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统计学入门合集(基于Python)3——参数估计

  • 2026-09-06 00:15:04
统计学入门合集(基于Python)3——参数估计

在前两节中,我们回答了两个问题:

  • 数据如何描述?(描述统计)
  • 统计量如何分布?(CLT)

现在进入核心问题:

未知总体参数,如何用数据进行估计?


1问题建模

设:

其中:

  • :已知分布形式
  • :未知参数

👉 目标:

用样本构造估计量:


2直觉理解(非常关键)

你可以这样理解:

数据已经发生了参数是“解释数据的原因”


👉 举例:

  • 正态分布:
  • 指数分布:

问题变成:

哪个 最可能生成当前数据?


3极大似然估计(MLE)

定义

似然函数:

MLE 定义为:


对数似然(工程常用)

👉 原因:

  • 避免数值下溢
  • 计算更稳定
  • 转化为加法结构

4正态分布的 MLE(经典结果)

设:


推导结果


👉 注意:

  • 这里是 (MLE)
  • 不是 (无偏估计)

5Python验证(正态MLE)

# file: mle_normal.pyimport numpy as npdefmain():    np.random.seed(0)    data = np.random.normal(10, 2, 1000)    mu_hat = np.mean(data)    sigma_hat = np.sqrt(np.mean((data - mu_hat)**2))    print("真实均值:", 10)    print("估计均值:", mu_hat)    print("真实标准差:", 2)    print("估计标准差:", sigma_hat)if __name__ == "__main__":    main()

结果解释

执行结果如下:
  • 参数估计接近真实值
  • 样本越大 → 越稳定

6优化视角(非常重要)

MLE 本质是一个优化问题:


数值验证(单参数)

# file: mle_grid_search.pyimport numpy as npimport matplotlib.pyplot as pltdeflog_likelihood(mu, data):return -np.sum((data - mu)**2)defmain():    np.random.seed(0)    data = np.random.normal(10, 2, 100)    mu_grid = np.linspace(5, 15, 200)    ll = [log_likelihood(mu, data) for mu in mu_grid]    best_mu = mu_grid[np.argmax(ll)]    print("最优mu:", best_mu)    print("样本均值:", np.mean(data))    plt.plot(mu_grid, ll)    plt.title("Log-Likelihood")    plt.show()if __name__ == "__main__":    main()

执行结果如下:

7渐近性质(核心理论)

MLE 在大样本下具有:


(1)一致性

👉 样本越多 → 越接近真实值


(2)渐近正态性


(3)效率(Cramér–Rao下界)


8仿真验证:渐近正态性

# file: mle_asymptotic.pyimport numpy as npimport matplotlib.pyplot as pltimport seaborn as snsdefmain():    np.random.seed(0)    estimates = []for _ in range(5000):        data = np.random.normal(10, 2, 50)        estimates.append(np.mean(data))    sns.histplot(estimates, kde=True)    plt.title("Estimator Distribution")    plt.show()if __name__ == "__main__":    main()

执行结果如下:

9工程意义

MLE 是现代统计与机器学习核心:

  • 回归(线性 / Logistic)
  • 深度学习(损失函数)
  • 参数拟合
  • 贝叶斯方法基础

10本节总结

内容
结论
方法
最大化似然
本质
优化问题
性质
一致 + 正态
意义
推断核心

11下期预告

下一讲:

  • 置信区间
  • t 分布
  • 小样本问题

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