贝叶斯统计决策理论

本文深入解析决策问题的三要素:状态集、行动集与收益函数,探讨悲观、乐观及折中决策准则。介绍先验与后验期望准则,贝叶斯决策理论,包括后验风险与贝叶斯风险准则的等价性,以及抽样信息期望值的概念。

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决策问题的三要素

  • 状态集Θ\ThetaΘ={θ\thetaθ},其中每个元素θ\thetaθ表示自然界或社会可能出现的一种状态,所有可能状态的全体组成状态集。
  • 行动集A\mathscr{A}A={a\mathscr{a}a},其中每个元素a\mathscr{a}a表示人对自然界或社会可能采取的一个行动,所有此行动的全部就是行动集。
  • 收益函数QQQ(θ\thetaθ,a\mathscr{a}a)。

决策准则

  • 行动的容许性
    在给定的决策问题中,A\mathscr{A}A中的行动 a1a_{1}a1称为是容许的,假如在A\mathscr{A}A中不存在满足如下两个条件的行动a2a_{2}a2
    1.对所有的θ\thetaθ∈\inΘ\ThetaΘ,有QQQ(θ\thetaθ,a1a_{1}a1)≥\geqQ(θ\thetaθ,a2a_{2}a2);
    2.至少有一个θ\thetaθ,可使上述不等式严格成立。
  • 悲观准则:最小最大收益,保守。
  • 乐观准则:最大最大收益,冒险。
  • 折中准则:悲观与乐观的加权。

先验期望准则

  • 先验期望收益
    对给定的决策问题,若在状态集Θ\ThetaΘ上有一个正常的先验分布π\piπ(θ\thetaθ),则收益函数QQQ(θ\thetaθ,a)对π\piπ(θ\thetaθ)的期望与方差
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    分别称为先验期望收益和收益的先验方差。使先验平均收益达到最大的行动a′a^{'}a
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    称为先验期望准则下的最优行动。若此种最优行动不止一个,其中先验方差达到最小的行动称为二阶矩准则下的最优行动。

损失函数

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  • 悲观准则:最大最小损失,保守。
  • 损失函数下的先验期望准则
    对给定的决策问题,若在状态集上有一个正常的先验分布π\piπ(θ\thetaθ),则损失函数LLL(θ\thetaθ,a\mathscr{a}a)对π\piπ(θ\thetaθ)的期望与方差
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    分别称为先验期望损失和先验方差,使先验期望损失达到最小的行动a′a^{'}a
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    称为先验期望准则下的最优行动,若此种最优行动不止一个,其中先验方差达到最小的行动称为二阶矩准则下的最优行动。
  • 二行动线性决策问题的损失函数
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贝叶斯决策

  • 后验风险
    我们把损失函数LLL(θ\thetaθ,a\mathscr{a}a)对后验分布π\piπ(θ\thetaθ|x\mathscr{x}x)的期望称为后验风险,记为RRR(a\mathscr{a}a|x\mathscr{x}x),即
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  • 决策函数
    在给定的贝叶斯决策问题中,从样本空间X\mathscr{X}X={x\mathscr{x}x=(x1x_{1}x1,x2x_{2}x2,…xnx_{n}xn)}到行动集A\mathscr{A}A上的一个映照δ\deltaδ(x\mathscr{x}x)称为该决策问题的一个决策函数。所有从X\mathscr{X}XA\mathscr{A}A上的决策函数组成的类称为决策函数类,用DDD={δ\deltaδ(x\mathscr{x}x)}表示。

  • 后验风险准则
    在给定的贝叶斯决策问题中DDD={δ\deltaδ(x\mathscr{x}x)}是其决策函数类,则称
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    为决策函数δ\deltaδ=δ\deltaδ(x\mathscr{x}x)的后验风险。假如在决策函数类DDD中存在这样的决策函数δ\deltaδ’=δ\deltaδ(x\mathscr{x}x),它在D中具有最小的后验风险
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    则称 δ\deltaδ’(x\mathscr{x}x)为后验风险准则下的最优决策函数,或称贝叶斯决策函数,或贝叶斯解。当参数空间Θ\ThetaΘ与行动集A\mathscr{A}A相同,均为某个实数集时,满足上式的 δ\deltaδ’(x\mathscr{x}x)又称为θ\thetaθ的贝叶斯解或贝叶斯估计。

抽样信息期望值

  • 完全信息期望值
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  • 完全信息后验期望值
    后验EVPIEVPIEVPI(Expected Value of Perfect Information)=
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    后验EVPIEVPIEVPI的期望值=
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  • 抽样信息期望值
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  • 最佳样本量的确定

  • 抽样成本
    由固定成本CfC_{f}Cf与可变成本CvC_{v}Cv·n\mathscr{n}n组成,即
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  • 抽样净益(Expected Net Gain From Sampling),记为ENGS,即
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  • 最佳样本量
    使得抽样净益达到最大且样本量最少的n∗n^{*}n称为最佳样本量,即n∗n^{*}n满足
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    要使抽样成为可行,抽样成本C(n)C(n)C(n)不应超过抽样信息期望值EVSI(n)EVSI(n)EVSI(n),而EVSI(n)EVSI(n)EVSI(n)也不会超过先验完全信息期望值EVPIEVPIEVPI。由此可知,最佳样本容量n∗n^{*}n应满足如下不等式
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统计决策理论

  • 风险函数
    仅使用抽样信息的决策问题称为统计决策问题。设δ\deltaδ(xxx)是某一统计决策问题中的决策函数。δ\deltaδ(xxx)的风险函数定义为
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  • 最小最大准则

  • 贝叶斯风险
    对给定的统计决策问题和给定的决策函数类A\mathscr{A}A,设决策函数δ\deltaδ(xxx)的风险函数为RRR(θ\thetaθ,δ\deltaδ(xxx)),又设θ\thetaθ的先验分布为π\piπ(θ\thetaθ),则风险函数对先验分布的期望
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    称为δ\deltaδ(xxx)的贝叶斯风险,假如在决策函数类A\mathscr{A}A中存在这样的决策函数δ∗\delta^{*}δ(xxx),使得
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    则称δ∗\delta^{*}δ(xxx)为在贝叶斯风险准则下的最优决策函数。

  • 贝叶斯风险准则与后验风险准则的等价性
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    下面转入等价性的讨论,为此设
    δ∗\delta^{*}δ为使贝叶斯风险准则下的最优决策函数。
    δ∗∗\delta^{**}δ为使后验风险准则下的最优决策函数。
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    这表明:使后验风险最小的决策函数δ∗∗\delta^{**}δ同时也使贝叶斯风险最小。
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    这表明:使贝叶斯风险最小的决策函数δ∗\delta^{*}δ同时也使后验风险最下。
    综上所述,后验风险准则与贝叶斯风险准则等价。

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