最大似然估计
在统计学中,最大似然估计(英语:maximum likelihood estimation,缩写为MLE),也称最大概似估计,是用来估计一个概率模型的参数的一种方法。
目录
1 预备知识
2 最大似然估计的原理
2.1 注意
3 例子
3.1 离散分布,离散有限参数空间
3.2 离散分布,连续参数空间
3.3 连续分布,连续参数空间
4 性质
4.1 泛函不变性(Functional invariance)
4.2 渐近线行为
4.3 偏差
5 历史
6 参见
7 参考文献
8 外部链接
预备知识
下边的讨论要求读者熟悉概率论中的基本定义,如概率分布、概率密度函数、随机变量、数学期望等。读者還須先熟悉连续实函数的基本技巧,比如使用微分来求一个函数的极值(即极大值或极小值)。
同時,讀者須先擁有似然函數的背景知識,以了解最大似然估計的出發點及應用目的。
最大似然估计的原理
给定一个概率分布D{displaystyle D},已知其概率密度函数(连续分布)或概率质量函数(离散分布)为fD{displaystyle f_{D}}
,以及一个分布参数θ{displaystyle theta }
,我们可以从这个分布中抽出一个具有n{displaystyle n}
个值的采样X1,X2,…,Xn{displaystyle X_{1},X_{2},ldots ,X_{n}}
,利用fD{displaystyle f_{D}}
计算出其似然函数:
- L(θ∣x1,…,xn)=fθ(x1,…,xn).{displaystyle {mbox{L}}(theta mid x_{1},dots ,x_{n})=f_{theta }(x_{1},dots ,x_{n}).}
若D{displaystyle D}是离散分布,fθ{displaystyle f_{theta }}
即是在参数为θ{displaystyle theta }
时观测到这一采样的概率。若其是连续分布,fθ{displaystyle f_{theta }}
则为X1,X2,…,Xn{displaystyle X_{1},X_{2},ldots ,X_{n}}
联合分布的概率密度函数在观测值处的取值。一旦我们获得X1,X2,…,Xn{displaystyle X_{1},X_{2},ldots ,X_{n}}
,我们就能求得一个关于θ{displaystyle theta }
的估计。最大似然估计会寻找关于θ{displaystyle theta }
的最可能的值(即,在所有可能的θ{displaystyle theta }
取值中,寻找一个值使这个采样的“可能性”最大化)。从数学上来说,我们可以在θ{displaystyle theta }
的所有可能取值中寻找一个值使得似然函数取到最大值。这个使可能性最大的θ^{displaystyle {widehat {theta }}}
值即称为θ{displaystyle theta }
的最大似然估计。由定义,最大似然估计是样本的函数。
注意
- 这裡的似然函数是指x1,x2,…,xn{displaystyle x_{1},x_{2},ldots ,x_{n}}
不变时,关于θ{displaystyle theta }
的一个函数。
- 最大似然估计不一定存在,也不一定唯一。
例子
离散分布,离散有限参数空间
考虑一个抛硬币的例子。假设这个硬币正面跟反面轻重不同。我们把这个硬币抛80次(即,我们获取一个采样x1=H,x2=T,…,x80=T{displaystyle x_{1}={mbox{H}},x_{2}={mbox{T}},ldots ,x_{80}={mbox{T}}}并把正面的次数记下来,正面记为H,反面记为T)。并把抛出一个正面的概率记为p{displaystyle p}
,抛出一个反面的概率记为1−p{displaystyle 1-p}
(因此,这裡的p{displaystyle p}
即相当于上边的θ{displaystyle theta }
)。假设我们抛出了49个正面,31个反面,即49次H,31次T。假设这个硬币是我们从一个装了三个硬币的盒子里头取出的。这三个硬币抛出正面的概率分别为p=1/3{displaystyle p=1/3}
, p=1/2{displaystyle p=1/2}
, p=2/3{displaystyle p=2/3}
.这些硬币没有标记,所以我们无法知道哪个是哪个。使用最大似然估计,基于二项分布中的概率质量函数公式,通过这些试验数据(即采样数据),我们可以计算出哪个硬币的可能性最大。这个似然函数取以下三个值中的一个:
