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Familia exponencial, GLM e introducción a estimación

Apuntes, tema 3 · 3.4 a 3.4.5: familia exponencial, Poisson, normales uniparamétricas, binomial, GLM y estimación introductoriaAbrir el PDF en la página 19

Objetivos de la lección

  • Reconocer la estructura de una familia exponencial.
  • Situar GLM y verosimilitud sin atribuirles garantías automáticas.

Apartado 1 de 6

Una estructura compartida por varios modelos

Transcripción

Hola.

Familia exponencial no es otro nombre para tiempos de espera exponenciales.

Es una estructura común de masas o densidades que separa qué depende del dato y qué del parámetro.

Empezaremos con Poisson de media lambda positiva y soporte fijo: los enteros no negativos, independientemente de cuál sea esa media.

En la masa Poisson, uno entre equis factorial depende del recuento observado, pero no de lambda.

Lo dejamos en hache de equis, la pieza que no cambia cuando comparamos medias candidatas para el mismo dato.

No desaparece: sigue siendo necesaria para dar el peso correcto a cada recuento.

La potencia lambda a la equis puede escribirse como exponencial de equis por logaritmo de lambda.

Ahí el dato interactúa con el parámetro mediante te de equis, que en este caso es el propio recuento.

Te es el estadístico: una función del dato, no otro parámetro libre.

Llamamos eta al logaritmo de lambda para escribir esa interacción como eta por te.

Eta es el parámetro natural, la pieza que el PDF llama cu del parámetro.

Como lambda recorre los positivos, eta recorre toda la recta: no es una probabilidad ni tiene que ser positivo.

Queda la exponencial de menos lambda que normalizaba Poisson.

Escribimos lambda como exponencial de eta y llamamos a de eta a esa cantidad.

Al restar a dentro del exponente recuperaremos el factor normalizador.

La ce multiplicativa del PDF corresponde a exponencial de menos a, no a a por sí sola.

Reunimos hache por exponencial de eta por te menos a.

Sustituir las cuatro piezas devuelve exactamente la masa Poisson original: no hemos cambiado probabilidades, solo su organización.

Esta separación permite estudiar propiedades comunes, siempre bajo sus hipótesis; no hace equivalentes todas las distribuciones ni permite ignorar soporte y dominio.

Palabras y símbolos de esta lección​

h(x), T(x), η, A(η) · Piezas de una familia exponencial

Se lee: hache de x; te de x; eta; a de eta.

h depende de los datos; T los resume para esta representación; η es una forma de escribir el parámetro; A ajusta el total de probabilidad a uno. No son cuatro variables observadas.

Ejemplo: En Poisson: h(x) = 1/x!, T(x) = x, η = log λ y A(η) = λ.

L(θ), ℓ(θ), θ̂ · Verosimilitud y estimación

Se lee: ele de theta; ele minúscula de theta; theta estimada.

L compara valores de un parámetro con los datos ya fijados. ℓ es el logaritmo natural de L. El acento o sombrero indica un valor estimado con los datos.

Ejemplo: Con recuentos 0, 1 y 2, la media observada es 1; en un modelo Poisson es la estimación de λ.

g(μᵢ) = xᵢᵀβ · Enlace de un GLM

Se lee: ge de mu sub i es el producto de los predictores por sus coeficientes beta.

Un GLM es un modelo lineal generalizado. Relaciona la media de una respuesta con medidas explicativas, por ejemplo una dosis. El enlace g transforma esa media; los coeficientes β ponderan los predictores.

Ejemplo: Con enlace logarítmico, una predicción η da una media exp(η), siempre positiva.

∏ᵢ aᵢ · Productorio

Se lee: producto de a sub i.

La pi grande pide multiplicar, no sumar, todos los términos indicados por el índice.

Ejemplo: Si los términos son 2, 3 y 5, el producto es 30.

∑ᵢ aᵢ · Sumatorio

Se lee: suma de a sub i.

La sigma grande pide sumar términos. El índice i es un contador; las etiquetas inferiores y superiores indican dónde empieza y termina.

Ejemplo: Sumar a₁, a₂ y a₃, con valores 2, 3 y 5, da 10.

log(x), ln(x) · Logaritmo natural

Se lee: logaritmo natural de x.

Pregunta a qué exponente hay que elevar e para obtener x. En este curso log y ln significan lo mismo; x debe ser positivo.

Ejemplo: log(1) = 0 porque e⁰ = 1. No es el logaritmo en base diez.

eˣ, exp(x) · Exponencial natural

Se lee: e elevado a x; exponencial de x.

Son dos escrituras de la misma función. La base e vale aproximadamente 2,71828. Una calculadora científica permite evaluarla.

Ejemplo: e⁰ = 1; exp(−1) es aproximadamente 0,3679.

¿Por qué varios modelos comparten una misma estructura?​

Familia exponencial no significa la distribución exponencial de tiempos. Es una manera común de escribir modelos como Poisson, binomial y ciertas normales. Separamos una parte que depende de los datos, una que los resume y otras que dependen del parámetro que queremos comparar.

En Poisson, x es el recuento, T(x) = x lo resume, eta = log lambda reescribe la media y A(eta) = lambda ajusta el total. El factor h(x) = 1/x! depende solo del dato. Estas letras organizan la misma probabilidad Poisson ya estudiada; no añaden cuatro nuevas observaciones.

Una estructura compartida, no una sola distribución​

Familia exponencial no significa distribución exponencial de tiempos. Es una forma de escribir masas o densidades separando un término de datos, un estadístico y términos del parámetro. El estadístico concentra la parte de los datos que interactúa con el parámetro en esa representación, siempre bajo las condiciones del modelo.

La Poisson puede usar el recuento como estadístico y el logaritmo de su media como parámetro natural. La binomial con tamaño fijo usa el recuento y el logaritmo de las odds. En una normal, fijar la varianza y variar la media da una familia uniparamétrica; fijar la media y variar la varianza usa un estadístico cuadrático. No se confunden esos dos casos.

Poisson y binomial: identificar las cuatro piezas​

En Poisson con lambda positiva, el factor de datos es 1/x!1/x!, el estadístico es T(x)=xT(x)=x, η=log⁡λ\eta=\log\lambda y A(η)=λ=eηA(\eta)=\lambda=e^{\eta}. Así la exponencial reúne xlog⁡λ−λx\log\lambda-\lambda. En la binomial con n fijo y p estrictamente entre cero y uno, el factor de datos es el coeficiente binomial y el estadístico vuelve a ser x. η=log⁡p1−p\eta=\log\frac{p}{1-p} y A(η)=nlog⁡(1+eη)A(\eta)=n\log(1+e^{\eta}). La normalización devuelve las masas originales. Los casos p cero y uno se tratan como límites degenerados, no con un logit finito.

Fórmulas del apartado​

Se lee: Efe de x con parámetro eta es hache de x por la exponencial de eta por te de x menos a de eta. Hache usa datos, te los resume y a normaliza el modelo.

f(x;η)=h(x)exp⁡{ηT(x)−A(η)}f(x;\eta)=h(x)\exp\{\eta T(x)-A(\eta)\}

Esta forma uniparamétrica separa estadístico T, parámetro natural eta y normalizador A; se declaran soporte y dominio.