估计参数的均方误差

花书 5.4.4 5.4.4 5.4.4 中说均方误差( MSE )度量着估计 θ ^ \hat{\theta} θ^ 和真实参数 θ \theta θ 之间平方误差的总体期望偏差,包含了偏差和方差。但没有进行证明,现将推导过程展示在下面
M S E = E [ ( θ ^ − θ ) 2 ] = E [ ( ( θ ^ − E ( θ ^ ) ) + ( E ( θ ^ ) − θ ) ) 2 ] = E [ ( θ ^ − E ( θ ^ ) ) 2 ] + E [ ( E ( θ ^ ) − θ ) 2 ] + 2 E [ ( θ ^ − E ( θ ^ ) ) ( E ( θ ^ ) − θ ) ] = E [ ( θ ^ − E ( θ ^ ) ) 2 ] + ( E ( θ ^ ) − θ ) 2 + 2 ( E ( θ ^ ) − E ( θ ^ ) ) ( E ( θ ^ ) − θ ) = V a r ( θ ^ ) + B i a s ( θ ^ ) 2 \begin{aligned} MSE &= \mathbb{E}[(\hat{\theta} - \theta)^2] \\ &= \mathbb{E}[\Big( \big(\hat{\theta} - \mathbb{E}(\hat{\theta}) \big) + \big(\mathbb{E}(\hat{\theta}) - \theta \big) \Big)^2] \\ &= \mathbb{E}[ \big(\hat{\theta} - \mathbb{E}(\hat{\theta}) \big)^2] + \mathbb{E}[ \big( \mathbb{E}(\hat{\theta}) - \theta \big)^2 ] + 2\mathbb{E}[\big( \hat{\theta} - \mathbb{E}(\hat{\theta}) \big) \big( \mathbb{E}(\hat{\theta}) - \theta \big)] \\ &= \mathbb{E}[ \big(\hat{\theta} - \mathbb{E}(\hat{\theta}) \big)^2] + \big( \mathbb{E}(\hat{\theta}) - \theta \big)^2 + 2\big( \mathbb{E}(\hat{\theta}) - \mathbb{E}(\hat{\theta}) \big) \big( \mathbb{E}(\hat{\theta}) - \theta \big)\\ &= Var(\hat{\theta}) + Bias(\hat{\theta})^2 \end{aligned} MSE=E[(θ^θ)2]=E[((θ^E(θ^))+(E(θ^)θ))2]=E[(θ^E(θ^))2]+E[(E(θ^)θ)2]+2E[(θ^E(θ^))(E(θ^)θ)]=E[(θ^E(θ^))2]+(E(θ^)θ)2+2(E(θ^)E(θ^))(E(θ^)θ)=Var(θ^)+Bias(θ^)2
注意, θ \theta θ E ( θ ^ ) \mathbb{E}(\hat{\theta}) E(θ^) 是确定的(虽然需要利用样本预估),所以 E ( θ ) = θ , E [ E ( θ ^ ) ] = E ( θ ^ ) \mathbb{E}(\theta) = \theta, \mathbb{E}[\mathbb{E}(\hat{\theta})] = \mathbb{E}(\hat{\theta}) E(θ)=θ,E[E(θ^)]=E(θ^)

Reference: Understanding the Bias-Variance Tradeoff

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