Qual è il valore atteso del logaritmo della distribuzione gamma?


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Se il valore atteso di è , qual è il valore atteso di ? Può essere calcolato analiticamente?Gamma(α,β)αβlog(Gamma(α,β))

La parametrizzazione che sto usando è la forma-frequenza.


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Se , quindi secondo mathStatica / Mathematica, + PolyGamma [a], dove PolyGamma indica la funzione digammaE [ log ( X ) ] = log ( b )XGamma(a,b)E[log(X)]=log(b)
wolfies

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Dovrei aggiungere che non fornisci il formato pdf della tua variabile Gamma e dato che riferisci che la media è (mentre per me sarebbe , sembra che tu stia usando una notazione diversa da me, dove youra b β = 1 / bα/βabβ=1/b
wolfies

Vero, scusa. La parametrizzazione che sto usando è la forma-frequenza. βαΓ(α)xα1eβx Proverò a trovarlo per questa parametrizzazione. Potresti suggerire la domanda per Mathematica / WolframAlpha?
Stefano Vespucci,

1
Vedi anche Johnson, Lotz e Balakrishna (1994) distribuzioni univariate continue Vol 1 2nd Ed. pagg. 337-349.
Björn,

Risposte:


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Questo (forse sorprendentemente) può essere fatto con semplici operazioni elementari (impiegando il trucco preferito di Richard Feynman di differenziare sotto il segno integrale rispetto a un parametro).


Supponiamo che X abbia una distribuzione Γ(α,β) e desideriamo trovare l'aspettativa di Y=log(X). Innanzitutto, poiché β è un parametro di scala, il suo effetto sarà quello di spostare il logaritmo di logβ. (Se si utilizza β come parametro di velocità , come nella domanda, si sposterà il logaritmo di logβ. ) Questo ci permette di lavorare con il caso β=1.

Dopo questa semplificazione, l'elemento probabilità di X è

fX(x)=1Γ(α)xαexdxx

dove Γ(α) è la costante normalizzante

Γ(α)=0xαexdxx.

Sostituendo x=ey, che comporta dx/x=dy, ottiene l'elemento probabilità di Y ,

fY(y)=1Γ(α)eαyeydy.

I valori possibili di Y ora spaziano tutti i numeri reali R.

Poiché fY deve integrarsi nell'unità, otteniamo (banalmente)

(1)Γ(α)=Reαyeydy.

Si noti che fY(y) è una funzione differenziabile di α.Un semplice calcolo dà

ddαeαyeydy=yeαyeydy=Γ(α)yfY(y).

Il passo successivo sfrutta la relazione ottenuta dividendo entrambi i lati di questa identità per Γ(α), esponendo così l'oggetto stesso che dobbiamo integrare per trovare l'attesa; vale a dire, yfY(y):

E(Y)=RyfY(y)=1Γ(α)Rddαeαyeydy=1Γ(α)ddαReαyeydy=1Γ(α)ddαΓ(α)=ddαlogΓ(α)=ψ(α),

la derivata logaritmica della funzione gamma (aka " poligamma "). L'integrale è stato calcolato utilizzando l'identità (1).

La reintroduzione del fattore β mostra che il risultato generale è

E(log(X))=logβ+ψ(α)

per una parametrizzazione della scala (dove la funzione di densità dipende da x/β ) o

E(log(X))=logβ+ψ(α)

per una parametrizzazione della frequenza (in cui la funzione di densità dipende da xβ ).


Con la funzione poligamma intendi di quale ordine (es. 0,1) essendo un digamma (come sottolineato da @wolfies), trigamma?
Stefano Vespucci,

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@Stefano intendo la derivata logaritmica di gamma, come affermato. Ciò significa ψ(z)=Γ(z)/Γ(z).
whuber

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La risposta di @whuber è abbastanza bella; In sostanza riaffermerò la sua risposta in una forma più generale che collega (a mio avviso) meglio con la teoria statistica e che chiarisce il potere dell'intera tecnica.

Considera una famiglia di distribuzioni {Fθ:θΘ} che costituiscono una famiglia esponenziale , nel senso che ammettono una densità

fθ(x)=exp{s(x)θA(θ)+h(x)}
rispetto a qualche misura dominante comune (di solito, Lebesgue o misura di conteggio). Differenziare entrambi i lati di
fθ(x) dx=1
rispetto aθ arriviamoall'equazione delpunteggio
()fθ(x)=fθ(x)fθ(x)fθ(x)=uθ(x)fθ(x) dx=0
doveuθ(x)=ddθlogfθ(x)è lafunzione scoree abbiamo definitofθ(x)=ddθfθ(x). Nel caso di una famiglia esponenziale, abbiamo
uθ(x)=s(x)A(θ)
doveA(θ)=ddθA(θ); questa è talvolta chiamatafunzione cumulativa, poiché evidentemente è strettamente correlata alla funzione di generazione cumulativa. Segue ora da()cheEθ[s(X)]=A(θ).

Ora mostriamo che questo ci aiuta a calcolare le aspettative richieste. Possiamo scrivere la densità gamma con β fisso come una famiglia esponenziale

fθ(x)=βαΓ(α)xα1eβx=exp{log(x)α+αlogβlogΓ(α)βx}.
αs(x)=logxA(α)=logΓ(α)αlogβddαA(α)
E[logX]=ψ(α)logβ.


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+1 Grazie per aver sottolineato questa bella generalizzazione.
whuber
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