Estimation des paramètres de distribution gamma à l'aide de la moyenne de l'échantillon et de la norme

J'essaie d'estimer les paramètres d'une distribution gamma qui correspond le mieux à mon échantillon de données. Je veux seulement utiliser la moyenne , std (et donc la variance ) de l'échantillon de données, pas les valeurs réelles - car elles ne seront pas toujours disponibles dans mon application.

Selon ce document, les formules suivantes peuvent être appliquées pour estimer la forme et l'échelle:

J'ai essayé cela pour mes données, mais les résultats sont très différents par rapport à l'ajustement d'une distribution gamma sur les données réelles à l'aide d'une bibliothèque de programmation python.

J'attache mes données / code pour montrer le problème à portée de main:

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from scipy.stats import gamma

data = [91.81, 10.02, 27.61, 50.48, 3.34, 26.35, 21.0, 79.27, 31.04, 8.85, 109.2, 15.52, 11.03, 41.09, 10.75, 96.43, 109.52, 33.28, 7.66, 65.44, 52.43, 19.25, 10.97, 586.52, 56.91, 157.18, 434.74, 16.07, 334.43, 6.63, 108.41, 4.45, 42.03, 39.75, 300.17, 4.37, 343.19, 32.04, 42.57, 29.53, 276.75, 15.43, 117.67, 75.47, 292.43, 457.91, 5.49, 17.69, 10.31, 58.91, 76.94, 37.39, 64.46, 187.25, 30.0, 9.94, 83.05, 51.11, 17.68, 81.98, 4.41, 33.24, 20.36, 8.8, 846.0, 154.24, 311.09, 120.72, 65.13, 25.52, 50.9, 14.27, 17.74, 529.82, 35.13, 124.68, 13.21, 88.24, 12.12, 254.32, 22.09, 61.7, 88.08, 18.75, 14.34, 931.67, 19.98, 50.86, 7.71, 5.57, 8.81, 14.49, 26.74, 13.21, 8.92, 26.65, 10.09, 7.74, 21.23, 66.35, 31.81, 36.61, 92.29, 26.18, 20.55, 17.18, 35.44, 6.63, 69.0, 8.81, 19.87, 5.46, 29.81, 122.01, 57.83, 33.04, 9.91, 196.0, 34.26, 34.31, 36.55, 7.74, 6.68, 6.83, 18.83, 6.6, 50.78, 95.65, 53.91, 81.62, 57.96, 26.72, 76.25, 5.48, 4.43, 133.04, 33.37, 45.26, 30.51, 9.98, 11.08, 28.95, 71.25, 70.65, 3.34, 12.28, 111.67, 139.86, 23.34, 30.0, 26.38, 33.51, 1112.64, 25.87, 148.59, 552.79, 11.11, 47.8, 7.8, 9.98, 7.69, 85.46, 3.59, 122.71, 32.09, 82.51, 12.14, 12.57, 8.8, 49.61, 95.41, 26.99, 13.29, 4.57, 7.78, 4.4, 6.66, 12.17, 12.18, 1533.01, 22.95, 15.93, 14.82, 2.2, 12.04, 9.94, 17.64, 6.66, 18.64, 83.66, 142.99, 30.76, 67.57, 9.88, 