- L(p=1/3∣H=49, T=31 )=P(H=49, T=31 ∣p=1/3)=(8049)(1/3)49(1−1/3)31≈0.000L(p=1/2∣H=49, T=31 )=P(H=49, T=31 ∣p=1/2)=(8049)(1/2)49(1−1/2)31≈0.012L(p=2/3∣H=49, T=31 )=P(H=49, T=31 ∣p=2/3)=(8049)(2/3)49(1−2/3)31≈0.054{displaystyle {begin{matrix}mathbb {L} (p=1/3mid {mbox{H=49, T=31 }})&=&mathbb {P} ({mbox{H=49, T=31 }}mid p=1/3)&=&{binom {80}{49}}(1/3)^{49}(1-1/3)^{31}approx 0.000\&&\mathbb {L} (p=1/2mid {mbox{H=49, T=31 }})&=&mathbb {P} ({mbox{H=49, T=31 }}mid p=1/2)&=&{binom {80}{49}}(1/2)^{49}(1-1/2)^{31}approx 0.012\&&\mathbb {L} (p=2/3mid {mbox{H=49, T=31 }})&=&mathbb {P} ({mbox{H=49, T=31 }}mid p=2/3)&=&{binom {80}{49}}(2/3)^{49}(1-2/3)^{31}approx 0.054\end{matrix}}}
- L(p=1/3∣H=49, T=31 )=P(H=49, T=31 ∣p=1/3)=(8049)(1/3)49(1−1/3)31≈0.000L(p=1/2∣H=49, T=31 )=P(H=49, T=31 ∣p=1/2)=(8049)(1/2)49(1−1/2)31≈0.012L(p=2/3∣H=49, T=31 )=P(H=49, T=31 ∣p=2/3)=(8049)(2/3)49(1−2/3)31≈0.054{displaystyle {begin{matrix}mathbb {L} (p=1/3mid {mbox{H=49, T=31 }})&=&mathbb {P} ({mbox{H=49, T=31 }}mid p=1/3)&=&{binom {80}{49}}(1/3)^{49}(1-1/3)^{31}approx 0.000\&&\mathbb {L} (p=1/2mid {mbox{H=49, T=31 }})&=&mathbb {P} ({mbox{H=49, T=31 }}mid p=1/2)&=&{binom {80}{49}}(1/2)^{49}(1-1/2)^{31}approx 0.012\&&\mathbb {L} (p=2/3mid {mbox{H=49, T=31 }})&=&mathbb {P} ({mbox{H=49, T=31 }}mid p=2/3)&=&{binom {80}{49}}(2/3)^{49}(1-2/3)^{31}approx 0.054\end{matrix}}}
我们可以看到当p^=2/3{displaystyle {widehat {p}}=2/3}时,似然函数取得最大值。
顯然地,這硬幣的公平性和那種拋出後正面的機率是2/3的硬幣是最接近的。这就是p{displaystyle p}的最大似然估计。
离散分布,连续参数空间
现在假设例子1中的盒子中有无数个硬币,对于0≤p≤1{displaystyle 0leq pleq 1}中的任何一个p{displaystyle p}
, 都有一个抛出正面概率为p{displaystyle p}
的硬币对应,我们来求其似然函数的最大值:
- L(θ)=fD(H=49,T=80-49∣p)=(8049)p49(1−p)31{displaystyle {begin{matrix}{mbox{L}}(theta )&=&f_{D}({mbox{H=49,T=80-49}}mid p)={binom {80}{49}}p^{49}(1-p)^{31}\end{matrix}}}
其中0≤p≤1{displaystyle 0leq pleq 1}.
我们可以使用微分法来求最值。方程两边同时对p{displaystyle p}取微分,并使其为零。
- 0=ddp((8049)p49(1−p)31)∝49p48(1−p)31−31p49(1−p)30=p48(1−p)30[49(1−p)−31p]{displaystyle {begin{matrix}0&=&{frac {d}{dp}}left({binom {80}{49}}p^{49}(1-p)^{31}right)\&&\&propto &49p^{48}(1-p)^{31}-31p^{49}(1-p)^{30}\&&\&=&p^{48}(1-p)^{30}left[49(1-p)-31pright]\end{matrix}}}

在不同比例参数值下一个二项式过程的可能性曲线t = 3, n = 10;其最大似然估计值发生在其众数并在曲线的最大值处。
其解为p=0{displaystyle p=0}, p=1{displaystyle p=1}
,以及p=49/80{displaystyle p=49/80}
.使可能性最大的解显然是p=49/80{displaystyle p=49/80}
(因为p=0{displaystyle p=0}
和p=1{displaystyle p=1}
这两个解会使可能性为零)。因此我们说最大似然估计值为p^=49/80{displaystyle {widehat {p}}=49/80}
.
