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最尤法に基づく平均・分散の推定

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投稿統計学初級
最尤法に基づく平均・分散の推定について、説明しています。
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 母集団$Y_i \sim N(\mu \, , \, \sigma^2)$について、最尤法にて、最尤推定量$\hat{\mu} \, , \, \hat{\sigma}^2$を求める場合を考えます。

 正規分布の密度関数は、

  $\displaystyle f(Y_i) = \dfrac{1}{\sqrt{2 \pi \sigma^2}} exp \left( – \dfrac{(Y_i \; – \; \mu)^2}{2 \sigma^2} \right)$

であり、これをそのまま使い、最尤法で推定することになります。

 まずは、この密度関数について対数化を行います。

  $\ln f(y_i) = \; – \; \dfrac{1}{2} \ln 2\pi \; – \; \dfrac{1}{2} \ln \sigma^2 \; – \; \dfrac{1}{2\sigma^2}(Y_i \; – \; \mu)^2$

 尤度関数を$L$とすると、対数尤度関数は、次のようになります。

  $\displaystyle \ln L = \sum_{i=1}^n \ln f(Y_i) = \; – \; \dfrac{n}{2} \ln 2\pi \; – \; \dfrac{n}{2} \ln \sigma^2 \; – \; \dfrac{1}{2\sigma^2} \sum_{i=1}^n (Y_i \; – \; \mu)^2$

 これについて、$\mu$と$\sigma^2$で偏微分して、$0$とすると、

  $\displaystyle \dfrac{\partial L}{\partial \mu} = \dfrac{1}{\sigma^2} \sum_{i=1}^n (Y_i \; – \; \hat{\mu}) = 0$

  $\displaystyle \dfrac{\partial L}{\partial \sigma^2} = \; – \; \dfrac{n}{2 \hat{\sigma}^2} \; – \; \dfrac{1}{2 \hat{\sigma}^4} \sum_{i=1}^n (Y_i \; – \; \mu)^2 = 0$

となります。

 そしてこの第一式について解くと、平均$\mu$の最尤推定量$\hat{\mu}$を得ることができます。

  $\displaystyle \hat{\mu} = \dfrac{1}{n} \sum_{i=1}^n Y_i = \bar{Y}$

 これを第二式に代入して解くと、分散$\sigma^2$の最尤推定量$\hat{\sigma}^2$を得ることができます。

  $\displaystyle \hat{\sigma}^2 = \dfrac{1}{n} \sum_{i=1}^n (Y_i \; – \; \bar{Y})^2$
 

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参考

  鹿野繁樹『新しい計量経済学

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