Estimación de los parámetros de distribución gamma utilizando la muestra media y estándar

Estoy tratando de estimar los parámetros de una distribución gamma que mejor se ajusta a mi muestra de datos. Solo quiero usar la media , estándar (y, por lo tanto, la varianza ) de la muestra de datos, no los valores reales, ya que estos no siempre estarán disponibles en mi aplicación.

Según este documento, se pueden aplicar las siguientes fórmulas para estimar la forma y la escala:

Intenté esto para mis datos, sin embargo, los resultados son muy diferentes en comparación con el ajuste de una distribución gamma en los datos reales usando una biblioteca de programación python.

Adjunto mis datos / código para mostrar el problema en cuestión:

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from scipy.stats import gamma

data = [91.81, 10.02, 27.61, 50.48, 3.34, 26.35, 21.0, 79.27, 31.04, 8.85, 109.2, 15.52, 11.03, 41.09, 10.75, 96.43, 109.52, 33.28, 7.66, 65.44, 52.43, 19.25, 10.97, 586.52, 56.91, 157.18, 434.74, 16.07, 334.43, 6.63, 108.41, 4.45, 42.03, 39.75, 300.17, 4.37, 343.19, 32.04, 42.57, 29.53, 276.75, 15.43, 117.67, 75.47, 292.43, 457.91, 5.49, 17.69, 10.31, 58.91, 76.94, 37.39, 64.46, 187.25, 30.0, 9.94, 83.05, 51.11, 17.68, 81.98, 4.41, 33.24, 20.36, 8.8, 846.0, 154.24, 311.09, 120.72, 65.13, 25.52, 50.9, 14.27, 17.74, 529.82, 35.13, 124.68, 13.21, 88.24, 12.12, 254.32, 22.09, 61.7, 88.08, 18.75, 14.34, 931.67, 19.98, 50.86, 7.71, 5.57, 8.81, 14.49, 26.74, 13.21, 8.92, 26.65, 10.09, 7.74, 21.23, 66.35, 31.81, 36.61, 92.29, 26.18, 20.55, 17.18, 35.44, 6.63, 69.0, 8.81, 19.87, 5.46, 29.81, 122.01, 57.83, 33.04, 9.91, 196.0, 34.26, 34.31, 36.55, 7.74, 6.68, 6.83, 18.83, 6.6, 50.78, 95.65, 53.91, 81.62, 57.96, 26.72, 76.25, 5.48, 4.43, 133.04, 33.37, 45.26, 30.51, 9.98, 11.08, 28.95, 71.25, 70.65, 3.34, 12.28, 111.67, 139.86, 23.34, 30.0, 26.38, 33.51, 1112.64, 25.87, 148.59, 552.79, 11.11, 47.8, 7.8, 9.98, 7.69, 85.46, 3.59, 122.71, 32.09, 82.51, 12.14, 12.57, 8.8, 49.61, 95.41, 26.99, 13.29, 4.57, 7.78, 4.4, 6.66, 12.17, 12.18, 1533.01, 22.95, 15.93, 14.82, 2.2, 12.04, 9.94, 17.64, 6.66, 18.64, 83.66, 142.99, 30.76, 67.57, 9.88, 46.44, 19.5, 22.2, 43.1, 653.67, 