京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
R语言与点估计学习笔记(EM算法与Bootstrap法)
一、EM算法
EM算法是一种在观测到数据后,用迭代法估计未知参数的方法。可以证明EM算法得到的序列是稳定单调递增的。这种算法对于截尾数据或参数中有一些我们不感兴趣的参数时特别有效。
EM算法的步骤为:
E-step(求期望):在给定y及theta=theta(i)的条件下,求关于完全数据对数似然关于潜在变量z的期望
M-step(求极值):求上述期望关于theta的最大值theta(i+1)
重复以上两步,直至收敛即可得到theta的MLE。
从上面的算法我们可以看到对于一个参数的情况,EM仅仅只是求解MLE的一个迭代算法。M-step做得就是optimize函数做得事情。对于EM算法,我们也没有现成的求解函数(这个是自然的),我们一样可以通过人机交互的办法处理。
先举一个一元的例子:
设一次实验可能有4个结果,发生概率分别为0.5+theta/4, 0.25-theta/4 ,0.25-theta/4 ,theta/4.其中theta在0,1之间。现进行了197次实验,结果发生的次数分别为:125,18,20,34,求theta的MLE。
计算出theta(i+1)=(195theta(i)+68)/(197theta(i)+144)
为什么是这个结果,请翻阅王兆军《数理统计讲义》p43-p44
我们用简单的循环就可以解决这个问题,程序及结果如下:
>fun<-function(error=1e-7){
+theta<-0.5
+k<-1
+while(T){
+k<-k+1
+theta[k]<-(159*theta[k-1]+68)/(197*theta[k-1]+144)
+if(abs(theta[k]-theta[k-1])<error) break
+}
+list(theta<-theta[k],iter<-k)
+}
>fun()
[[1]]
[1]0.6268215
[[2]]
[1]9
我们再看一个二元的简单例子:
幼儿园里老师给a,b,c,d四个小朋友发糖吃,但老师有点偏心,不同小朋友得到糖的概率不同,p(a)=0.5,p(b)=miu, p(c)=2*miu, p(d)=0.5-3*miu 如果确定了参数miu,概率分布就知道了。我们可以通过观察样本数据来推测参数知道c和d二人得到的糖果数,也知道a与b二人的糖果数之和为h,如何来估计出参数miu呢?前面我们知道了,如果观察到a,b,c,d就可以用ML估计出miu。反之,如果miu已知,根据概率期望 a/b=0.5/miu,又有a+b=h。由两个式子可得到 a=0.5*h/(0.5+miu)和b=miu*h/(0.5+miu)。
># 已知条件
>
>h = 20
>c = 10
>d = 10
>
># 随机初始两个未知量
>miu = runif(1,0,1/6)
>b = round(runif(1,1,20))
>
>iter = 1
>nonstop=TRUE
>while (nonstop) {
+ # E步骤,根据假设的miu来算b
+ b = c(b,miu[iter]*h/(0.5+miu[iter]))
+ print(b)
+ # M步骤,根据上面算出的b再来计算miu
+ miu = c(miu,(b[iter+1] +c)/(6*(b[iter+1]+c+d)))
+ print(miu)
+ # 记录循环次数
+ iter = iter + 1
+ # 如果前后两次的计算结果差距很小则退出
+ nonstop =((miu[iter]-miu[iter-1])>10^(-10))
+}
[1]3.000000 4.450531
[1]0.14310878 0.09850182
>print(cbind(miu,b))
miu b
[1,]0.14310878 3.000000
[2,]0.09850182 4.450531
关于EM算法,及后续的发展GME的理论你可以在多数数理统计书上找到相关结论,也可以用类似办法编写函数处理它。
二、 自助法(bootstrap)
Bootstrap法是以原始数据为基础的模拟抽样统计推断法,可用于研究一组数据的某统计量的分布特征,特别适用于那些难以用常规方法导出对参数的区间估计、假设检验等问题。“Bootstrap”的基本思想是:在原始数据的围内作有放回的再抽样,样本含量仍为n,原始数据中每个观察单位每次被抽到的概率相等,为1,…,n,所得样本称为bootstrap样本。于是可得到参数Η的一个估计值Η(b),这样重复若干次,记为B。设B=1000,就得到该参数的1000个估计值,则参数Η的标准误的bootstrap估计。简而言之就是:既然样本是抽出来的,那我何不从样本中再抽样。
我们知道,如果分布函数F是已知的。在理论上就能够计算出参数的估计量的均方误差.若分布函数f未知,由格里文科-康特利定理知,当M充分大时,经验分布函数以概率1一致收敛到F。
我们举一例:利用bootstrap法估计标准正态分布随机变量的期望theta=E(X)
>gauss<-rnorm(100,2,6)
>boot<-0
>for(i in 1:1000){
+boot[i]=mean(sample(gauss,replace=T))
+}
>summary(boot)
Min. 1st Qu. Median Mean 3rd Qu. Max.
