Schätzen der Gammaverteilungsparameter unter Verwendung des Probenmittelwerts und der Standardeinstellung

Ich versuche, die Parameter einer Gammaverteilung zu schätzen , die am besten zu meiner Datenprobe passt. Ich möchte nur den Mittelwert , den Standardwert (und damit die Varianz ) aus der Datenstichprobe verwenden, nicht die tatsächlichen Werte - da diese in meiner Anwendung nicht immer verfügbar sind.

Gemäß diesem Dokument können die folgenden Formeln angewendet werden, um die Form und den Maßstab abzuschätzen:

Ich habe dies für meine Daten versucht, aber die Ergebnisse unterscheiden sich erheblich von der Anpassung einer Gammaverteilung an die tatsächlichen Daten mithilfe einer Python-Programmierbibliothek.

Ich hänge meine Daten / meinen Code an, um das vorliegende Problem zu zeigen:

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from scipy.stats import gamma

data = [91.81, 10.02, 27.61, 50.48, 3.34, 26.35, 21.0, 79.27, 31.04, 8.85, 109.2, 15.52, 11.03, 41.09, 10.75, 96.43, 109.52, 33.28, 7.66, 65.44, 52.43, 19.25, 10.97, 586.52, 56.91, 157.18, 434.74, 16.07, 334.43, 6.63, 108.41, 4.45, 42.03, 39.75, 300.17, 4.37, 343.19, 32.04, 42.57, 29.53, 276.75, 15.43, 117.67, 75.47, 292.43, 457.91, 5.49, 17.69, 10.31, 58.91, 76.94, 37.39, 64.46, 187.25, 30.0, 9.94, 83.05, 51.11, 17.68, 81.98, 4.41, 33.24, 20.36, 8.8, 846.0, 154.24, 311.09, 120.72, 65.13, 25.52, 50.9, 14.27, 17.74, 529.82, 35.13, 124.68, 13.21, 88.24, 12.12, 254.32, 22.09, 61.7, 88.08, 18.75, 14.34, 931.67, 19.98, 50.86, 7.71, 5.57, 8.81, 14.49, 26.74, 13.21, 8.92, 26.65, 10.09, 7.74, 21.23, 66.35, 31.81, 36.61, 92.29, 26.18, 20.55, 17.18, 35.44, 6.63, 69.0, 8.81, 19.87, 5.46, 29.81, 122.01, 57.83, 33.04, 9.91, 196.0, 34.26, 34.31, 36.55, 7.74, 6.68, 6.83, 18.83, 6.6, 50.78, 95.65, 53.91, 81.62, 57.96, 26.72, 76.25, 5.48, 4.43, 133.04, 33.37, 45.26, 30.51, 9.98, 11.08, 28.95, 71.25, 70.65, 3.34, 12.28, 111.67, 139.86, 23.34, 30.0, 26.38, 33.51, 1112.64, 25.87, 148.59, 552.79, 11.11, 47.8, 7.8, 9.98, 7.69, 85.46, 3.59, 122.71, 32.09, 82.51, 12.14, 12.57, 8.8, 49.61, 95.41, 26.99, 13.29, 4.57, 7.78, 4.4, 6.66, 12.17, 12.18, 1533.01, 22.95, 15.93, 14.82, 2.2, 12.04, 9.94, 17.64, 6.66, 18.64, 83.66, 142.99, 30.76, 67.57, 9.88, 46.44, 19.5, 22.2, 43.1, 653.67, 9.86, 7.69, 7.74, 27.19, 38.64, 12.32, 182.34, 43.13, 3.28, 14.32, 69.78, 32.2, 17.66, 18.67, 4.4, 9.05, 56.94, 33.32, 13.2, 15.07, 12.73, 3.32, 35.44, 14.35, 66.68, 51.28, 6.86, 75.49, 5.54, 21.0, 24.2, 38.1, 13.31, 7.78, 5.76, 51.86, 11.09, 20.71, 36.74, 21.97, 10.36, 32.04, 96.94, 13.93, 51.84, 6.88, 27.58, 100.56, 20.97, 828.16, 6.63, 32.15, 19.92, 253.23, 25.35, 23.35, 17.6, 43.18, 19.36, 13.7, 3.31, 22.99, 26.58, 4.43, 2.22, 55.46, 22.34, 13.24, 86.18, 181.29, 52.15, 5.52, 21.12, 34.24, 49.78, 14.37, 39.73, 78.22, 26.6, 20.19, 26.57, 105.8, 11.08, 46.47, 52.82, 13.46, 8.0, 7.74, 49.73, 4.4, 5.44, 51.7, 28.64, 8.95, 9.15, 4.46, 21.03, 29.92, 19.89, 4.38, 19.94, 7.77, 23.43, 57.07, 