9.86, 7.69, 7.74, 27.19, 38.64, 12.32, 182.34, 43.13, 3.28, 14.32, 69.78, 32.2, 17.66, 18.67, 4.4, 9.05, 56.94, 33.32, 13.2, 15.07, 12.73, 3.32, 35.44, 14.35, 66.68, 51.28, 6.86, 75.49, 5.54, 21.0, 24.2, 38.1, 13.31, 7.78, 5.76, 51.86, 11.09, 20.71, 36.74, 21.97, 10.36, 32.04, 96.94, 13.93, 51.84, 6.88, 27.58, 100.56, 20.97, 828.16, 6.63, 32.15, 19.92, 253.23, 25.35, 23.35, 17.6, 43.18, 19.36, 13.7, 3.31, 22.99, 26.58, 4.43, 2.22, 55.46, 22.34, 13.24, 86.18, 181.29, 52.15, 5.52, 21.12, 34.24, 49.78, 14.37, 39.73, 78.22, 26.6, 20.19, 26.57, 105.8, 11.08, 46.47, 52.82, 13.46, 8.0, 7.74, 49.73, 4.4, 5.44, 51.7, 28.64, 8.95, 9.15, 4.46, 21.03, 29.92, 19.89, 4.38, 19.94, 7.77, 23.43, 57.07, 86.5, 12.82, 103.85, 39.63, 8.83, 42.32, 17.02, 14.29, 16.75, 24.4, 27.97, 8.83, 8.91, 24.23, 6.58, 30.97, 150.58, 122.73, 17.69, 37.11, 11.05, 298.23, 25.58, 9.91, 38.85, 17.24, 82.17, 42.11, 3.29, 38.63, 27.55, 18.22, 127.16, 57.66, 34.45, 41.26, 45.91, 9.88, 34.48, 484.33, 58.42, 30.09, 6.69, 254.49, 1313.58, 39.89, 3.31, 7.83, 10.98, 13.21, 67.78, 7.77, 117.72, 20.03, 83.23, 31.28, 38.97, 6.63, 6.63, 36.6, 22.12, 154.57, 112.65, 19.88, 674.18, 83.31, 5.54, 8.81, 11.06, 178.33, 30.47, 1180.39, 79.33, 37.74, 86.3, 16.61, 53.94, 52.78, 20.83, 11.15, 26.68, 86.04, 180.26, 99.62, 11.17, 28.74, 56.85, 15.51, 95.37, 44.09, 6.68, 12.14, 6.72, 19.81, 10.05, 34.26, 69.84, 14.35, 17.72, 8.81, 20.86, 37.69, 24.62, 72.11, 8.83, 7.69, 60.79, 20.02, 9.41, 13.24, 29.8, 43.09, 25.34, 174.34, 161.6, 119.34, 30.08, 54.15, 7.74, 249.29, 9.98, 21.87, 38.92, 98.45, 95.07, 7.74, 4.45, 81.98, 12.18, 28.66, 5.58, 59.94, 22.15, 9.98, 18.86, 6.69, 134.97, 13.29, 4.43, 8.88, 5.74, 25.16, 122.39, 3.53, 6.68, 3.4, 17.58, 62.51, 584.3, 46.63, 21.19, 22.14, 5.74, 8.19, 7.74, 7.64, 4.41, 3.32, 130.76, 3.29, 31.04, 3.26, 18.83, 168.31, 7.68, 120.19, 43.95, 747.12, 18.75, 306.24, 29.72, 5.57, 6.65, 53.2, 7.96, 25.34, 25.57, 8.85, 93.59, 92.96, 23.4, 60.0, 6.63, 12.15, 49.98, 39.75, 7.77, 5.73, 18.74, 11.58, 281.32, 13.99, 4.59, 13.35, 25.05, 9.98, 5.58, 91.43, 288.94, 15.43, 7.8, 9.92, 18.69, 6.63, 78.38, 18.86, 63.03, 26.38, 166.41, 27.78, 54.21, 173.32, 11.12, 17.85, 14.43, 31.31, 3.37, 16.63, 5.51, 77.74, 8.89, 17.71, 