,x)=∑i=0nln⁡(mxi)+∑i=0nln⁡pxi+∑i=0nln⁡(1−p)m−xi=∑i=0nln⁡(mxi)+∑i=0nxi⋅ln⁡p+∑i=0n(m−xi)⋅ln⁡(1−p)=∑i=0nln⁡(mxi)+ln⁡p⋅∑i=0nxi+ln⁡(1−p)⋅∑i=0n(m−xi)\begin{align*} \ln \mathrm{L}(m, p, x) &= \sum_{i=0}^{n}{\ln{m \choose x_i}} + \sum_{i=0}^{n}{\ln{p^{x_i}}} + \sum_{i=0}^{n}{\ln{(1-p)^{m-x_i}}} \\ &= \sum_{i=0}^{n}{\ln{m \choose x_i}} + \sum_{i=0}^{n}{x_i \cdot \ln{p}} + \sum_{i=0}^{n}{(m-x_i) \cdot \ln{(1-p)}} \\ &= \sum_{i=0}^{n}{\ln{m \choose x_i}} + \ln{p} \cdot \sum_{i=0}^{n}{x_i} + \ln{(1-p)} \cdot \sum_{i=0}^{n}{(m-x_i)} \end{align*}

Mivel xix_i adott minden i<ni < n esetén, illetve ismerjük mm-et, ezért csak pp szerint kell deriválni:

(ln⁡L(m,p,x))′=0+1p∑i=0nxi+−11−p∑i=0n(m−xi)=1p∑i=0nxi−11−p⋅(nm−∑i=0nxi)\begin{align*} (\ln \mathrm{L}(m, p, x))' &= 0 + \frac{1}{p} \sum_{i=0}^{n}{x_i} + \frac{-1}{1-p} \sum_{i=0}^{n}{(m-x_i)} \\ &= \frac{1}{p} \sum_{i=0}^{n}{x_i} - \frac{1}{1-p} \cdot \left( nm - \sum_{i=0}^{n}{x_i} \right) \end{align*}

Vegyük észre hogy az előbb kapott egyenletben a mintaáltag x‾\overline{x} szerepel, ekkor pp becsléséhez a következő egyenletet kell megoldanunk:

1pnxˉ=11−p⋅(nm−nxˉ)(1−p)⋅nxˉ=p⋅(nm−nxˉ)n⋅xˉ−p⋅nxˉ=p⋅nm−p⋅nxˉn⋅xˉ=p⋅nmxˉ=pmp=xˉm\begin{align*} \frac{1}{p} n \bar{x} &= \frac{1}{1-p} \cdot (nm - n\bar{x}) \\ (1-p) \cdot n \bar{x} &= p \cdot (nm - n\bar{x}) \\ n \cdot \bar{x} - p \cdot n\bar{x} &= p \cdot nm - p \cdot n\bar{x} \\ n \cdot \bar{x} &= p \cdot nm \\ \bar{x} &= pm \\ p &= \frac{\bar{x}}{m} \\ \end{align*}

Tehát pp-re a xˉm\frac{\bar{x}}{m} becslést tudjuk adni.