1 完備性と不偏推定量の一意性
定義 1.1 (完備性).(Pθ)θ∈Θを可測空間(X,A)上の非空な確率測度族とし、T:(X,A)→(Y,B)を統計量とする。任意の実数値B可測関数gについて、
Eθ∣g(T)∣<∞,Eθ[g(T)]=0(θ∈Θ)ならば、すべてのθ∈Θで
Pθ(g(T)=0)=1となるとき、Tは族(Pθ)θ∈Θに対して 完備 (complete statistic) であるという。恒等写像を統計量としたときに完備である確率測度族を、完備な分布族という。完備かつ十分な統計量を 完備十分統計量 (complete sufficient statistic) という。
例 1.2 (十分だが完備でない統計量).X1,X2を成功確率p∈(0,1)の Bernoulli 分布からの独立同分布標本とし、
T=(X1,X2)と置く。Tは標本全体の恒等写像であるため、Tを与えたときの標本の条件付き分布はTにおける一点分布であり、pに依存しない。したがってTは十分統計量である。
一方、g(t1,t2)=t1−t2と置くと、すべてのp∈(0,1)に対して
Ep[g(T)]=Ep[X1]−Ep[X2]=p−p=0である。しかし、
Pp(g(T)=0)=Pp(X1=X2)=2p(1−p)>0であるから、g(T)はほとんど確実に零ではない。したがってTは完備ではない。
定義 1.3 (有界完備性).(Pθ)θ∈Θを(X,A)上の非空な確率測度族、T:(X,A)→(Y,B)を統計量とする。任意の有界実数値B可測関数gに対し、すべてのθ∈ΘでEθ[g(T)]=0ならば、すべてのθ∈ΘでPθ(g(T)=0)=1となるとき、Tは族に対して 有界完備 (boundedly complete statistic) であるという。
命題 1.4. 非空な確率測度族に対して完備な統計量は、その族に対して有界完備である。
証明. 有界な実数値関数は各確率測度について可積分であるから、完備性の条件を適用することができる。▨
命題 1.5.(Pθ)θ∈Θに対して統計量T:(X,A)→(Y,B)が完備であるとする。h1,h2:Y→Rを可測関数とし、すべてのθ∈ΘでEθ∣hj(T)∣<∞(j=1,2)および
Eθ[h1(T)]=Eθ[h2(T)]が成り立つとする。このとき、すべてのθ∈Θについてh1(T)=h2(T)がPθ-ほとんど確実に成り立つ。
証明.g=h1−h2と置く。g(T)は各Pθで可積分であり、すべてのθについて期待値が零である。完備性により、各θでg(T)=0がほとんど確実に成り立つ。▨
2 Lehmann–Scheffé の定理
定義 2.1 (一様最小分散不偏推定量).(Pθ)θ∈Θを(X,A)上の非空な確率測度族、τ:Θ→Rを推定対象とする。実数値可測関数δが、すべてのθ∈Θについて
Eθ[δ]=τ(θ),Eθ[δ2]<∞を満たすとする。同じ二条件を満たす任意の実数値可測関数δ′に対して、すべてのθ∈Θで
Varθ(δ)≤Varθ(δ′)となるとき、δをτの 一様最小分散不偏推定量 (uniformly minimum variance unbiased estimator)(UMVUE)という。
定理 2.2 (Lehmann–Scheffé の定理).(X,A)上の非空な確率測度族(Pθ)θ∈Θがシグマ有限測度に支配され、統計量T:(X,A)→(Y,B)がこの族に対して完備かつ十分であるとする。τ:Θ→Rとし、可測関数h:Y→Rが、すべてのθ∈Θについて
Eθ[h(T)]=τ(θ),Eθ[h(T)2]<∞を満たすならば、h(T)はτの UMVUE である。また、δがτの別の UMVUE ならば、すべてのθ∈Θについてδ=h(T)がPθ-ほとんど確実に成り立つ。
特に、すべての母数について二乗可積分なτの不偏推定量が一つ存在すれば、それをTで条件付けして得られる母数共通の推定量が UMVUE となる。
証明.δを、すべての母数について二乗可積分なτの任意の不偏推定量とする。§E14.9 定理 2.1により、母数に依存しない可測関数a:Y→Rが存在し、a(T)は各母数で二乗可積分なτの不偏推定量であり、
Varθ(δ)−Varθ(a(T))=Eθ[(δ−a(T))2]≥0(θ∈Θ)を満たす。命題 1.5をa,hに適用すると、すべてのθについてa(T)=h(T)がPθ-ほとんど確実に成り立つ。したがって、すべてのθで