3.24, 9.28, 22.12, 2.2, 19.41, 12.23, 22.31, 9.36, 18.85, 51.5, 8.3, 23.0, 29.7, 29.81, 4.65, 75.77, 55.52, 144.45, 6.68, 13.26, 72.78, 56.71, 46.35, 6.63, 8.88, 6.61, 41.7, 15.09, 5.51, 18.78, 74.09, 487.0, 27.52, 18.99, 44.18, 41.76, 6.65, 23.62, 175.68, 446.38, 87.13, 165.69, 16.57, 7.88, 16.57, 80.17, 135.75, 3.29, 134.16, 25.58, 45.13, 114.23, 471.15, 97.75, 12.2, 32.01, 62.21, 22.36, 193.55, 210.65, 42.39, 27.57, 106.15, 44.76, 16.6, 134.76, 18.81, 14.76, 7.97, 160.59, 39.21, 60.36, 62.45, 72.18, 91.15, 23.71, 105.04, 70.87, 25.57, 122.09, 60.09, 38.8, 133.87, 4.41, 13.28, 45.63, 45.41, 67.81, 26.68, 97.33, 723.5, 5.51, 164.05, 165.32, 4.45, 57.67, 85.82, 11.56, 12.26, 17.97, 31.04, 76.72, 15.01, 35.88, 32.37, 23.63, 85.57, 9.34, 4.45, 90.25, 73.71, 45.99, 14.24, 176.85, 65.21, 9.92, 15.02, 12.9, 21.4, 59.94, 64.62, 37.53, 147.89, 36.52, 97.67, 16.65, 22.1, 23.38, 76.85, 16.58, 7.72, 17.75, 91.25, 9.91, 18.46, 4.45, 3.29, 73.18, 19.5, 5.58, 18.85, 28.64, 7.8, 43.74, 4.43, 7.99, 132.4, 41.48, 14.45, 8.78, 8.14, 9.95, 2.46, 16.61, 32.71, 17.74, 4.46, 68.25, 34.55, 9.92, 181.31, 37.63, 125.22, 25.37, 24.45, 220.92, 11.09, 35.46, 588.56, 58.21, 22.39, 78.55, 135.13, 280.65, 273.41, 381.07, 60.56, 68.63, 40.17, 27.68, 23.68, 23.15, 28.8, 20.94, 21.92, 159.06, 9.94, 127.52, 32.4, 15.93, 99.09, 48.31, 104.66, 257.4, 117.08, 180.32, 66.55, 95.99, 17.74, 30.14, 270.54, 39.8, 54.77, 16.04, 76.99, 5.43, 8.78, 76.96, 10.39, 18.47, 290.11, 48.35, 289.06, 10.44, 57.75, 47.83, 101.62, 96.3, 71.62, 256.97, 149.45, 22.17, 23.15, 89.25, 36.46, 90.03, 69.14, 28.27, 28.72, 17.44, 43.38, 56.72, 84.96, 25.4, 55.06, 47.68, 92.11, 6.65, 30.94, 15.38, 27.44, 516.55, 5.83, 19.45, 41.53, 110.69, 6.82, 54.09, 13.31, 89.8, 25.57, 110.89, 3.32, 93.76, 33.81, 80.87, 30.9, 58.53, 185.22, 4.38, 58.75, 189.53, 7.19, 7.8, 48.97, 28.8, 48.52, 45.96, 309.44, 29.16, 2.22, 255.91, 78.7, 102.67, 33.32, 43.2, 19.5, 91.59, 139.89, 5.51, 213.96, 10.02, 10.03, 39.87, 8.95, 27.74, 7.78, 65.93, 45.41, 263.21, 33.06, 5.54, 59.77, 2.2, 9.95, 14.38, 44.76, 96.45, 15.91, 133.07, 38.03, 36.43, 7.83, 105.41, 20.5, 25.35, 20.55, 119.59, 24.31, 28.81, 101.0, 67.0, 143.85, 20.55, 83.45, 60.62, 25.19, 6.65, 1745.95, 