Errore di previsione previsto - derivazione


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Faccio fatica a capire la derivazione dell'errore di predizione previsto per sotto (ESL), in particolare sulla derivazione di 2.11 e 2.12 (condizionamento, il passo verso il minimo puntuale). Eventuali puntatori o link molto apprezzati.

Di seguito sto riportando l'estratto di ESL pag. 18. Le prime due equazioni sono, in ordine, l'equazione 2.11 e 2.12.


Consenti a indicare un vettore di input casuale con valori reali e una variabile di output casuale con valori reali, con distribuzione congiunta . Cerchiamo una funzione per predire dati valori di ingresso . Questa teoria richiede una funzione di perdita per penalizzare gli errori di predizione, e di gran lunga la più comune e conveniente è la perdita di errori al quadrato : . Questo ci conduce a un criterio per la scelta di ,X∈RpY∈RPr(X,Y)f(X)YX L(Y,f(X))L(Y,f(X))=(Y−f(X))2f

EPE(f)=E(Y−f(X))2=∫[y−f(x)]2Pr(dx,dy)

l'errore di previsione previsto (al quadrato). Condizionando su X , possiamo scrivere EPE come

EPE(f)=EXEY|X([Y−f(X)]2|X)

e vediamo che è sufficiente ridurre al minimo EPE:

f(x)=argmincEY|X([Y−c]2|X)

La soluzione è

f(x)=E(Y|X=x)

l'attesa condizionale, nota anche come funzione di regressione .


Scambiare e nella prima equazione nell'articolo di Wikipedia sulla Legge delle aspettative totali fornisce l'equivalenza di (2.9) e (2.11). Leggi l'articolo per prove. (2.12) è immediato, a condizione che debba essere scelto al fine di ridurre al minimo l'EPE. XYf
— whuber

3
Nota a
— margine

2
Per coloro che leggono anche questo libro, dai un'occhiata a queste note complete di Weathermax ed Epstein
— Dodgie,

@Dodgie Quel link è morto: (
— Matthew Drury,

2
@MatthewDrury Fortunatamente un googling di "statistiche WeatherMax e Epstein" ha restituito un collegamento come il primo risultato;) - waxworksmath.com/Authors/G_M/Hastie/WriteUp/...
— Dodgie

Risposte:


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EPE(f)=∫[y−f(x)]2Pr(dx,dy)=∫[y−f(x)]2p(x,y)dxdy=∫x∫y[y−f(x)]2p(x,y)dxdy=∫x∫y[y−f(x)]2p(x)p(y|x)dxdy=∫x(∫y[y−f(x)]2p(y|x)dy)p(x)dx=∫x(EY|X([Y−f(X)]2|X=x))p(x)dx=EXEY|X([Y−f(X)]2|X=x)

3
Capisco quello che hai scritto, ma pensi che se l'OP fosse confuso dalla derivazione mostrata nella domanda, capirà la tua risposta? ovviamente, ho già capito la derivazione mostrata nella domanda.
— Mark L. Stone,

Sono arrivato qui da Google con la stessa domanda e in realtà trovo che questa derivazione sia esattamente ciò di cui avevo bisogno.
— Punto e virgola e nastro

1
@ MarkL.Stone - questa potrebbe essere una domanda stupida, ma potresti spiegare cosa si intende per e come diventa ? Grazie p ( x , y ) d x d yPr(dx,dy)p(x,y)dxdy
— mille

1
Ciò che si intende per primo è il secondo. Penso che sia più comune usare invece dP (x, y) o dF (x, y). In 1D, vedrai spesso dF (x) come f (x) dx, dove f (x) è la funzione di densità di probabilità, ma la notazione può anche consentire una funzione di massa di probabilità discreta (in somma) o anche una miscela di densità continua e massa di probabilità discreta.
— Mark L. Stone,

Non sarebbe più preciso dire (ultima formula) ? EX(EY|X([Y−f(X)]2|X=x))
— D1X

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L'equazione (2.11) è una conseguenza della seguente piccola uguaglianza. Per due variabili casuali e e qualsiasi funzioneZ 2 gZ1Z2g