Varθ(δ)−Varθ(h(T))=Eθ[(δ−h(T))2]≥0である。δは任意であったから、h(T)は UMVUE である。
δも UMVUE ならば、それぞれの最小性から各θで分散が等しい。上の等式によりEθ[(δ−h(T))2]=0となるので、δ=h(T)がPθ-ほとんど確実に成り立つ。
二乗可積分な不偏推定量δ0が一つ与えられた場合には、§E14.9 定理 2.1が与える共通の条件付き期待値h0(T)が、定理のh(T)に課した不偏性と二乗可積分性を満たす。したがってh0(T)に前半の結論を適用することができる。▨
3 両側 Laplace 変換の一意性
補題 3.1.α,βをR上の有限正 Borel 測度とし、I⊆Rを0を含む開区間とする。すべてのs∈Iに対して
∫Resxd(α+β)(x)<∞,∫Resxdα(x)=∫Resxdβ(x)が成り立つならば、α=βである。
証明.D={z∈C:Rez∈I}と置き、z∈Dに対して
H(z)=∫Rezxdα(x)−∫Rezxdβ(x)と定める。§E5.3 命題 1.7 (1)により∣ezx∣=e(Rez)xであるから、両積分は絶対収束する。
z0∈Dを取り、r=Rez0として、[r−2ε,r+2ε]⊂Iを満たすε>0を取る。複素指数関数の絶対収束級数から、任意のv∈Cについて
∣ev−1∣≤j=1∑∞j!∣v∣j≤∣v∣e∣v∣である。したがって、指数関数の加法法則§E5.3 命題 1.6を用いると、0<∣w∣<εに対して
we(z0+w)x−ez0x≤∣x∣erx+ε∣x∣≤ε1(e(r+2ε)x+e(r−2ε)x).最後の不等式は、ε∣x∣≤eε∣x∣を用い、x≥0とx<0に分けると従う。右辺は仮定によりα+βについて可積分である。§E5.3 命題 1.8により差商は各xでxez0xに収束するから、複素数値関数に対する優収束定理§E9.7 定理 3.2を適用すると、
H′(z0)=∫Rxez0xdα(x)−∫Rxez0xdβ(x)を得る。z0は任意であったから、HはD上で正則である。
Dは連結な開集合であり、仮定からH(s)=0がすべてのs∈Iで成り立つ。一致の定理§E5.8 定理 3.1によりHはD上で恒等的に零である。特に、すべてのu∈Rについて
∫Reiuxdα(x)=∫Reiuxdβ(x)となる。
H(0)=0より、m=α(R)=β(R)である。m=0ならば両測度は零測度である。m>0ならばα/m,β/mは同じ特性関数をもつ Borel 確率測度であるから、§E11.14 定理 3.3によりα/m=β/mとなる。どちらの場合もα=βを得る。▨
系 3.2.X,Yを実数値確率変数とする。あるε>0に対して、両者の積率母関数が(−ε,ε)で有限であり、すべてのs∈(−ε,ε)で
E[esX]=E[esY]ならば、XとYは同じ分布をもつ。
証明.X,Yの分布をそれぞれα,βとし、I=(−ε,ε)として補題 3.1を適用する。▨
4 一径数指数型分布族の完備性
定理 4.1.(X,A,μ)をシグマ有限測度空間とし、t:X→Rとh:X→[0,∞)を可測関数とする。μ({h>0})>0とし、
H={η∈R:0<∫Xeηt(x)h(x)dμ(x)<∞},A(η)=log∫Xeηt(x)h(x)dμ(x)と置く。J⊆Hが非空な開区間を含むとし、μに関する密度
pη(x)=h(x)eηt(x)−A(η),η∈Jで族(Pη)η∈Jを定める。任意のn∈N≥1に対し、独立同分布標本の統計量
Tn=j=1∑nt(Xj)は族(Pη⊗n)η∈Jに対して完備かつ十分であり、最小十分でもある。
証明.§E14.5 命題 4.2によりTnは十分であり、その分布はR上のシグマ有限測度νnに関して密度eηs−nA(η)をもつ。g:R→Rを可測関数で、すべてのη∈Jについて
Eη∣g(Tn)∣<∞,Eη[g(Tn)]=0を満たすものとする。Jに含まれる開区間の中にη0を取り、[η0−ε,η0+ε]⊂Jとなるε>0を取る。g+=max(g,0)、g−=max(−g,0)と置き、正測度
α(ds)=g+(s)eη0sνn(ds),β(ds)=g−(s)eη0sνn(ds)を定める。両測度の全質量の和はenA(η0)Eη0∣g(Tn)∣であるから有限である。∣u∣<εならば、
∫Reusd(α+β)(s)∫Reusdα(s)−∫Reusdβ(s)=enA(η0+u)Eη0+u∣g(Tn)∣<∞,=enA(η0+u)Eη0+u[g(Tn)]=0.したがって補題 3.1によりα=βである。