86.5, 12.82, 103.85, 39.63, 8.83, 42.32, 17.02, 14.29, 16.75, 24.4, 27.97, 8.83, 8.91, 24.23, 6.58, 30.97, 150.58, 122.73, 17.69, 37.11, 11.05, 298.23, 25.58, 9.91, 38.85, 17.24, 82.17, 42.11, 3.29, 38.63, 27.55, 18.22, 127.16, 57.66, 34.45, 41.26, 45.91, 9.88, 34.48, 484.33, 58.42, 30.09, 6.69, 254.49, 1313.58, 39.89, 3.31, 7.83, 10.98, 13.21, 67.78, 7.77, 117.72, 20.03, 83.23, 31.28, 38.97, 6.63, 6.63, 36.6, 22.12, 154.57, 112.65, 19.88, 674.18, 83.31, 5.54, 8.81, 11.06, 178.33, 30.47, 1180.39, 79.33, 37.74, 86.3, 16.61, 53.94, 52.78, 20.83, 11.15, 26.68, 86.04, 180.26, 99.62, 11.17, 28.74, 56.85, 15.51, 95.37, 44.09, 6.68, 12.14, 6.72, 19.81, 10.05, 34.26, 69.84, 14.35, 17.72, 8.81, 20.86, 37.69, 24.62, 72.11, 8.83, 7.69, 60.79, 20.02, 9.41, 13.24, 29.8, 43.09, 25.34, 174.34, 161.6, 119.34, 30.08, 54.15, 7.74, 249.29, 9.98, 21.87, 38.92, 98.45, 95.07, 7.74, 4.45, 81.98, 12.18, 28.66, 5.58, 59.94, 22.15, 9.98, 18.86, 6.69, 134.97, 13.29, 4.43, 8.88, 5.74, 25.16, 122.39, 3.53, 6.68, 3.4, 17.58, 62.51, 584.3, 46.63, 21.19, 22.14, 5.74, 8.19, 7.74, 7.64, 4.41, 3.32, 130.76, 3.29, 31.04, 3.26, 18.83, 168.31, 7.68, 120.19, 43.95, 747.12, 18.75, 306.24, 29.72, 5.57, 6.65, 53.2, 7.96, 25.34, 25.57, 8.85, 93.59, 92.96, 23.4, 60.0, 6.63, 12.15, 49.98, 39.75, 7.77, 5.73, 18.74, 11.58, 281.32, 13.99, 4.59, 13.35, 25.05, 9.98, 5.58, 91.43, 288.94, 15.43, 7.8, 9.92, 18.69, 6.63, 78.38, 18.86, 63.03, 26.38, 166.41, 27.78, 54.21, 173.32, 11.12, 17.85, 14.43, 31.31, 3.37, 16.63, 5.51, 77.74, 8.89, 17.71, 3.24, 9.28, 22.12, 2.2, 19.41, 12.23, 22.31, 9.36, 18.85, 51.5, 8.3, 23.0, 29.7, 29.81, 4.65, 75.77, 55.52, 144.45, 6.68, 13.26, 72.78, 56.71, 46.35, 6.63, 8.88, 6.61, 41.7, 15.09, 5.51, 18.78, 74.09, 487.0, 27.52, 18.99, 44.18, 41.76, 6.65, 23.62, 175.68, 446.38, 87.13, 165.69, 16.57, 7.88, 16.57, 80.17, 135.75, 3.29, 134.16, 25.58, 45.13, 114.23, 471.15, 97.75, 12.2, 32.01, 62.21, 22.36, 193.55, 210.65, 42.39, 27.57, 106.15, 44.76, 16.6, 134.76, 18.81, 14.76, 7.97, 160.59, 39.21, 60.36, 62.45, 72.18, 91.15, 23.71, 105.04, 70.87, 25.57, 122.09, 60.09, 38.8, 133.87, 4.41, 13.28, 45.63, 45.41, 67.81, 26.68, 97.33, 723.5, 5.51, 164.05, 165.32, 4.45, 57.67, 85.82, 11.56, 12.26, 17.97, 31.04, 76.72, 15.01, 35.88, 32.37, 23.63, 85.57, 9.34, 4.45, 90.25, 73.71, 45.99, 14.24, 176.85, 65.21, 9.92, 15.02, 12.9, 21.4, 59.94, 64.62, 37.53, 147.89, 36.52, 97.67, 16.65, 22.1, 23.38, 76.85, 16.58, 7.72, 17.75, 91.25, 9.91, 18.46, 4.45, 3.29, 73.18, 19.5, 5.58, 18.85, 28.64, 7.8, 43.74, 4.43, 7.99, 132.4, 41.48, 14.45, 8.78, 8.14, 9.95, 2.46, 16.61, 32.71, 17.74, 4.46, 68.25, 34.55, 9.92, 181.31, 37.63, 125.22, 25.37, 24.45, 220.92, 11.09, 35.46, 588.56, 58.21, 22.39, 78.55, 135.13, 280.65, 273.41, 381.07, 60.56, 68.63, 40.17, 27.68, 23.68, 23.15, 28.8, 20.94, 21.92, 159.06, 9.94, 127.52, 32.4, 15.93, 99.09, 48.31, 104.66, 257.4, 117.08, 180.32, 66.55, 95.99, 17.74, 30.14, 270.54, 39.8, 54.77, 16.04, 76.99, 5.43, 8.78, 76.96, 10.39, 18.47, 