參數值的信息量

? 令x代表隨機變量X的觀測值,香農信息論告訴我們:該觀測值的信息量為-\log P(X=x)。然而,在統計學中概率分布往往是未知的,特別地,當分布含未知參數\theta 時,不同的參數值\theta_{0}就對應著x有不同的條件概率P(X=x| \theta =\theta_{0} ),從而意味著不同的信息量。我們很自然地想到,可以給參數值設定一個具體信息量來反映這種差別。

? 但是,上述方法不適用于處理參數值\theta :首先,它不是可觀測量,即便我們用貝葉斯觀點賦予它一個分布,如何避免主觀偏倚仍是問題。其次,使用正規模型時,可計算的點估計量和參數值服從的分布往往是大相徑庭的。如果使用參數值的分布來定義信息量,那將與實際可行的統計推斷流程背道而馳。區別參數值和對其的點估計,是搞清問題的關鍵。

? 在推定\theta 值前,我們用先驗分布Pr(\theta )表示其不確定狀況,由貝葉斯公式可得到P(X=x)=E_{  Pr(\theta)} P(X=x| \theta )。從而得出“推定前”信息量I_{0} =-\log P(X=x)

? 推定過程實際上就是用基于觀測值的點估計m(x)去代換上文中的\theta_{0},從而得出條件概率(非貝葉斯派稱其為似然)P(X=x| \theta =m(x) )。當似然較大時它給出更小的信息量。然而,新的概率分布需要更換新的編碼來適應,所以此時除了記錄觀測值外,還需要額外信息來記錄點估計m(x),它的值指明了更換到哪一個條件分布。總之:

? 在推定\theta 值后,我們記錄兩部分信息:前者是點估計m(x),其信息量為-\log P(m(X)=m(x))。式中概率同樣可用貝葉斯公式求得:P(m(X)=m(x))=E_{  Pr(\theta)} P(m(X)=m(x)| \theta )。后者是觀測值的新編碼,其長度為-\log  P(X=x| \theta =m(x) )。兩者的總和即是“推定后”信息量I

? 推定前后信息量之差:I-I_{0} =\log \frac{P(X=x)}{P(m(X)=m(x))P(X=x| \theta =m(x) )}

可定義為參數值的信息量。我們可以利用其數值作為選取點估計方法m(  )和評價先驗Pr(\theta )的依據。

? 通常的統計決策論是用風險最小化(有時表述為效用最大化)來確定估計方法m(  )的。在x,\theta 取值數均有限的特殊情形,m(  )可表述為將X值域劃分為多個獨立子集的問題,每一獨立子集對應一個不同的估計值,適當的劃分可由下列的優化問題解出:

m(x)=arg min\sum P(x,\theta )L(m(x),\theta )

?式中L(m(x),\theta )是適當的損失函數,損失函數本身也要滿足一定的要求,它們是上述優化問題未列出的約束條件。一般情況下,該問題是NP困難的,從而求出風險最小的m(x)消耗的計算時間,可能會隨取值數呈指數增長(根據強指數時間假設SETH)。

? 然而,從另一個角度來考慮:動用如此龐大的計算資源,是與參數值本身的信息量不相配的。我們提議這樣的原則:估計量的計算復雜度應該與該估計量求得的信息量相適配(例如:相差不超過多項式函數)。

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