46.44, 19.5, 22.2, 43.1, 653.67, 9.86, 7.69, 7.74, 27.19, 38.64, 12.32, 182.34, 43.13, 3.28, 14.32, 69.78, 32.2, 17.66, 18.67, 4.4, 9.05, 56.94, 33.32, 13.2, 15.07, 12.73, 3.32, 35.44, 14.35, 66.68, 51.28, 6.86, 75.49, 5.54, 21.0, 24.2, 38.1, 13.31, 7.78, 5.76, 51.86, 11.09, 20.71, 36.74, 21.97, 10.36, 32.04, 96.94, 13.93, 51.84, 6.88, 27.58, 100.56, 20.97, 828.16, 6.63, 32.15, 19.92, 253.23, 25.35, 23.35, 17.6, 43.18, 19.36, 13.7, 3.31, 22.99, 26.58, 4.43, 2.22, 55.46, 22.34, 13.24, 86.18, 181.29, 52.15, 5.52, 21.12, 34.24, 49.78, 14.37, 39.73, 78.22, 26.6, 20.19, 26.57, 105.8, 11.08, 46.47, 52.82, 13.46, 8.0, 7.74, 49.73, 4.4, 5.44, 51.7, 28.64, 8.95, 9.15, 4.46, 21.03, 29.92, 19.89, 4.38, 19.94, 7.77, 23.43, 57.07, 86.5, 12.82, 103.85, 39.63, 8.83, 42.32, 17.02, 14.29, 16.75, 24.4, 27.97, 8.83, 8.91, 24.23, 6.58, 30.97, 150.58, 122.73, 17.69, 37.11, 11.05, 298.23, 25.58, 9.91, 38.85, 17.24, 82.17, 42.11, 3.29, 38.63, 27.55, 18.22, 127.16, 57.66, 34.45, 41.26, 45.91, 9.88, 34.48, 484.33, 58.42, 30.09, 6.69, 254.49, 1313.58, 39.89, 3.31, 7.83, 10.98, 13.21, 67.78, 7.77, 117.72, 20.03, 83.23, 31.28, 38.97, 6.63, 6.63, 36.6, 22.12, 154.57, 112.65, 19.88, 674.18, 83.31, 5.54, 8.81, 11.06, 178.33, 30.47, 1180.39, 79.33, 37.74, 86.3, 16.61, 53.94, 52.78, 20.83, 11.15, 26.68, 86.04, 180.26, 99.62, 11.17, 28.74, 56.85, 15.51, 95.37, 44.09, 6.68, 12.14, 6.72, 19.81, 10.05, 34.26, 69.84, 14.35, 17.72, 8.81, 20.86, 37.69, 24.62, 72.11, 8.83, 7.69, 60.79, 20.02, 9.41, 13.24, 29.8, 43.09, 25.34, 174.34, 161.6, 119.34, 30.08, 54.15, 7.74, 249.29, 9.98, 21.87, 38.92, 98.45, 95.07, 7.74, 4.45, 81.98, 12.18, 28.66, 5.58, 59.94, 22.15, 9.98, 18.86, 6.69, 134.97, 13.29, 4.43, 8.88, 5.74, 25.16, 122.39, 3.53, 6.68, 3.4, 17.58, 62.51, 584.3, 46.63, 21.19, 22.14, 5.74, 8.19, 7.74, 7.64, 4.41, 3.32, 130.76, 3.29, 31.04, 3.26, 18.83, 168.31, 7.68, 120.19, 43.95, 747.12, 18.75, 306.24, 29.72, 5.57, 6.65, 53.2, 7.96, 25.34, 25.57, 8.85, 93.59, 92.96, 23.4, 60.0, 6.63, 12.15, 49.98, 39.75, 7.77, 5.73, 18.74, 11.58, 281.32, 13.99, 4.59, 13.35, 25.05, 9.98, 5.58, 91.43, 288.94, 15.43, 7.8, 9.92, 18.69, 6.63, 78.38, 18.86, 63.03, 26.38, 166.41, 27.78, 54.21, 173.32, 11.12, 17.85, 14.43, 31.31, 3.37, 16.63, 5.51, 