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2025-11-05-基于随机加权推断模型(IM)的参数估计算法

其他#参数估计#IM模型#泊松分布#统计学

基于随机加权推断模型(IM)的参数估计方法

不可观测的泊松过程 B∼Poisson(b)B \sim \text{Poisson}(b) 和 S∼Poisson(q)S \sim \text{Poisson}(q),观测值 Y=B+S∼Poisson(b+q)Y = B + S \sim \text{Poisson}(b + q) 和辅助变量 W∼Poisson(m⋅b)W \sim \text{Poisson}(m \cdot b),目标是估计参数 bb、qq m?

现提出基于随机加权推断模型(Inferential Model, IM)的算法通过引入随机权重处理离散分布,来构造置信区间

方法概述

随机加权 IM 方法的核心是通过引入均匀随机变量和权重,将离散泊松分布连续化,从而逆解参数 该方法假设 mm 已知算法分为四个步骤:建立关联模型、引入随机权重连续化、逆解参数、模拟验证覆盖率

算法步骤

1: 建立关联模型

对观测值 YY,其分布函数为 Fθ(y)F_{θ}(y),其中 θ=b+qθ = b + q 引入辅助变量 u∼Uniform(0,1)u \sim \text{Uniform}(0,1),建立关联:

Fθ(Y−1)≤u<Fθ(Y)F_{θ}(Y-1) \leq u < F_{θ}(Y)

对观测值 WW,其分布函数为 Fmb(w)F_{mb}(w),引入辅助变量 v∼Uniform(0,1)v \sim \text{Uniform}(0,1),建立关联:

Fmb(W−1)≤v≤Fmb(W)F_{mb}(W-1) \leq v \leq F_{mb}(W)

2: 引入随机权重进行连续化

引入随机权重 w1,w2∼Uniform(0,1)w_1, w_2 \sim \text{Uniform}(0,1),u,v∼Uniform(0,1)u, v \sim \text{Uniform}(0,1)构造方程:

G(θ):w1Fθ(Y−1)+(1−w1)Fθ(Y)=uG(θ): w_1 F_{θ}(Y-1) + (1-w_1) F_{θ}(Y) = u

H(mb):w2Fmb(W−1)+(1−w2)Fmb(W)=vH(mb): w_2 F_{mb}(W-1) + (1-w_2) F_{mb}(W) = v

GG 和 HH 是关于参数的函数,且由于泊松分布函的单调性,逆函数 G−1G^{-1} 和 H−1H^{-1} 存在

3: 逆解参数,使用 brentq 函数进行二分法求根

从上述方程解出 θθ 和 mbmb:

θ=G−1(u),mb=H−1(v)θ = G^{-1}(u), \quad mb = H^{-1}(v)

推导参数:

b=H−1(v)m,q=θ−b=G−1(u)−H−1(v)mb = \frac{H^{-1}(v)}{m}, \quad q = θ - b = G^{-1}(u) - \frac{H^{-1}(v)}{m}

得到 bb 和 qq 的表达式

4: 验证覆盖率

  • 模拟目标:检查构造的置信区间覆盖真实 qq 的概率是否接近 95%
  • 步骤:

生成观测数据:从分布生成一对观测值 (Y,W)(Y,W)

对于固定 (Y,W)(Y,W),生成大量样本(如 N=10000N=10000 个)的 u,v,w1,w2∼Uniform(0,1)u, v, w_1, w_2 \sim \text{Uniform}(0,1)

计算 qq 的候选值:对于每个样本,计算 qcandidate=G−1(u)−H−1(v)mq_{\text{candidate}} = G^{-1}(u) - \frac{H^{-1}(v)}{m}

构造置信区间:从 10000 个 q 值中取分位数,得到置信区间 [q_0.025,q_0.975][q\_{0.025}, q\_{0.975}]

检查覆盖率:重复步骤 2-5 多次( M=10000M=10000 次),每次生成新的 (Y,W)(Y,W),计算区间覆盖真实 qq 的比例覆盖率 =覆盖次数M= \frac{\text{覆盖次数}}{M}

算法实现