这个结果很容易一般化。只需要用一个字母t{displaystyle t}代替49用以表达伯努利试验中的被观察数据(即样本)的“成功”次数,用另一个字母n{displaystyle n}
代表伯努利试验的次数即可。使用完全同样的方法即可以得到最大似然估计值:
- p^=tn{displaystyle {widehat {p}}={frac {t}{n}}}
对于任何成功次数为t{displaystyle t},试验总数为n{displaystyle n}
的伯努利试验。
连续分布,连续参数空间
最常见的连续概率分布是正态分布,其概率密度函数如下:
- f(x∣μ,σ2)=12πσ2e−(x−μ)22σ2{displaystyle f(xmid mu ,sigma ^{2})={frac {1}{sqrt {2pi sigma ^{2}}}}e^{-{frac {(x-mu )^{2}}{2sigma ^{2}}}}}
现在有n{displaystyle n}个正态随机变量的采样点,要求的是一个这样的正态分布,这些采样点分布到这个正态分布可能性最大(也就是概率密度积最大,每个点更靠近中心点),其n{displaystyle n}
个正态随机变量的采样的对应密度函数(假设其独立并服从同一分布)为:
- f(x1,…,xn∣μ,σ2)=(12πσ2)n2e−∑i=1n(xi−μ)22σ2{displaystyle f(x_{1},ldots ,x_{n}mid mu ,sigma ^{2})=left({frac {1}{2pi sigma ^{2}}}right)^{frac {n}{2}}e^{-{frac {sum _{i=1}^{n}(x_{i}-mu )^{2}}{2sigma ^{2}}}}}
或:
f(x1,…,xn∣μ,σ2)=(12πσ2)n/2exp(−∑i=1n(xi−x¯)2+n(x¯−μ)22σ2){displaystyle f(x_{1},ldots ,x_{n}mid mu ,sigma ^{2})=left({frac {1}{2pi sigma ^{2}}}right)^{n/2}exp left(-{frac {sum _{i=1}^{n}(x_{i}-{bar {x}})^{2}+n({bar {x}}-mu )^{2}}{2sigma ^{2}}}right)},
这个分布有两个参数:μ,σ2{displaystyle mu ,sigma ^{2}}.有人可能会担心两个参数与上边的讨论的例子不同,上边的例子都只是在一个参数上对可能性进行最大化。实际上,在两个参数上的求最大值的方法也差不多:只需要分别把可能性L(μ,σ)=f(x1,,…,xn∣μ,σ2){displaystyle {mbox{L}}(mu ,sigma )=f(x_{1},,ldots ,x_{n}mid mu ,sigma ^{2})}
在两个参数上最大化即可。当然这比一个参数麻烦一些,但是一点也不复杂。使用上边例子同样的符号,我们有θ=(μ,σ2){displaystyle theta =(mu ,sigma ^{2})}
.
最大化一个似然函数同最大化它的自然对数是等价的。因为自然对数log是一个连续且在似然函数的值域内严格递增的上凸函数。[注意:可能性函数(似然函数)的自然对数跟信息熵以及Fisher信息联系紧密。]求对数通常能够一定程度上简化运算,比如在这个例子中可以看到:
- 0=∂∂μlog((12πσ2)n2e−∑i=1n(xi−x¯)2+n(x¯−μ)22σ2)=∂∂μ(log(12πσ2)n2−∑i=1n(xi−x¯)2+n(x¯−μ)22σ2)=0−−2n(x¯−μ)2σ2{displaystyle {begin{matrix}0&=&{frac {partial }{partial mu }}log left(left({frac {1}{2pi sigma ^{2}}}right)^{frac {n}{2}}e^{-{frac {sum _{i=1}^{n}(x_{i}-{bar {x}})^{2}+n({bar {x}}-mu )^{2}}{2sigma ^{2}}}}right)\&=&{frac {partial }{partial mu }}left(log left({frac {1}{2pi sigma ^{2}}}right)^{frac {n}{2}}-{frac {sum _{i=1}^{n}(x_{i}-{bar {x}})^{2}+n({bar {x}}-mu )^{2}}{2sigma ^{2}}}right)\&=&0-{frac {-2n({bar {x}}-mu )}{2sigma ^{2}}}\end{matrix}}}
这个方程的解是μ^=x¯=∑i=1nxi/n{displaystyle {widehat {mu }}={bar {x}}=sum _{i=1}^{n}x_{i}/n}.这的确是这个函数的最大值,因为它是μ{displaystyle mu }
里头惟一的一阶导数等于零的点并且二阶导数严格小于零。
同理,我们对σ{displaystyle sigma }求导,并使其为零。