B+={s:g(s)>0}と置くと、β(B+)=0であるから、α(B+)=0である。ゆえにg+(s)eη0s=0がνn-ほとんど至る所で成り立つ。B−={s:g(s)<0}に同じ議論を適用すると、g−(s)eη0s=0もνn-ほとんど至る所で成り立つ。eη0s>0よりg=0がνn-ほとんど至る所である。各η∈JにおけるTnの分布はνnに絶対連続なので、すべてのη∈Jでg(Tn)=0がほとんど確実に成り立つ。したがってTnは完備である。
Jは相異なる二点を含むので、§E14.5 系 5.3によりTnは最小十分でもある。▨
命題 4.2.m∈N≥1を固定すると、p∈(0,1)を母数とする二項分布族Bin(m,p)は完備である。また、λ>0を母数とする Poisson 分布族Pois(λ)は完備である。
証明. 二項分布は{0,…,m}上の数え上げ測度に関して
pp(k)=(km)exp{klog1−pp+mlog(1−p)}と書かれる。自然母数η=log(p/(1−p))はR全体を動くので、定理 4.1をn=1に適用することができる。
Poisson 分布では
pλ(k)=k!1exp{klogλ−λ},k∈N≥0であり、自然母数η=logλがR全体を動く。同じ定理を適用すると完備性を得る。▨
例 4.3.n≥2とし、X1,…,Xnを成功確率p∈(0,1)の Bernoulli 分布からの独立同分布標本とする。T=∑j=1nXjに対して
p2=n(n−1)T(T−1)はp2の UMVUE である。実際、Xj2=Xjであるから、
T(T−1)=i=j∑XiXj,Ep[T(T−1)]=i=j∑Ep[Xi]Ep[Xj]=n(n−1)p2.また0≤p2≤1なので二乗可積分である。§E14.5 例 1.3によりTは十分であり、T∼Bin(n,p)と命題 4.2により完備である。したがって定理 2.2を適用すると結論を得る。
5 Basu の定理
定義 5.1 (補助統計量).(Pθ)θ∈Θを(X,A)上の非空な確率測度族とする。統計量V:(X,A)→(Z,C)の分布がθに依存しないとき、Vをこの族の 補助統計量 (ancillary statistic) という。すなわち、各B∈Cに対してPθ(V∈B)がθによらない定数である。
定理 5.2 (Basu の定理).(Pθ)θ∈Θを(X,A)上の非空な確率測度族とする。統計量T:(X,A)→(Y,B)がこの族に対して有界完備かつ十分であり、V:(X,A)→(Z,C)が補助統計量であるならば、すべてのθ∈Θに対してTとVはPθの下で独立である。
証明.B∈Cを取り、cB=Pθ(V∈B)と置く。Vは補助統計量なので、cBはθに依存しない。十分性により、有界実数値B可測関数kBが存在して、すべてのθ∈Θについて
kB(T)=Eθ[1{V∈B}∣σ(T)]Pθ-ほとんど確実にを満たす。条件付き期待値の定義で積分領域をXとすれば、Eθ[kB(T)]=cBである。kB−cBは有界で、すべての母数において期待値が零であるから、有界完備性によりkB(T)=cBが各Pθの下でほとんど確実に成り立つ。
任意のC∈Bに対して、条件付き期待値の定義から
Pθ(T∈C,V∈B)=Eθ[1{T∈C}kB(T)]=cBPθ(T∈C)=Pθ(V∈B)Pθ(T∈C).B,Cは任意であるから、TとVは各Pθの下で独立である。▨
系 5.3.n≥2とし、X1,…,XnをN(μ,σ2)からの独立同分布標本とする。ただしμ∈R、σ2>0とする。標本平均と不偏標本分散
X=n1j=1∑nXj,S2=n−11j=1∑n(Xj−X)2は独立である。
証明.σ2>0を固定し、μ∈Rを母数とする部分モデルを考える。§E14.5 例 5.4の指数型表示では、自然統計量はt(x)=xであり、自然母数η=μ/σ2はR全体を動く。したがって定理 4.1によりT=∑jXjは完備かつ十分である。
Zj=(Xj−μ)/σと置く。正規密度の変数変換により、Z1,…,Znは独立な標準正規変数であり、
S2=n−1σ2j=1∑n(Zj−Z)2.したがって、σ2を固定した族においてS2の分布はμに依存せず、S2は補助統計量である。Tは完備であるから命題 1.4により有界完備でもある。したがって定理 5.2により、TとS2はこの部分モデルの各μで独立である。X=T/nはTの可測関数であるから、XとS2も独立である。固定したσ2>0は任意であったから、すべての(μ,σ2)で結論が成り立つ。▨
6 指数傾斜と積率母関数