0.3345 1.9540 2.3350 2.3230 2.7020 4.2330
>summary(gauss)
Min. 1st Qu. Median Mean 3rd Qu. Max.
-13.380 -2.238 2.570 2.296 6.861 16.230
>sd(boot)
[1]0.599087
>sd(gauss)/sqrt(100)
[1]0.5906275
结果分析:
需要指出的是bootstrap法不是为了提高估计量的精度.而是一般用来对估计量的方差进行估计。
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
在数据指标体系搭建工作中,从业者常困惑于指标搭建的核心逻辑:究竟是依托一线零散数据自下而上汇总指标,还是基于战略目标自上 ...
2026-07-31在数据分析、问卷研究、实验复盘、业务建模的工作中,大多数人最关注的是“用什么统计方法”:是做T检验、方差分析、卡方检验, ...
2026-07-31 许多数据分析师精通Excel函数和SQL查询,但当面对一张上万行的销售明细表,要快速回答“哪个地区销量最高”“哪款产品增长最 ...
2026-07-31在问卷调研的数据分析流程中,“先检验信效度,再开展进阶统计分析”是通用的规范逻辑。很多从业者会听到“问卷效度高,后续可以 ...
2026-07-30【核心关键词】大数据、统计学、专业、毕业生、论文、课程、计算机、建模、知识、数据分析、机器学习、数据科学、大数据技术、 ...
2026-07-30 很多数据分析师掌握了Excel函数、会写SQL查询,但当被问到“数据从哪里来”“数据加工有哪些步骤”“如何使用分析工具连接数 ...
2026-07-30在业务数据分析中,按天拆分统计夜间时段的数据是高频需求——比如电商夜间订单监测、平台夜间用户活跃度分析、运维系统夜间异常 ...
2026-07-29在机器学习建模与特征工程实践中,判断不同特征对模型预测效果的贡献度,是特征筛选、模型解释、业务归因的核心环节。特征置换重 ...
2026-07-29 很多数据分析师精通Excel单元格操作,但当被问到“表结构数据的基本处理单位是什么”“字段和记录的本质区别”“为什么表结 ...
2026-07-29【核心关键词】岗位、数字化、经验、课程、方法论、决策、企业、大方向、数据分析、销售管理、理论知识、思维方式、分析销售、 ...
2026-07-28在问卷调研、用户分群、效果对比等业务数据分析中,分类变量的关联性与差异性验证是高频需求。卡方检验作为针对离散分类数据的经 ...
2026-07-28 数据分析师八成以上的时间在和数据表格打交道,但许多人拿到Excel后习惯性地先算、先分析,结果回头发现漏了一列关键数据, ...
2026-07-28在Excel数据分析与报表制作中,数据透视表是快速完成多维度汇总、分组统计的核心工具。很多从业者在得到透视表汇总结果后,为了 ...
2026-07-27 很多数据分析师每天与Excel打交道,但当被问到“表格结构数据的基本处理单位是什么”“数据类型误判会引发哪些分析错误”“ ...
2026-07-27当下,我们已然步入数据要素价值全面释放的智能时代。数据不再只是零散的数字记录,更是驱动新质生产力运转的核心动能、滋养人工 ...
2026-07-27【核心关键词】客户、数据分析、指标体系、数据采集、数据指标、业务数据、分析思路、业务需求、分析方法 【专访摘要】本次 CDA ...
2026-07-24在数据分析、业务建模与数字化运营体系中,原始业务数据普遍存在缺失、重复、异常、口径不一致等质量问题,直接用于分析与建模会 ...
2026-07-24 很多数据分析师能熟练计算均值、标准差,但当被问到“如何用一张图让业务方3秒内看懂核心结论”“面对不同数据类型该怎么选 ...
2026-07-24在数据驱动的精细化运营体系中,指标是业务判断、效果复盘、策略优化的核心依据。随着企业数据化程度提升,指标数量持续膨胀,但 ...
2026-07-23在用户运营与产品增长体系中,留存是衡量产品真实价值与用户粘性的核心标尺,也是决定用户生命周期价值、获客投产比的底层因素。 ...
2026-07-23