290.11, 48.35, 289.06, 10.44, 57.75, 47.83, 101.62, 96.3, 71.62, 256.97, 149.45, 22.17, 23.15, 89.25, 36.46, 90.03, 69.14, 28.27, 28.72, 17.44, 43.38, 56.72, 84.96, 25.4, 55.06, 47.68, 92.11, 6.65, 30.94, 15.38, 27.44, 516.55, 5.83, 19.45, 41.53, 110.69, 6.82, 54.09, 13.31, 89.8, 25.57, 110.89, 3.32, 93.76, 33.81, 80.87, 30.9, 58.53, 185.22, 4.38, 58.75, 189.53, 7.19, 7.8, 48.97, 28.8, 48.52, 45.96, 309.44, 29.16, 2.22, 255.91, 78.7, 102.67, 33.32, 43.2, 19.5, 91.59, 139.89, 5.51, 213.96, 10.02, 10.03, 39.87, 8.95, 27.74, 7.78, 65.93, 45.41, 263.21, 33.06, 5.54, 59.77, 2.2, 9.95, 14.38, 44.76, 96.45, 15.91, 133.07, 38.03, 36.43, 7.83, 105.41, 20.5, 25.35, 20.55, 119.59, 24.31, 28.81, 101.0, 67.0, 143.85, 20.55, 83.45, 60.62, 25.19, 6.65, 1745.95, 41.62, 44.96, 65.42, 9.92, 24.23, 73.56, 34.35, 75.72, 18.77, 88.59, 312.55, 56.43, 106.61, 11.44, 22.04, 5.73, 197.92, 25.32, 144.83, 145.36, 4.43, 18.33, 48.72, 33.42, 8.83, 18.85, 32.25, 88.56, 14.95, 147.39, 9.25, 35.24, 141.51, 14.41, 5.49, 42.28, 75.69, 16.96, 6.71, 17.33, 710.34, 68.92, 28.39, 24.98, 33.03, 31.06, 46.24, 36.77, 43.74, 11.48, 22.14, 13.21, 15.8, 21.9, 5.51, 20.66, 22.04, 127.0, 21.03, 36.75, 61.45, 42.12, 238.3, 57.43, 28.61, 31.31, 15.43, 8.88, 54.26, 34.01, 5.79, 8.02, 25.68, 19.67, 29.19, 4.38, 15.05, 5.57, 32.31, 81.68, 29.92, 397.98, 119.2, 5.52, 25.54, 12.78, 17.78, 100.97, 253.58, 8.92, 22.04, 22.03, 86.57, 97.27, 106.29, 33.31, 13.34, 35.57, 40.75, 6.57, 23.32, 6.63, 30.09, 62.39, 35.62, 25.23, 5.49, 77.67, 4.41, 8.77, 12.09, 32.0, 7.75, 25.44, 27.57, 25.51, 81.59, 8.83, 64.15, 48.92, 52.25, 2.2, 13.29, 15.52, 320.64, 22.26, 21.03, 79.27, 6.61, 59.38, 40.19, 43.07, 2.26, 20.97, 8.8, 205.43, 51.82, 8.78, 90.72, 6.63, 14.46, 85.62, 72.53, 29.24, 68.81, 67.6, 1.15, 13.15, 17.71, 20.06, 77.42, 167.72, 5.54, 34.45, 5.51, 54.04, 7.8, 79.91, 4.62, 66.39, 164.13, 78.1, 49.72, 19.92, 28.92, 709.25, 18.19, 875.38, 60.92, 5.55, 71.14, 301.2, 27.74, 34.26, 108.78, 88.28, 75.83, 7.82, 8.78, 44.68, 20.98, 41.9, 8.88, 124.18, 198.8, 180.0, 71.61, 119.27, 59.33, 3.28, 43.88, 14.46, 64.34, 158.59, 41.98, 32.28, 14.43, 48.49, 2.36, 14.38, 25.52, 7.83, 2.2, 292.18, 8.97, 36.18, 7.8, 8.89, 43.26, 25.35, 12.29, 6.88, 34.48, 11.09, 16.57, 35.99, 13.45, 6.6, 162.65, 13.23, 26.91, 55.62, 61.4, 48.47, 89.62, 7.77, 6.65, 11.56, 23.28, 6.66, 7.74, 4.62, 5.8, 24.56, 10.16, 8.91, 14.45, 25.37, 6.61, 75.29, 11.03, 36.75, 38.61, 36.52, 17.75, 61.87, 31.92, 120.9, 144.82, 70.98, 19.98, 80.09, 30.17, 35.48, 2.4, 42.15, 24.29, 111.26, 71.9, 158.23, 49.75, 7.75, 13.28, 10.97, 5.51, 34.37, 56.61, 138.83, 231.4, 20.17, 29.89, 20.27, 7.69, 77.35, 12.26, 1144.41, 9.95, 7.72, 196.64, 499.4, 114.38, 24.43, 94.88, 75.15, 4.48, 8.89, 196.05, 95.15, 99.28, 42.36, 234.32, 4.59, 80.97, 237.69, 89.34, 4.51, 6.68, 148.42, 108.58, 5.48, 132.38, 7.94, 204.74, 11.08, 74.24, 146.22, 79.5, 17.68, 10.51, 550.77, 45.35, 23.28, 47.57, 40.56, 114.76, 29.81, 15.51, 11.0, 26.61, 6.74, 142.82, 12.17]