77.74, 8.89, 17.71, 3.24, 9.28, 22.12, 2.2, 19.41, 12.23, 22.31, 9.36, 18.85, 51.5, 8.3, 23.0, 29.7, 29.81, 4.65, 75.77, 55.52, 144.45, 6.68, 13.26, 72.78, 56.71, 46.35, 6.63, 8.88, 6.61, 41.7, 15.09, 5.51, 18.78, 74.09, 487.0, 27.52, 18.99, 44.18, 41.76, 6.65, 23.62, 175.68, 446.38, 87.13, 165.69, 16.57, 7.88, 16.57, 80.17, 135.75, 3.29, 134.16, 25.58, 45.13, 114.23, 471.15, 97.75, 12.2, 32.01, 62.21, 22.36, 193.55, 210.65, 42.39, 27.57, 106.15, 44.76, 16.6, 134.76, 18.81, 14.76, 7.97, 160.59, 39.21, 60.36, 62.45, 72.18, 91.15, 23.71, 105.04, 70.87, 25.57, 122.09, 60.09, 38.8, 133.87, 4.41, 13.28, 45.63, 45.41, 67.81, 26.68, 97.33, 723.5, 5.51, 164.05, 165.32, 4.45, 57.67, 85.82, 11.56, 12.26, 17.97, 31.04, 76.72, 15.01, 35.88, 32.37, 23.63, 85.57, 9.34, 4.45, 90.25, 73.71, 45.99, 14.24, 176.85, 65.21, 9.92, 15.02, 12.9, 21.4, 59.94, 64.62, 37.53, 147.89, 36.52, 97.67, 16.65, 22.1, 23.38, 76.85, 16.58, 7.72, 17.75, 91.25, 9.91, 18.46, 4.45, 3.29, 73.18, 19.5, 5.58, 18.85, 28.64, 7.8, 43.74, 4.43, 7.99, 132.4, 41.48, 14.45, 8.78, 8.14, 9.95, 2.46, 16.61, 32.71, 17.74, 4.46, 68.25, 34.55, 9.92, 181.31, 37.63, 125.22, 25.37, 24.45, 220.92, 11.09, 35.46, 588.56, 58.21, 22.39, 78.55, 135.13, 280.65, 273.41, 381.07, 60.56, 68.63, 40.17, 27.68, 23.68, 23.15, 28.8, 20.94, 21.92, 159.06, 9.94, 127.52, 32.4, 15.93, 99.09, 48.31, 104.66, 257.4, 117.08, 180.32, 66.55, 95.99, 17.74, 30.14, 270.54, 39.8, 54.77, 16.04, 76.99, 5.43, 8.78, 76.96, 10.39, 18.47, 290.11, 48.35, 289.06, 10.44, 57.75, 47.83, 101.62, 96.3, 71.62, 256.97, 149.45, 22.17, 23.15, 89.25, 36.46, 90.03, 69.14, 28.27, 28.72, 17.44, 43.38, 56.72, 84.96, 25.4, 55.06, 47.68, 92.11, 6.65, 30.94, 15.38, 27.44, 516.55, 5.83, 19.45, 41.53, 110.69, 6.82, 54.09, 13.31, 89.8, 25.57, 110.89, 3.32, 93.76, 33.81, 80.87, 30.9, 58.53, 185.22, 4.38, 58.75, 189.53, 7.19, 7.8, 48.97, 28.8, 48.52, 45.96, 309.44, 29.16, 2.22, 255.91, 78.7, 102.67, 33.32, 43.2, 19.5, 91.59, 139.89, 5.51, 213.96, 10.02, 10.03, 39.87, 8.95, 27.74, 7.78, 65.93, 45.41, 263.21, 33.06, 5.54, 59.77, 2.2, 9.95, 14.38, 44.76, 96.45, 15.91, 133.07, 38.03, 36.43, 7.83, 105.41, 20.5, 25.35, 20.55, 119.59, 24.31, 28.81, 101.0, 67.0, 143.85, 20.55, 83.45, 60.62, 25.19, 6.65, 