Яке очікуване значення логарифму розподілу гамми?


14

Якщо очікуване значення Gamma(α,β) дорівнює αβ , яке очікуване значенняlog⁡(Gamma(α,β))? Чи можна це обчислити аналітично?

Параметризація, яку я використовую, є швидкістю форми.


4
Якщо , то відповідно до mathStatica / Mathematica, E [ log ( X ) ] = log ( b ) + PolyGamma [a], де PolyGamma позначає функцію X∼Gamma(a,b)E[log⁡(X)]=log⁡(b)
— digamma

1
Я хотів би додати , що ви не надасте Ф форми змінної Gamma, і так як ви повідомляєте про те , що середнє значення ( в той час як для мене це було б в б , в цьому випадку ви використовуєте інше позначення , ніж я, де ваш β = 1 / bα/βабβ=1/б
— вовчить

Правда, вибач. Параметризація, яку я використовую, є швидкістю форми. Я спробую знайти його для цієї параметризації. Чи можете ви запропонувати запит щодо Mathematica / WolframAlpha? βαΓ(α)xα−1e−βx
— Стефано Веспуччі

1
Див. Також Джонсон, Лотц та Балакришна (1994) безперервного одноманітного розподілу, том 1, 2-е вид. С. 337-349.
— Бьорн

Відповіді:


16

Це (можливо, напрочуд) можна зробити простими елементарними операціями (використовуючи улюблений трюк Річарда Фейнмана для розрізнення під цілісним знаком щодо параметра).


Ми припускаємо, що X має розподіл Γ(α,β) і ми хочемо знайти очікування Y=log⁡(X). По-перше, оскільки β - параметр масштабу, його ефектом буде зміщення логарифму на log⁡β. (Якщо ви використовуєте β як параметр швидкості , як у питанні, він змістить логарифм на −log⁡β. ) Це дозволяє нам працювати з випадком β=1.

Після цього спрощення елемент ймовірності X є

fX(x)=1Γ(α)xαe−xdxx

де Γ(α) - нормалізуюча константа

Γ(α)=∫0∞xαe−xdxx.

Підстановка x=ey, що тягне за собою dx/x=dy, дає елемент ймовірності Y ,

fY(y)=1Γ(α)eαy−eydy.

Можливі значення Y Тепер пробігають всі речові числа R.

Оскільки fY повинен інтегруватися до єдності, ми отримуємо (тривіально)

(1)Γ(α)=∫Reαy−eydy.

Помітка fY(y) є диференційованою функцією α.Простий розрахунок дає

ddαeαy−eydy=yeαy−eydy=Γ(α)yfY(y).

Наступний крок використовує відношення, отримане діленням обох сторін цієї тотожності на Γ(α), тим самим розкриваючи той самий об’єкт, який нам потрібно інтегрувати, щоб знайти очікування; а саме, yfY(y):

E(Y)=∫RyfY(y)=1Γ(α)∫Rddαeαy−eydy=1Γ(α)ddα∫Reαy−eydy=1Γ(α)ddαΓ(α)=ddαlog⁡Γ(α)=ψ(α),

логарифмічна похідна гамма-функції ( відома також як « полігама »). Інтеграл був обчислений з використанням ідентичності (1).

Повторне введення коефіцієнта β показує, що загальний результат є

E(log⁡(X))=log⁡β+ψ(α)

для параметризації шкали (де функція щільності залежить від x/β ) або

E(log⁡(X))=−log⁡β+ψ(α)

для параметризації швидкості (де функція щільності залежить від xβ ).


Під функцією полігамми ви маєте на увазі, у якому порядку (наприклад, 0,1) є дигамма (як зазначає @wolfies), тригамма?
— Стефано Веспуччі

1
@ Стефано Я маю на увазі логарифмічну похідну гами, як зазначено. Це означає, що ψ(z)=Γ′(z)/Γ(z).
— whuber

14

Відповідь @whuber досить приємна; Я, по суті, пересвідчую його відповідь у більш загальній формі, яка краще (на мою думку) пов'язує статистичну теорію і чітко пояснює силу загальної методики.

Розглянемо сімейство розподілів {Fθ:θ∈Θ} які складають експоненціальне сімейство , тобто вони допускають щільність

fθ(x)=exp⁡{s(x)θ−A(θ)+h(x)}
відносно до якоїсь загальної домінуючої міри (зазвичай, Лебега чи міри підрахунку). Диференціюючи обидві сторони
∫fθ(x) dx=1
щодоθ ми приходимо дорахунку рівняння
(†)∫fθ′(x)=∫fθ′(x)fθ(x)fθ(x)=∫uθ(x)fθ(x) dx=0
деuθ(x)=ddθlog⁡fθ(x)- цеоцінка,і ми визначилиfθ′(x)=ddθfθ(x). У випадку експоненціальної родини маємо
uθ(x)=s(x)−A′(θ)
деA′(θ)=ddθA(θ); це іноді називаютькумулятивною функцією, оскільки це, очевидно, дуже тісно пов'язане з функцією, що генерує кумулянт. Тепер з(†)випливає,щоEθ[s(X)]=A′(θ).

Тепер ми показуємо, що це допомагає нам обчислити очікувані потреби. Можна записати щільність гамми з фіксованим β як експонентне сімейство

fθ(x)=βαΓ(α)xα−1e−βx=exp⁡{log⁡(x)α+αlog⁡β−log⁡Γ(α)−βx}.
αs(x)=log⁡xA(α)=log⁡Γ(α)−αlog⁡β. It now follows immediately by computing ddαA(α) that
E[log⁡X]=ψ(α)−log⁡β.


2
+1 Thank you for pointing out this nice generalization.
— whuber
Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.