Einige Infos zu den Daten:

Mittelwert: 68.71313036020582, Abweichung: 19112.931263699986, Standardabweichung: 138.24952536518882, Anzahl Elemente in Trainingsdaten: 1166

Histogramm der Daten:

Verwenden der Python-Bibliothek zum Anpassen:

x = np.linspace(0,300,1000)
# Gamma
shape, loc, scale = gamma.fit(data, floc=0)
print(shape, loc, scale)
y = gamma.pdf(x, shape, loc, scale)
plt.title('Fitted Gamma')
plt.plot(x, y)
plt.show()

Parameter: 0,7369587045435088 0 93,2387797804

Geschätzt es selbst:

def calculateGammaParams(data):
    mean = np.mean(data)
    std = np.std(data)
    shape = (mean/std)**2
    scale = (std**2)/mean
    return (shape, 0, scale)

eshape, eloc, escale = calculateGammaParams(data)
print(eshape, eloc, escale)
ey = gamma.pdf(x, eshape, eloc, escale)
plt.title('Estimated Gamma')
plt.plot(x, ey)
plt.show()

Parameter: 0,247031406055 0 278,155443705

Man kann deutlich einen großen Unterschied sehen.

Sowohl die MLEs als auch die momentbasierten Schätzer sind konsistent, und Sie würden erwarten, dass sie in ausreichend großen Stichproben aus einer Gammaverteilung eher ähnlich sind. Sie werden jedoch nicht unbedingt gleich sein, wenn die Verteilung nicht nahe an einem Gamma liegt.