命題 6.1.QをR上の Borel 確率測度とし、
MQ(s)=∫ResxQ(dx),HQ={s∈R:MQ(s)<∞}と置く。HQが0の開近傍を含むとする。s∈HQに対して
Qs(B)=MQ(s)1∫BesxQ(dx),B∈B(R)と定めると、Qsは確率測度である。任意のn∈N≥1について、Qsからの独立同分布標本の和は、s∈int(HQ)を母数とする族で完備かつ十分である。
証明.s∈HQに対して0<MQ(s)<∞であり、定義した非負密度esx/MQ(s)のQに関する積分は1である。μ=Q、h=1、t(x)=x、A(s)=logMQ(s)と置くと一径数指数型分布族であり、int(HQ)は非空な開区間を含む。定理 4.1を適用すると結論を得る。▨
命題 6.2. 次の表のQについて、積率母関数MQ(s)とその有限領域HQは表のとおりである。
Gamma 分布は§E14.3 定義 1.1の shape と rate による母数化を用いる。指数分布Exp(λ)はGamma(1,λ)、カイ二乗分布χk2はGamma(k/2,1/2)である。
表の正の幾何変数Gは、失敗回数を表す§E11.5 定義 1.4の幾何変数Kに対してG=K+1と定める。0<p≤1とすると、
P(G=j)=p(1−p)j−1(j∈N≥1),E[G]=p1,Var(G)=p21−p.p=1の確率質量関数では00=1とする。
| 基準分布Qと母数の範囲 |
MQ(s) |
HQ |
| Bin(m,p)、m∈N≥0、0≤p≤1 |
(1−p+pes)m |
R |
| Pois(λ)、λ>0 |
exp{λ(es−1)} |
R |
| 正の幾何変数G、0<p<1 |
1−(1−p)espes |
(−∞,−log(1−p)) |
| U(a,b)、a<b |
s(b−a)esb−esa(s=0) |
R |
| Exp(λ)、λ>0 |
λ−sλ |
(−∞,λ) |
| Gamma(α,λ)、α,λ>0 |
(λ−sλ)α |
(−∞,λ) |
| N(μ,σ2)、μ∈R、σ2>0 |
exp{μs+σ2s2/2} |
R |
| χk2、k∈N≥1 |
(1−2s)−k/2 |
(−∞,1/2) |
すべての行でMQ(0)=1であり、一様分布の式はs=0でこの値に連続延長する。正の幾何変数でp=1の場合はG=1がほとんど確実に成り立ち、MQ(s)=es、HQ=Rである。表の各Qから作った命題 6.1の族(Qs)s∈HQでは、独立同分布標本の和が完備かつ十分である。
7 演習
問題 7.1.命題 4.2に対して、次の方法で別証明を与えよ。
- 二項分布の期待値零の等式をq=p/(1−p)の多項式に書き換え、その係数を比較せよ。
- Poisson 分布の期待値零の等式を冪級数に書き換え、項別微分によって係数を求めよ。項別微分の前に絶対収束を確認せよ。
解答.
(1)を示す。g:{0,…,m}→Rがすべてのp∈(0,1)に対して期待値零であるとする。期待値の等式を(1−p)m>0で割り、q=p/(1−p)と置くと、
F(q):=j=0∑mg(j)(jm)qj=0(q>0)となる。Fは多項式であり、正の半直線上で恒等零なので、各j∈{0,…,m}についてF(j)(q)=0がq>0で成り立つ。各導関数は連続であるからF(j)(0)=0であり、
0=F(j)(0)=j!(jm)g(j)を得る。(jm)>0よりg(j)=0であり、完備性が従う。
(2)を示す。g:N≥0→Rがすべてのλ>0について可積分で、期待値零であるとする。
Poisson 分布の確率質量関数を代入すると、
j=0∑∞∣g(j)∣j!λj<∞,F(λ):=j=0∑∞g(j)j!λj=0(λ>0)である。任意のR>0に対して第一の級数はλ=Rで収束するので、∣x∣<RにおいてF(x)の冪級数は絶対収束する。Rは任意であるから、収束半径は無限大である。§D1.23 定理 4.3を反復すると、FはR上で何回でも微分可能であり、F(j)(0)=g(j)となる。Fは(0,∞)上で恒等零なので、その導関数も同区間で零である。原点での連続性からg(j)=F(j)(0)=0を得る。したがって Poisson 分布族も完備である。▨
問題 7.2.命題 6.2を証明せよ。各行について指数傾斜Qsの分布を同定し、独立同分布標本の和が完備十分となることを示せ。さらに、指数分布の積率母関数を零で二回微分し、一次積率、二次積率および分散を求めよ。
解答.
