指数分布族

#卡片笔记

Define1

称一个概率密度函数族或概率质量函数族为指数族(exponential family),如果它能统一表示为:

f(xθ)=h(x)c(θ)exp(i=1kwi(θ)ti(x))

θ 是向量值参数

Example 1 (二项指数族)

二项分布族满足 X~b(n,p),又称 Bernoulli 分布
该分布族的概率密度函数为:

f(xp)=(nx)px(1p)nx=(nx)(1p)n(p1p)x=(nx)(1p)nexp(log(p1p)x)

显然,$$\begin{aligned}&h(x)=\begin{cases}\binom nx,&x=0,\cdots,n\0,&\text{其他}\end{cases},{c(p)=(1-p)^n,0<p<1}\&w_1(p)=\log\left(\frac p{1-p}\right),0<p<1,\quad\text{以及 }t_1(x)=x\end{aligned}$$

Example 2

Theorem 1 (指数族的矩)

E(i=1kwi(θ)θjti(X))=θjlogc(θ)Var(i=1kwi(θ)θjti(X))=2θj2logc(θ)E(i=1k2wi(θ)θj2ti(X))

Proof 1 E(i=1kwi(θ)θjti(X))=θjlogc(θ)

定义似然函数

L(x,θ)=logf(xθ)=logh(x)+logc(θ)+(i=1kwi(θ)ti(x))

Uj(x,θ)=θjL(x,θ)=θjlogc(θ)+(i=1kwi(θ)θjti(X))

只要证明 E(Uj)=0,原题目得证。

Proof 1.1 (E(Uj)=0)

E(Uj)=+θjlogf(xθ)f(xθ)dx=+θjf(xθ)dx=θj+f(xθ)dx=0
Proof 2 Var(i=1kwi(θ)θjti(X))=2θj2logc(θ)E(i=1k2wi(θ)θj2ti(X))

E(Uj2)=+[θjlogc(θ)+(i=1kwi(θ)θjti(X))]2f(xθ)dx=Var(i=1kwi(θ)θjti(X))

注意到等式右边

2θj2logc(θ)E(i=1k2wi(θ)θj2ti(X))=E(θjUj(x,θ))

故原问题化为:证

E(U2)=E(θjUj(x,θ))E(θjUj)=+2θj2logffdx=+θj(1ffθj)fdx=+(1f2fθj1fθjfθj)fdx=E(U2)+2θj2fdx=E(U2)

Q.E.D