Betrachtet man die Verteilung des Protokolls der Daten, so ist sie ungefähr symmetrisch - oder tatsächlich etwas schief. Dies zeigt an, dass das Gammamodell ungeeignet ist (für ein Gamma sollte das Log schief bleiben).

Es kann sein, dass ein inverses Gammamodell für diese Daten eine bessere Leistung erbringt. Dieselbe leichte Abweichung von der rechten Seite in den Protokollen würde sich jedoch auch bei einer Reihe anderer Distributionen bemerkbar machen - wir können nicht wirklich viel sagen, wenn man die Richtung der Abweichung auf der Protokollskala zugrunde legt.

Dies kann ein Teil der Erklärung dafür sein, warum die beiden Schätzungssätze nicht übereinstimmen - die Methode der Momente und die MLEs sind in der Regel nicht miteinander konsistent.

Sie können inverse Gamma-Parameter schätzen, indem Sie die Daten invertieren, ein Gamma anpassen und diese Parameterschätzungen dann beibehalten. Sie können auch logarithmische Normalparameter anhand des Mittelwerts und der Standardabweichung schätzen (mehrere Beiträge auf der Website zeigen, wie oder siehe Wikipedia ). Je schwerer der Verteilungsschweif ist, desto schlechter ist die Methode der Momentschätzer.

Es scheint (aus den Kommentaren unter meiner Antwort), dass das eigentliche Problem darin besteht, dass Parameterschätzungen "online" aktualisiert werden müssen, um nur zusammenfassende Informationen, nicht die gesamten Daten zu übernehmen, und Parameterschätzungen aus den zusammenfassenden Informationen zu aktualisieren. Der Grund für die Verwendung des Stichprobenmittelwerts und der Varianz in der Frage besteht darin, dass sie schnell aktualisiert werden können.

Sie sind jedoch nicht die einzigen Dinge, die schnell aktualisiert werden können!

$f_{X}(x\mid \theta )=\exp \left(\eta (\theta )\cdot T(x)-A(\theta )+B(x)\right)\,$$T(x)$

$\theta$$T$

Für alle von mir diskutierten Distributionen (Gamma, Lognormal, Inverses Gamma) lassen sich die ausreichenden Statistiken leicht aktualisieren. Aus Stabilitätsgründen empfehle ich, die folgenden Mengen zu aktualisieren (die für alle drei Verteilungen ausreichen):

• der Mittelwert der Daten

• der Mittelwert der Protokolle der Daten

• die Varianz der Protokolle der Daten

Für die tatsächliche maximale Wahrscheinlichkeit würden Sie verwenden $s^2_n$$n$

$\frac{1}{n}\sum x_i^2-\bar{x}^2$

$0$$\infty$

$\mbox{E}(X) = \alpha \theta$$\mbox{Var}[X] = \alpha \theta^2$$\alpha$$\theta$$\alpha$$\theta$$\alpha = \mbox{E}[X]^2/\mbox{Var}[X]$$\theta = \mbox{Var}[X] / \mbox{E}[X]$$\hat{\alpha} = \bar{x}^2 / s^2$$\hat{\theta} = s^2 / \bar{x}$

Das sind nicht die MLEs (siehe auch wikipedia ). Ich weiß nicht, welche Bibliothek Sie für die Schätzung der Parameter verwendet haben, aber in der Regel liefern solche Bibliotheken MLEs. Und diese können etwas anders sein als die Methode der Momentschätzung.

$\alpha$$\theta$

Aktualisieren:

Nach dem Posten der Daten verwendete ich R, um die MLEs und die Methode der Momentschätzungen zu erhalten. Dies ergibt:

> library(MASS)
> fitdistr(y, dgamma, start=list(shape=1, scale=1))
      shape         scale   
   0.73684030   93.26893829 
 ( 0.02613277) ( 4.59104121)

> mean(y)^2 / var(y)
[1] 0.2468195
> var(y) / mean(y)
[1] 278.3942

Also im Wesentlichen das gleiche wie mit Python erhalten wurde. Die Schätzungen sind also einfach so unterschiedlich, wenn die maximale Wahrscheinlichkeit im Vergleich zur Methode der Momente geschätzt wird.