- 0=∂∂σlog((12πσ2)n2e−∑i=1n(xi−x¯)2+n(x¯−μ)22σ2)=∂∂σ(n2log(12πσ2)−∑i=1n(xi−x¯)2+n(x¯−μ)22σ2)=−nσ+∑i=1n(xi−x¯)2+n(x¯−μ)2σ3{displaystyle {begin{matrix}0&=&{frac {partial }{partial sigma }}log left(left({frac {1}{2pi sigma ^{2}}}right)^{frac {n}{2}}e^{-{frac {sum _{i=1}^{n}(x_{i}-{bar {x}})^{2}+n({bar {x}}-mu )^{2}}{2sigma ^{2}}}}right)\&=&{frac {partial }{partial sigma }}left({frac {n}{2}}log left({frac {1}{2pi sigma ^{2}}}right)-{frac {sum _{i=1}^{n}(x_{i}-{bar {x}})^{2}+n({bar {x}}-mu )^{2}}{2sigma ^{2}}}right)\&=&-{frac {n}{sigma }}+{frac {sum _{i=1}^{n}(x_{i}-{bar {x}})^{2}+n({bar {x}}-mu )^{2}}{sigma ^{3}}}\end{matrix}}}
这个方程的解是σ^2=∑i=1n(xi−μ^)2/n{displaystyle {widehat {sigma }}^{2}=sum _{i=1}^{n}(x_{i}-{widehat {mu }})^{2}/n}.
因此,其关于θ=(μ,σ2){displaystyle theta =(mu ,sigma ^{2})}的最大似然估计为:
θ^=(μ^,σ^2)=(x¯,∑i=1n(xi−x¯)2/n){displaystyle {widehat {theta }}=({widehat {mu }},{widehat {sigma }}^{2})=({bar {x}},sum _{i=1}^{n}(x_{i}-{bar {x}})^{2}/n)}.
性质
泛函不变性(Functional invariance)
如果θ^{displaystyle {widehat {theta }}}是θ{displaystyle theta }
的一个最大似然估计,那么α=g(θ){displaystyle alpha =g(theta )}
的最大似然估计是α^=g(θ^){displaystyle {widehat {alpha }}=g({widehat {theta }})}
.函数g无需是一个一一映射。请参见George Casella与Roger L. Berger所著的Statistical Inference定理Theorem 7.2.10的证明。(中国大陆出版的大部分教材上也可以找到这个证明。)
渐近线行为
最大似然估计函数在采样样本总数趋于无穷的时候达到最小方差(其证明可见于Cramer-Rao lower bound)。当最大似然估计非偏时,等价的,在极限的情况下我们可以称其有最小的均方差。
对于独立的观察来说,最大似然估计函数经常趋于正态分布。
偏差
最大似然估计的偏差是非常重要的。考虑这样一个例子,标有1到n的n张票放在一个盒子中。从盒子中随机抽取票。如果n是未知的话,那么n的最大似然估计值就是抽出的票上标有的n,尽管其期望值的只有(n+1)/2{displaystyle (n+1)/2}.为了估计出最高的n值,我们能确定的只能是n值不小于抽出来的票上的值。
历史
最大似然估计最早是由羅納德·費雪在1912年至1922年间推荐、分析并大范围推广的。[1](虽然以前高斯、拉普拉斯、T. N. Thiele和F. Y. 埃奇沃思也使用过)。[2] 许多作者都提供了最大似然估计发展的回顾。[3]
大部分的最大似然估计理论都在贝叶斯统计中第一次得到发展,并被后来的作者简化。[1]
参见
均方差是衡量一个估计函数的好坏的一个量。
- 关于Rao-Blackwell定理(Rao-Blackwell theorem)的文章里头讨论到如何利用Rao-Blackwellisation过程寻找最佳非偏估计(即使均方差最小)的方法。而最大似然估计通常是一个好的起点。
- 读者可能会对最大似然估计(如果存在)总是一个关于参数的充分统计(sufficient statistic)的函数感兴趣。
- 最大似然估计跟一般化矩方法(generalized method of moments)有关。
参考文献
^ 1.01.1 Pfanzagl (1994)
^ Edgeworth (September 1908) and Edgeworth (December 1908)
^ Savage (1976), Pratt (1976), Stigler (1978, 1986, 1999), Hald (1998, 1999), and Aldrich (1997)
外部链接
- 关于最大似然估计的历史的一篇论文,作者John Aldrich
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