埃奇沃斯級數

埃奇沃斯級數(Edgeworth series)是以愛爾蘭經濟學家埃奇沃斯來命名的。

簡介

埃奇沃斯級數(Edgeworth series)是以愛爾蘭經濟學家埃奇沃斯來命名的。它和 Gram-Charlier A series 一樣,是把一個隨機變數的機率密度函式展成級數,級數中的每一項是用該隨機變數的 cumulants 來表達。對同一個分布,Gram-Charlier A series 和埃奇沃斯級數展出來是同樣的級數,只是項的排列不同。(也因此只取前幾項作為逼近時的誤差會有所不同)

級數

在數學中,一個有窮或無窮的序列的元素的形式和S稱為 級數。序列 中的項稱作級數的 通項。級數的通項可以是實數、矩陣或向量等常量,也可以是關於其他變數的函式,不一定是一個數。如果級數的通項是常量,則稱之為 常數項級數,如果級數的通項是函式,則稱之為 函式項級數。常見的簡單有窮數列的級數包括等差數列和等比數列的級數。

有窮數列的級數一般通過初等代數的方法就可以求得。如果序列是無窮序列,其和則稱為 無窮級數,有時也簡稱為級數。無窮級數有發散和收斂的區別,稱為無窮級數的 斂散性。判斷無窮級數的斂散性是無窮級數研究中的主要工作。無窮級數在收斂時才會有一個 ;發散的無窮級數在一般意義上沒有和,但可以用一些別的方式來定義。

無窮級數的研究更多的需要數學分析的方法來解決。無窮級數一般寫作 ,級數收斂時,其和通常被表示為 。

Gram-Charlier A級數

Gram-Charlier A series 的主要想法,是把待逼近分布(以F為它的密度函式)的特徵方程,寫成另一個已知分布的特徵方程的展式,再經過傅立葉變換的逆變換,就可以求得F的展式。

假設f是待逼近分布的特徵方程, 是這個分布的 累積量。現在將它展成和另一個已知分布相關的級數。該已知分布的密度函式為 ,特徵函式為 ,累積量 為 。常見的作法是選用常態分配作為已知分布,但事實上選用其它的分布函式也是可行的。由 累積量 的定義,下列這個等式是恆成立的:

由傅立葉變換的性質,(it)ψ(t) 是 (−1)D (x) 的傅立葉變換,其中D代對x的微分運算元。這樣我們就得到F的一個級數

如果令 為常態分配的密度函式且其期望值和方差與分布F相同,也就是說,期望值 μ = κ,變異數 σ= κ,則此展式變成

再將指數函式展開並按微分階數逐項列出,就得到 Gram-Charlier A series。例如,選用常態分配做為已知分布,展到前兩項就可以得到

其中H(x) =x− 3x;H(x) =x− 6x+ 3 (即埃爾米特多項式)

注意到以上的 series 並不保證函式值恆正,所以事實上並不一定是一個密度函式。在許多情況下,Gram-Charlier A series 會發散—僅當x趨近無限大時F(x) 遞降的比 exp(−x/4) 快時它才會收斂 (Cramér 1957)。當它不收斂時,這不是一個真正的漸近展式,因為要估計這個展式的誤差是不可能的。因此,一般的情況埃奇沃斯級數比 Gram-Charlier A series 更常用。

Edgeworth擴展的缺點

Edgeworth擴展可能會遇到一些問題:

(1)它們不能保證是一個合適的機率分布如下:

•密度的積分不需要積分為1,

•機率可能是負的。

(2)主要有兩個原因,它們可能不準確,特別是在尾部,

•它們是圍繞平均值的泰勒級數獲得的,

•它們(漸近地)保證絕對誤差,而不是相對誤差。 當想要近似非常小的量時,這是一個問題,絕對誤差可能很小,但相對誤差很重要。

相關術語

•Gram-Charlier A series

•康沃爾 - 費希爾擴張

•埃奇沃思二項式樹

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