1745.95, 41.62, 44.96, 65.42, 9.92, 24.23, 73.56, 34.35, 75.72, 18.77, 88.59, 312.55, 56.43, 106.61, 11.44, 22.04, 5.73, 197.92, 25.32, 144.83, 145.36, 4.43, 18.33, 48.72, 33.42, 8.83, 18.85, 32.25, 88.56, 14.95, 147.39, 9.25, 35.24, 141.51, 14.41, 5.49, 42.28, 75.69, 16.96, 6.71, 17.33, 710.34, 68.92, 28.39, 24.98, 33.03, 31.06, 46.24, 36.77, 43.74, 11.48, 22.14, 13.21, 15.8, 21.9, 5.51, 20.66, 22.04, 127.0, 21.03, 36.75, 61.45, 42.12, 238.3, 57.43, 28.61, 31.31, 15.43, 8.88, 54.26, 34.01, 5.79, 8.02, 25.68, 19.67, 29.19, 4.38, 15.05, 5.57, 32.31, 81.68, 29.92, 397.98, 119.2, 5.52, 25.54, 12.78, 17.78, 100.97, 253.58, 8.92, 22.04, 22.03, 86.57, 97.27, 106.29, 33.31, 13.34, 35.57, 40.75, 6.57, 23.32, 6.63, 30.09, 62.39, 35.62, 25.23, 5.49, 77.67, 4.41, 8.77, 12.09, 32.0, 7.75, 25.44, 27.57, 25.51, 81.59, 8.83, 64.15, 48.92, 52.25, 2.2, 13.29, 15.52, 320.64, 22.26, 21.03, 79.27, 6.61, 59.38, 40.19, 43.07, 2.26, 20.97, 8.8, 205.43, 51.82, 8.78, 90.72, 6.63, 14.46, 85.62, 72.53, 29.24, 68.81, 67.6, 1.15, 13.15, 17.71, 20.06, 77.42, 167.72, 5.54, 34.45, 5.51, 54.04, 7.8, 79.91, 4.62, 66.39, 164.13, 78.1, 49.72, 19.92, 28.92, 709.25, 18.19, 875.38, 60.92, 5.55, 71.14, 301.2, 27.74, 34.26, 108.78, 88.28, 75.83, 7.82, 8.78, 44.68, 20.98, 41.9, 8.88, 124.18, 198.8, 180.0, 71.61, 119.27, 59.33, 3.28, 43.88, 14.46, 64.34, 158.59, 41.98, 32.28, 14.43, 48.49, 2.36, 14.38, 25.52, 7.83, 2.2, 292.18, 8.97, 36.18, 7.8, 8.89, 43.26, 25.35, 12.29, 6.88, 34.48, 11.09, 16.57, 35.99, 13.45, 6.6, 162.65, 13.23, 26.91, 55.62, 61.4, 48.47, 89.62, 7.77, 6.65, 11.56, 23.28, 6.66, 7.74, 4.62, 5.8, 24.56, 10.16, 8.91, 14.45, 25.37, 6.61, 75.29, 11.03, 36.75, 38.61, 36.52, 17.75, 61.87, 31.92, 120.9, 144.82, 70.98, 19.98, 80.09, 30.17, 35.48, 2.4, 42.15, 24.29, 111.26, 71.9, 158.23, 49.75, 7.75, 13.28, 10.97, 5.51, 34.37, 56.61, 138.83, 231.4, 20.17, 29.89, 20.27, 7.69, 77.35, 12.26, 1144.41, 9.95, 7.72, 196.64, 499.4, 114.38, 24.43, 94.88, 75.15, 4.48, 8.89, 196.05, 95.15, 99.28, 42.36, 234.32, 4.59, 80.97, 237.69, 89.34, 4.51, 6.68, 148.42, 108.58, 5.48, 132.38, 7.94, 204.74, 11.08, 74.24, 146.22, 79.5, 17.68, 10.51, 550.77, 45.35, 23.28, 47.57, 40.56, 114.76, 29.81, 15.51, 11.0, 26.61, 6.74, 142.82, 12.17]