Q=Bin(m,p)の場合、二項定理から
MQ(s)=j=0∑m(jm)pj(1−p)m−jesj=(1−p+pes)mである。有限和なので全s∈Rで有限である。d=1−p+pes>0、ps=pes/dと置くと、1−ps=(1−p)/dであるから、指数傾斜の確率質量関数は
Qs({j})=(jm)psj(1−ps)m−j.したがってQs=Bin(m,ps)である。p=0,1およびm=0でも、00=1の規約で同じ計算が成り立つ。
Q=Pois(λ)の場合、指数関数の級数から
MQ(s)=e−λj=0∑∞j!(λes)j=exp{λ(es−1)}であり、全実数で有限である。正規化した質量はe−λes(λes)j/j!なので、Qs=Pois(λes)である。
正の幾何変数については、G=K+1の定義から
P(G=j)=P(K=j−1)=p(1−p)j−1(j∈N≥1)である。§E11.5 命題 1.5と期待値の線形性により
E[G]=E[K]+1=p1−p+1=p1,Var(G)=Var(K)=p21−p.0<p<1のとき、q=1−pと置くと、
MQ(s)=pesj=0∑∞(qes)j=1−qespes(qes<1).qes≥1では級数の一般項が零に収束しないので発散し、有限領域はs<−logqである。この領域で
Qs({j})=(1−qes)(qes)j−1(j∈N≥1)となるから、Qsは成功確率1−qesの正の幾何分布である。p=1ならばG=1なのでMQ(s)=esが全実数で有限であり、指数傾斜後も同じ一点分布である。
Q=U(a,b)の場合、s=0ならば
MQ(s)=b−a1∫abesxdx=s(b−a)esb−esa.被積分関数は有限区間上で有界なので、全実数で有限である。s=0のとき積分は1である。∣s∣≤1に対してesx≤emax(∣a∣,∣b∣)がx∈[a,b]で成り立つので、優収束定理によりMQ(s)→1(s→0)を得る。指数傾斜後の密度はs=0のとき
qs(x)=esb−esasesx1[a,b](x),s=0のときq0(x)=(b−a)−11[a,b](x)である。
Q=Gamma(α,λ)の場合、s<λとすると、rateλ−s>0の Gamma 密度の積分が1であることから、
MQ(s)=Γ(α)λα∫0∞xα−1e−(λ−s)xdx=(λ−sλ)α.s=λでは∫1Rxα−1dx=(Rα−1)/α→∞なので発散する。s>λではx≥1においてe(s−λ)x≥1であるから、同じ積分を下から抑え、やはり発散する。したがって有限領域は(−∞,λ)であり、正規化した密度は
qs(x)=Γ(α)(λ−s)αxα−1e−(λ−s)x1(0,∞)(x).ゆえにQs=Gamma(α,λ−s)である。Γ(1)=∫0∞e−xdx=1であるから、指数密度はGamma(1,λ)の密度とほとんど至る所で一致する。また、カイ二乗密度はGamma(k/2,1/2)の密度と一致するので、両分布の式と有限領域はこの計算から従う。指数傾斜後は、それぞれExp(λ−s)とGamma(k/2,1/2−s)である。
Q=N(μ,σ2)の場合には、平方完成により
sx−2σ2(x−μ)2=−2σ2(x−μ−σ2s)2+μs+2σ2s2.§E11.5 命題 2.5の正規密度の正規化を用いると、
MQ(s)=eμs+σ2s2/2∫R2πσ21e−(x−μ−σ2s)2/(2σ2)dx=eμs+σ2s2/2であり、全実数で有限である。正規化した密度はN(μ+σ2s,σ2)の密度である。
各行でMQ(0)=∫1dQ=1である。各有限領域は零を含む開区間であるから、命題 6.1により、s∈HQを母数とする各族で独立同分布標本の和は完備かつ十分である。
指数分布についてはM(s)=λ/(λ−s)を微分すると、
M′(s)=(λ−s)2λ,M′′(s)=(λ−s)32λ.§E11.9 定理 4.2により
E[X]=M′(0)=λ1,E[X2]=M′′(0)=λ22,Var(X)=λ22−λ21=λ21を得る。▨