41.62, 44.96, 65.42, 9.92, 24.23, 73.56, 34.35, 75.72, 18.77, 88.59, 312.55, 56.43, 106.61, 11.44, 22.04, 5.73, 197.92, 25.32, 144.83, 145.36, 4.43, 18.33, 48.72, 33.42, 8.83, 18.85, 32.25, 88.56, 14.95, 147.39, 9.25, 35.24, 141.51, 14.41, 5.49, 42.28, 75.69, 16.96, 6.71, 17.33, 710.34, 68.92, 28.39, 24.98, 33.03, 31.06, 46.24, 36.77, 43.74, 11.48, 22.14, 13.21, 15.8, 21.9, 5.51, 20.66, 22.04, 127.0, 21.03, 36.75, 61.45, 42.12, 238.3, 57.43, 28.61, 31.31, 15.43, 8.88, 54.26, 34.01, 5.79, 8.02, 25.68, 19.67, 29.19, 4.38, 15.05, 5.57, 32.31, 81.68, 29.92, 397.98, 119.2, 5.52, 25.54, 12.78, 17.78, 100.97, 253.58, 8.92, 22.04, 22.03, 86.57, 97.27, 106.29, 33.31, 13.34, 35.57, 40.75, 6.57, 23.32, 6.63, 30.09, 62.39, 35.62, 25.23, 5.49, 77.67, 4.41, 8.77, 12.09, 32.0, 7.75, 25.44, 27.57, 25.51, 81.59, 8.83, 64.15, 48.92, 52.25, 2.2, 13.29, 15.52, 320.64, 22.26, 21.03, 79.27, 6.61, 59.38, 40.19, 43.07, 2.26, 20.97, 8.8, 205.43, 51.82, 8.78, 90.72, 6.63, 14.46, 85.62, 72.53, 29.24, 68.81, 67.6, 1.15, 13.15, 17.71, 20.06, 77.42, 167.72, 5.54, 34.45, 5.51, 54.04, 7.8, 79.91, 4.62, 66.39, 164.13, 78.1, 49.72, 19.92, 28.92, 709.25, 18.19, 875.38, 60.92, 5.55, 71.14, 301.2, 27.74, 34.26, 108.78, 88.28, 75.83, 7.82, 8.78, 44.68, 20.98, 41.9, 8.88, 124.18, 198.8, 180.0, 71.61, 119.27, 59.33, 3.28, 43.88, 14.46, 64.34, 158.59, 41.98, 32.28, 14.43, 48.49, 2.36, 14.38, 25.52, 7.83, 2.2, 292.18, 8.97, 36.18, 7.8, 8.89, 43.26, 25.35, 12.29, 6.88, 34.48, 11.09, 16.57, 35.99, 13.45, 6.6, 162.65, 13.23, 26.91, 55.62, 61.4, 48.47, 89.62, 7.77, 6.65, 11.56, 23.28, 6.66, 7.74, 4.62, 5.8, 24.56, 10.16, 8.91, 14.45, 25.37, 6.61, 75.29, 11.03, 36.75, 38.61, 36.52, 17.75, 61.87, 31.92, 120.9, 144.82, 70.98, 19.98, 80.09, 30.17, 35.48, 2.4, 42.15, 24.29, 111.26, 71.9, 158.23, 49.75, 7.75, 13.28, 10.97, 5.51, 34.37, 56.61, 138.83, 231.4, 20.17, 29.89, 20.27, 7.69, 77.35, 12.26, 1144.41, 9.95, 7.72, 196.64, 499.4, 114.38, 24.43, 94.88, 75.15, 4.48, 8.89, 196.05, 95.15, 99.28, 42.36, 234.32, 4.59, 80.97, 237.69, 89.34, 4.51, 6.68, 148.42, 108.58, 5.48, 132.38, 7.94, 204.74, 11.08, 74.24, 146.22, 79.5, 17.68, 10.51, 550.77, 45.35, 23.28, 47.57, 40.56, 114.76, 29.81, 15.51, 11.0, 26.61, 6.74, 142.82, 12.17]

