Qual é o valor esperado do logaritmo da distribuição gama?

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Se o valor esperado de for , qual é o valor esperado de ? Pode ser calculado analiticamente?Gamma(α,β)αβlog(Gamma(α,β))

A parametrização que estou usando é a taxa de forma.

Stefano Vespucci
fonte
4
Se , de acordo com mathStatica / Mathematica, + PolyGamma [a], onde PolyGamma denota a função digammaE [ log ( X ) ] = log ( b )XGamma(a,b)E[log(X)]=log(b)
wolfies
1
Devo acrescentar que você não fornece o formato pdf da sua variável Gamma e, como você relata que a média é (enquanto que para mim seria , parece que você está usando uma notação diferente da minha, onde youra b β = 1 / bα/βabβ=1/b
wolfies
Verdade, desculpe. A parametrização que estou usando é a taxa de forma. tentarei encontrá-lo para essa parametrização . Você poderia sugerir a consulta para Mathematica / WolframAlpha? βαΓ(α)xα1eβx
Stefano Vespucci
1
Ver também Johnson, Lotz e Balakrishna (1994) distribuições contínuas univariadas Vol 1 2nd Ed. 337-349.
Björn
3
Ver também Wikipedia: Gamma Distribuição # expectativa logarítmica e variância
Glen_b -Reinstate Monica

Respostas:

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Este (talvez surpreendentemente) pode ser feito com operações elementares fáceis (empregando o truque favorito de Richard Feynman de diferenciar sob o sinal integral em relação a um parâmetro).


Supomos que X tem uma distribuição Γ(α,β) e desejamos encontrar a expectativa de Y=log(X). Primeiro, como β é um parâmetro de escala, seu efeito será alterar o logaritmo pelo logβ. (Se você usar β como parâmetro de taxa , como na pergunta, ele mudará o logaritmo por logβ. ) Isso nos permite trabalhar com o caso β=1.

Após essa simplificação, o elemento de probabilidade de X é

fX(x)=1Γ(α)xαexdxx

onde Γ(α) é a constante de normalização

Γ(α)=0xαexdxx.

Substituindo x=ey, que implica dx/x=dy, fornece o elemento de probabilidade de Y ,

fY(y)=1Γ(α)eαyeydy.

Os valores possíveis de Y agora variar sobre toda a números reais R.

Porque fY deve integrar a unidade, obtemos (trivialmente)

(1)Γ(α)=Reαyeydy.

Aviso fY(y) é uma função diferenciável de α.Um cálculo fácil fornece

ddαeαyeydy=yeαyeydy=Γ(α)yfY(y).

O próximo passo explora a relação obtida dividindo os dois lados dessa identidade por Γ(α), expondo assim o próprio objeto que precisamos integrar para encontrar a expectativa; ou seja, yfY(y):

E(Y)=RyfY(y)=1Γ(α)Rddαeαyeydy=1Γ(α)ddαReαyeydy=1Γ(α)ddαΓ(α)=ddαlogΓ(α)=ψ(α),

a derivada logarítmica da função gama (também conhecida como " polígamo "). A integral foi calculada usando a identidade (1).

A reintrodução do fator β mostra que o resultado geral é

E(log(X))=logβ+ψ(α)

para uma parametrização de escala (onde a função de densidade depende de x/β ) ou

E(log(X))=logβ+ψ(α)

para uma parametrização de taxa (onde a função de densidade depende de xβ ).

whuber
fonte
Com a função polygamma, você quer dizer em que ordem (por exemplo, 0,1) sendo um digamma (como @wolfies apontou), trigamma?
Stefano Vespucci
1
ψ(z)=Γ(z)/Γ(z).
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A resposta do @whuber é bastante agradável; Vou reafirmar sua resposta essencialmente de uma forma mais geral, que se conecta (na minha opinião) melhor à teoria estatística, e que deixa claro o poder da técnica geral.

{Fθ:θΘ}

fθ(x)=exp{s(x)θA(θ)+h(x)}

fθ(x) dx=1
θ
()fθ(x)=fθ(x)fθ(x)fθ(x)=uθ(x)fθ(x) dx=0
uθ(x)=ddθlogfθ(x)fθ(x)=ddθfθ(x)
uθ(x)=s(x)A(θ)
A(θ)=ddθA(θ)()Eθ[s(X)]=A(θ)

β

fθ(x)=βαΓ(α)xα1eβx=exp{log(x)α+αlogβlogΓ(α)βx}.
αs(x)=logxA(α)=logΓ(α)αlogβddαA(α)
E[logX]=ψ(α)logβ.

cara
fonte
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+1 Obrigado por apontar essa boa generalização.
whuber