Quelques informations sur les données:

Moyenne: 68,71313036020582, écart: 19112,931263699986, écart-type: 138,24952536518882, éléments de quantité dans les données d'entraînement: 1166

Histogramme des données:

Utilisation de la bibliothèque python pour l'ajustement:

x = np.linspace(0,300,1000)
# Gamma
shape, loc, scale = gamma.fit(data, floc=0)
print(shape, loc, scale)
y = gamma.pdf(x, shape, loc, scale)
plt.title('Fitted Gamma')
plt.plot(x, y)
plt.show()

Paramètres: 0,7369587045435088 0 93,2387797804

Je l'ai estimé moi-même:

def calculateGammaParams(data):
    mean = np.mean(data)
    std = np.std(data)
    shape = (mean/std)**2
    scale = (std**2)/mean
    return (shape, 0, scale)

eshape, eloc, escale = calculateGammaParams(data)
print(eshape, eloc, escale)
ey = gamma.pdf(x, eshape, eloc, escale)
plt.title('Estimated Gamma')
plt.plot(x, ey)
plt.show()

Paramètres: 0,247031406055 0278.155443705

On peut clairement voir une énorme différence.

Les MLE et les estimateurs basés sur les moments sont cohérents et vous vous attendez donc à ce que, dans des échantillons suffisamment grands d'une distribution gamma, ils aient tendance à être assez similaires. Cependant, ils ne seront pas nécessairement identiques lorsque la distribution n'est pas proche d'un gamma.

En regardant la distribution du journal des données, il est à peu près symétrique - ou en fait en fait quelque peu asymétrique. Cela indique que le modèle gamma est inapproprié (pour un gamma, le journal doit être laissé asymétrique).

Il se peut qu'un modèle gamma inverse soit plus performant pour ces données. Mais la même légère asymétrie à droite dans les journaux serait observée avec un certain nombre d'autres distributions - nous ne pouvons pas vraiment dire grand-chose avec certitude en fonction de la direction de l'asymétrie sur l'échelle des journaux.

Cela peut faire partie de l'explication de la différence entre les deux ensembles d'estimations - la méthode des moments et les MLE n'auront pas tendance à être cohérents l'un avec l'autre.

Vous pouvez estimer les paramètres gamma inverses en inversant les données, en ajustant un gamma, puis en maintenant ces estimations de paramètres telles quelles. Vous pouvez également estimer les paramètres lognormaux à partir de la moyenne et de l'écart-type (plusieurs articles sur le site montrent comment, ou voir wikipedia ), mais plus la queue de la distribution est lourde, plus la méthode d'estimateurs des moments aura tendance à être pire.

Il semble (d'après les commentaires ci-dessous ma réponse) que le vrai problème est que les estimations des paramètres doivent être mises à jour "en ligne" - pour ne prendre que des informations résumées, pas la totalité des données - et mettre à jour les estimations des paramètres à partir des informations résumées. La raison de l'utilisation de la moyenne et de la variance de l'échantillon dans la question est qu'ils peuvent être rapidement mis à jour.

Cependant, ce ne sont pas les seules choses qui peuvent être mises à jour rapidement!

$f_{X}(x\mid \theta )=\exp \left(\eta (\theta )\cdot T(x)-A(\theta )+B(x)\right)\,$$T(x)$

$\theta$$T$

Pour toutes les distributions que je discute (gamma, lognormal, gamma inverse), les statistiques suffisantes sont facilement mises à jour. Pour des raisons de stabilité, je suggère de mettre à jour les quantités suivantes (qui entre elles suffisent pour les trois distributions):

• la moyenne des données

• la moyenne des logs des données

• la variance des journaux des données

$s^2_n$$n$

$\frac{1}{n}\sum x_i^2-\bar{x}^2$

$0$$\infty$

Les estimations ainsi obtenues sont des estimations de la méthode des moments. En particulier, nous savons que$\mbox{E}(X) = \alpha \theta$$\mbox{Var}[X] = \alpha \theta^2$$\alpha$$\theta$$\alpha$$\theta$$\alpha = \mbox{E}[X]^2/\mbox{Var}[X]$$\theta = \mbox{Var}[X] / \mbox{E}[X]$$\hat{\alpha} = \bar{x}^2 / s^2$$\hat{\theta} = s^2 / \bar{x}$

Ce ne sont pas les MLE (encore une fois, voir wikipedia ). Je ne sais pas quelle bibliothèque vous avez utilisée pour estimer les paramètres, mais généralement ces bibliothèques produisent des MLE. Et celles-ci pourraient être assez différentes de la méthode d'estimation des moments.

$\alpha$ et $\theta$ (bien sûr avec la contrainte que ces paramètres doivent être> 0, cela doit toujours s'intégrer à 1.

Mise à jour:

Après avoir publié les données, j'ai utilisé R pour obtenir les MLE et la méthode d'estimation des moments. Cela donne:

> library(MASS)
> fitdistr(y, dgamma, start=list(shape=1, scale=1))
      shape         scale   
   0.73684030   93.26893829 
 ( 0.02613277) ( 4.59104121)

> mean(y)^2 / var(y)
[1] 0.2468195
> var(y) / mean(y)
[1] 278.3942

Donc, essentiellement le même que celui obtenu avec Python. Ainsi, les estimations sont simplement très différentes en utilisant l'estimation du maximum de vraisemblance par rapport à la méthode des moments.