极大似然思想原理

极大似然估计,顾名思义是一种估计方法。既然是一种估计方法,我们至少必须搞清楚几个问题:估计什么?需要什么前提或假设?如何估计?估计的准确度如何?


直观概念,最大似然估计:

给定:模型(参数全部或者部分未知)和数据集(样本)

估计:模型的未知参数。


基本思想:

这一方法是基于这样的思想:我们所估计的模型参数,要使得产生这个给定样本的可能性最大。在最大释然估计中,我们试图在给定模型的情况下,找到最佳的参数,使得这组样本出现的可能性最大。举个极端的反面例子,如果我们得到一个中国人口的样本,男女比例为3:2,现在让你估计全国人口的真实比例,你肯定不会估计为男:女=1:0。因为如果是1:0,不可能得到3:2的样本。我们大多很容易也估计为3:2,为什么?样本估计总体?其背后的思想其实最是最大似然

最大似然估计是在给定模型(含有未知参数)和样本集的情况下,用来估计模型参数的方法。其基本思想是找到最佳的模型参数,使得模型实现对样本的最大程度拟合,也就使样本集出现的可能性最大

求最大似然函数估计值的一般步骤: 
(1) 写出似然函数
(2) 对似然函数取对数,并整理
(3) 求导数
(4) 解似然方程


### 极大似然估计的定义 极大似然估计(Maximum Likelihood Estimation, MLE)是一种统计方法,用于在给定观察数据的情况下估计模型参数。这种方法的核心思想是找到一组参数值,使得这组参数下观察到的数据出现的概率最大[^2]。 ### 基本原理 极大似然估计基于这样的假设:模型的形式是已知的,但其中的具体参数是未知的。通过收集一组样本数据,我们可以构造一个似然函数,这个函数描述了不同参数值下观测到当前样本的可能性大小。MLE的目标就是找出那个最有可能产生我们所观察到的数据集的参数值,即寻找使似然函数达到最大的参数值。 数学上,如果有一个随机变量$X$遵循某个概率分布,并且该分布由参数$\theta$决定,则对于给定的一组独立同分布的样本$x_1, x_2, ..., x_n$,其联合概率密度或质量函数可以写成$L(\theta|x_1,x_2,...,x_n)$,这就是所谓的似然函数。极大似然估计量$\hat{\theta}_{MLE}$就是满足以下条件的参数估计: $$ \hat{\theta}_{MLE} = \arg\max_{\theta} L(\theta | x_1, x_2, ..., x_n) $$ 或者等价地最大化对数似然函数,因为对数函数是单调递增的,不会改变极值点的位置[^4]。 ### 应用示例 极大似然估计广泛应用于各种统计分析中,包括但不限于线性回归、逻辑回归以及更复杂的机器学习模型中的参数估计问题。例如,在正态分布的情况下,如果我们想要估计均值$\mu$和方差$\sigma^2$,我们可以使用MLE来计算这些参数的最佳估计值。对于正态分布来说,MLE给出的均值估计就是样本均值,而方差的MLE估计则是样本方差,不过需要注意的是它通常会稍微低估总体方差,因为它没有进行无偏修正[^3]。 考虑一个简单的例子,假设我们有来自正态分布的一组数据点,并希望利用MLE来估计这些数据点背后的均值和标准差。下面是一个Python代码片段,演示如何使用scipy库中的optimize模块来进行MLE以估计正态分布的参数: ```python from scipy.stats import norm from scipy.optimize import minimize_scalar import numpy as np # 生成一些模拟数据 data = norm.rvs(loc=5, scale=3, size=100) # 定义负对数似然函数(因为我们想找到最小化这个值的参数) def neg_log_likelihood(params, data): mu, sigma = params return -np.sum(norm.logpdf(data, loc=mu, scale=sigma)) # 初始猜测 initial_guess = [0, 1] # 使用优化算法找到MLE估计 result = minimize_scalar(lambda x: neg_log_likelihood([x[0], x[1]], data), bounds=(min(data), max(data)), method='bounded') mle_estimate = result.x ``` 这段代码首先生成了一些符合特定正态分布的模拟数据,然后定义了一个负对数似然函数,接着使用`minimize_scalar`函数来寻找使负对数似然最小化的参数组合,从而得到参数的最大似然估计。 ### 相关问题 - 如何处理多维参数空间中的极大似然估计? - 在什么情况下极大似然估计可能不适用或者效果不佳? - 极大似然估计与贝叶斯估计有何异同? [^1]: 上述内容涉及到了极大似然估计的基本原理及其实际应用时的一些考量因素。 [^2]: 对极大似然估计的基本概念进行了阐述。 [^3]: 提供了关于极大似然估计的具体实现步骤及示例。 [^4]: 比较了似然函数与概率函数之间的区别,并解释了极大似然估计的思想。 [^5]: 讨论了贝叶斯网参数估计的方法,对比了极大似然估计与贝叶斯估计的不同之处。
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