Propagazione dell'errore utilizzando la serie Taylor del 2 ° ordine


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Sto leggendo un testo, "Statistica matematica e analisi dei dati" di John Rice. Ci interessa ravvicinamento del valore atteso e varianza della variabile casuale . Siamo in grado di calcolare il valore atteso e la varianza della variabile casuale e conosciamo la relazione . Quindi, è possibile approssimare il valore atteso e la varianza di usando l'espansione della serie di Taylor di circa .YXY=g(X)YgμX

A pagina 162, elenca 3 equazioni.

  1. Il valore atteso di utilizzando l'espansione della serie Taylor del 1 ° ordine. È: . Questo è indicato più avanti nella mia domanda come .YμYg(μX)E(Y1)

  2. La varianza di utilizzando l'espansione della serie Taylor del 1 ° ordine. È: . Questo è indicato più avanti nella mia domanda come .YσY2σX2(g(μX))2Var(Y1)

  3. Il valore atteso di utilizzando l'espansione della serie Taylor del 2 ° ordine. È . Questo è indicato più avanti nella mia domanda come E (Y_2) .YμYg(μX)+12σX2g(μX)E(Y2)

Nota che ci sono due espressioni diverse per Y perché stiamo usando due ordini diversi nell'espansione della serie Taylor. Le equazioni 1 e 2 si riferiscono a Y1=g(X)g(μX)+(XμX)g(μX) . L'equazione 3 si riferisce a Y2=g(X)g(μX)+(XμX)g(μX)+12(XμX)2g(μX) .

Si noti che non viene specificata l'equazione per Var(Y2) . Successivamente, l'autore sembra utilizzare l'equazione per la varianza di Y1 (equazione 2), quando in realtà si riferisce al valore atteso di Y2 (equazione 3). Ciò sembra implicare Var(Y2)=Var(Y1) .

Ho provato a calcolare a mano e sto ottenendo un'espressione piuttosto complicata. Ecco il mio lavoro (mi sono fermato perché alla fine sto ricevendo termini nell'aspettativa): X 3 V a r ( Y 2 )Var(Y2)X3

Var(Y2)=E[(g(μX)+(XμX)a+12(XμX)2bg(μX)12σX2b)2]=E[((XμX)a+(12(XμX)212σX2)b)2]=E[(ca+(12c212σX2)b)2]=E[c2a2+ca(c2σX2)b+14(c2σX2)2b2]=E[(X22XμX+μX2)a2+(XμX)a((X22XμX+μX2)σX2)b+14((X22XμX+μX2)σX2)2b2]

Si noti che nelle equazioni precedenti, , e . Che cos'è ?b = g ( μ X ) c = X - μ X V a r ( Y 2 )a=g(μX)b=g(μX)c=XμXVar(Y2)

Grazie.


Perché ti sei fermato a ? Poiché l'approssimazione del secondo ordine è una funzione quadratica di , la sua varianza coinvolgerà generalmente momenti di fino a . Il terzo momento potrebbe essere zero, ma il quarto momento verrà sicuramente mostrato e non cancellato da nulla. X X 2 2 = 4X3XX22=4
whuber

Risposte:


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Supponendo , possiamo derivare la varianza approssimativa di usando l'espansione di Taylor del secondo ordine di circa come segue:Y g ( X ) μ X = E [ X ]Y=g(X)Yg(X)μX=E[X]

Var[Y]=Var[g(X)]Var[g(μX)+g(μX)(XμX)+12g(μX)(XμX)2]=(g(μX))2σX2+14(g(μX))2Var[(XμX)2]+g(μX)g(μX)Cov[XμX,(XμX)2]=(g(μX))2σX2+14(g(μX))2E[(XμX)4σX4]+g(μX)g(μX)(E(X3)3μX(σX2+μX2)+2μX3)=(g(μX))2σX2+14(g(μX))2(E[X4]4μXE[X3]+6μX2(σX2+μX2)3μX4σX4)+g(μX)g(μX)(E(X3)3μX(σX2+μX2)+2μX3)

Come @whuber rilevare nei commenti, questo può essere ripulito un po 'utilizzando il terzo e quarto momenti centrali di . Un momento centrale è definito come . Si noti che . Usando questa nuova notazione, abbiamo che Xμk=E[(XμX)k]σX2=μ2

Var[Y](g(μX))2σX2+g(μX)g(μX)μ3+14(g(μX))2(μ4σX4)

Questo è l'approccio giusto, ma non hai dimenticato di includere la covarianza tra e ? XμX(XμX)2
whuber

@whuber Sì, l'ho fatto. Grazie per la segnalazione. Lo modificherò presto.
assunto il

Puoi evitare qualche problema scrivendo la risposta in termini di secondo, terzo e quarto momento centrale , , e . Dovresti ottenere . σ2μ3μ4σ2g(μ)2+μ3g(μ)g(μ)+14(μ4σ4)g(μ)2
whuber

@jrand - Le mie scuse. Non mi ero reso conto che avevi questo nel tuo post originale. Non sto eliminando il mio post, però, perché ci è voluto un po 'di tempo per comporre.
assunto normale il

@Max, whuber: grazie per la risposta e la spiegazione.
jrand
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