Alguna información sobre los datos:

Media: 68.71313036020582, varianza: 19112.931263699986, desviación estándar: 138.24952536518882, elementos de cantidad en los datos de entrenamiento: 1166

Histograma de los datos:

Usando la biblioteca de Python para el ajuste:

x = np.linspace(0,300,1000)
# Gamma
shape, loc, scale = gamma.fit(data, floc=0)
print(shape, loc, scale)
y = gamma.pdf(x, shape, loc, scale)
plt.title('Fitted Gamma')
plt.plot(x, y)
plt.show()

Parámetros: 0.7369587045435088 0 93.2387797804

Lo estimé yo mismo:

def calculateGammaParams(data):
    mean = np.mean(data)
    std = np.std(data)
    shape = (mean/std)**2
    scale = (std**2)/mean
    return (shape, 0, scale)

eshape, eloc, escale = calculateGammaParams(data)
print(eshape, eloc, escale)
ey = gamma.pdf(x, eshape, eloc, escale)
plt.title('Estimated Gamma')
plt.plot(x, ey)
plt.show()

Parámetros: 0.247031406055 0 278.155443705

Uno puede ver claramente una gran diferencia.

Tanto los MLE como los estimadores basados ​​en momentos son consistentes y, por lo tanto, es de esperar que en muestras suficientemente grandes de una distribución gamma tienden a ser bastante similares. Sin embargo, no serán necesariamente iguales cuando la distribución no está cerca de un gamma.

En cuanto a la distribución del registro de los datos, es más o menos simétrica, o de hecho, es algo sesgada. Esto indica que el modelo gamma es inapropiado (para una gamma, el registro debe quedar sesgado).

Puede ser que un modelo gamma inverso funcione mejor para estos datos. Pero el mismo leve sesgo a la derecha en los registros se vería con cualquier otra distribución: no podemos decir mucho con certeza en función de la dirección del sesgo en la escala logarítmica.

Esto puede ser parte de la explicación de por qué los dos conjuntos de estimaciones son diferentes: el método de los momentos y los MLE no tenderán a ser consistentes entre sí.

Puede estimar los parámetros de gamma inversos invirtiendo los datos, ajustando un gamma y luego manteniendo esas estimaciones de parámetros tal como están. También puede estimar parámetros lognormales a partir de la media y la desviación estándar (varias publicaciones en el sitio muestran cómo, o vea wikipedia ), pero cuanto más pesada sea la cola de la distribución, peor será el método de estimadores de momentos.

Parece (de los comentarios debajo de mi respuesta) que el problema real es que las estimaciones de los parámetros deben actualizarse "en línea", para tomar solo información resumida, no toda la información, y actualizar las estimaciones de los parámetros a partir de la información resumida. La razón para usar la media y la varianza de la muestra en la pregunta es que pueden actualizarse rápidamente.

Sin embargo, ¡no son las únicas cosas que se pueden actualizar rápidamente!

$f_{X}(x\mid \theta )=\exp \left(\eta (\theta )\cdot T(x)-A(\theta )+B(x)\right)\,$$T(x)$

$\theta$$T$

Para todas las distribuciones que analizo (gamma, lognormal, gamma inversa), las estadísticas suficientes se actualizan fácilmente. Por razones de estabilidad, sugiero actualizar las siguientes cantidades (que entre ellas son suficientes para las tres distribuciones):

• la media de los datos

• la media de los registros de los datos

• la varianza de los registros de los datos

$s^2_n$$n$

$\frac{1}{n}\sum x_i^2-\bar{x}^2$

$0$$\infty$

Las estimaciones obtenidas de esta manera son métodos de estimaciones de momentos. En particular, sabemos que$\mbox{E}(X) = \alpha \theta$ y $\mbox{Var}[X] = \alpha \theta^2$ para una distribución gamma con parámetro de forma $\alpha$ y parámetro de escala $\theta$(ver wikipedia ). Resolviendo estas ecuaciones para$\alpha$ y $\theta$ rendimientos $\alpha = \mbox{E}[X]^2/\mbox{Var}[X]$ and $\theta = \mbox{Var}[X] / \mbox{E}[X]$. Now substitute the sample estimates to obtain the method of moments estimates $\hat{\alpha} = \bar{x}^2 / s^2$ and $\hat{\theta} = s^2 / \bar{x}$.

Those are not the MLEs (again, see wikipedia). I don't know what library you used for estimating the parameters, but typically such libraries yield MLEs. And those could be rather different than the method of moment estimates.

Also, the "sum under the curve" is not quite the right thing to compute for a continuous random variable -- you really need to integrate. And regardless of what you plug in for $\alpha$ and $\theta$ (of course with the constraint that these parameters must be > 0, this must always integrate to 1.

Update:

After posting the data, I used R for obtaining the MLEs and method of moment estimates. This yields:

> library(MASS)
> fitdistr(y, dgamma, start=list(shape=1, scale=1))
      shape         scale   
   0.73684030   93.26893829 
 ( 0.02613277) ( 4.59104121)

> mean(y)^2 / var(y)
[1] 0.2468195
> var(y) / mean(y)
[1] 278.3942

So, essentially the same as was obtained with Python. So, the estimates simply are just that different using maximum likelihood estimation versus the method of moments.