EZ1,Z2(g(Z1,Z2))=EZ2(EZ1∣Z2(g(Z1,Z2)∣Z2))

La notazione è l'aspettativa sulla distribuzione congiunta . La notazione dice essenzialmente "integra sulla distribuzione condizionale di come se fosse corretto".EZ1,Z2 Z 1 Z 2EZ1∣Z2Z1Z2

È facile verificarlo nel caso in cui e siano variabili casuali discrete semplicemente svolgendo le definizioni coinvolteZ 2Z1Z2

EZ2(EZ1∣Z2(g(Z1,Z2)∣Z2))=EZ2(∑z1g(z1,Z2)Pr(Z1=z1∣Z2))=∑z2(∑z1g(z1,z2)Pr(Z1=z1∣Z2=z2))Pr(Z2=z2)=∑z1,z2g(z1,z2)Pr(Z1=z1∣Z2=z2)Pr(Z2=z2)=∑z1,z2g(z1,z2)Pr(Z1=z1,Z2=z2)=EZ1,Z2(g(Z1,Z2))

Il caso continuo può essere visto in modo informale come un limite di questo argomento o verificato formalmente una volta che tutte le misure teoriche sono in atto.

Per svolgere l'applicazione, prendere , e . Tutto si allinea esattamente.Z1=YZ2=Xg(x,y)=(y−f(x))2

L'asserzione (2.12) ci chiede di considerare la riduzione al minimo

EXEY∣X(Y−f(X))2

dove siamo liberi di scegliere come desideriamo. Ancora una volta, concentrandoci sul caso discreto e scendendo a metà nello svolgersi sopra, vediamo che stiamo minimizzandof

∑x(∑y(y−f(x))2Pr(Y=y∣X=x))Pr(X=x)

Tutto all'interno della grande parentesi non è negativo e puoi minimizzare una somma di quantità non negative minimizzando le somme singolarmente. Nel contesto, ciò significa che possiamo scegliere per ridurre a iconaf

∑y(y−f(x))2Pr(Y=y∣X=x)

individualmente per ogni valore discreto di . Questo è esattamente il contenuto di ciò che ESL afferma, solo con una notazione più elaborata.x


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Trovo che alcune parti di questo libro esprimano in un modo che è difficile da capire, specialmente per coloro che non hanno un forte background nelle statistiche.

Proverò a renderlo semplice e spero che tu possa liberarti della confusione.

Rivendicazione 1 (Smoothing) E(X)=E(E(X|Y)),∀X,Y

Prova : si noti che E (Y) è una costante ma E (Y | X) è una variabile casuale che dipende da X.

E(E(X|Y))=∫E(X|Y=y)fY(y)dy=∫∫xfX|Y(x|y)dxfY(y)dy=∫∫xfX|Y(x|y)fY(y)dxdy=∫∫xfXY(x,y)dxdy=∫x(∫fXY(x,y)dy)dx=∫xfX(x)dx=E(X)

Rivendicazione 2 :E(Y−f(X))2≥E(Y−E(Y|X))2,∀f

Prova :

E((Y−f(X))2|X)=E(([Y−E(Y|X)]+[E(Y|X)−f(X)])2|X)=E((Y−E(Y|X))2|X)+E((E(Y|X)−f(X))2|X)+2E((Y−E(Y|X))(E(Y|X)−f(X))|X)=E((Y−E(Y|X))2|X)+E((E(Y|X)−f(X))2|X)+2(E(Y|X)−f(X))E(Y−E(Y|X))|X)( since E(Y|X)−f(X) is constant given X)=E((Y−E(Y|X))2|X)+E((E(Y|X)−f(X))2|X) ( use Claim 1 )≥E((Y−E(Y|X))2|X)

Prendendo le aspettative entrambi i lati dell'equazione di cui sopra danno la rivendicazione 2 (QED)

Pertanto, la f ottimale èf(X)=E(Y|X)

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