14 Evaluacion de estimadores

Hemos visto distintos metodos para construir estimadores de un parametro desconocido θ\theta. Pero una pregunta importante es como saber si un estimador es bueno.

SI TT es un estimador de θ\theta, al utilizar TT para estimar el parametro cometemos un error T−θT-\theta.

Como TT es una variable aleatoria, este error depende de la muestra obtenida. Por tanto, necesitamos medidas globales de la calidad de un estimador.

Para eliminar el signo del error consideramos

(T−θ)2(T-\theta)^{2}

Como TT es una variable aleatoria, podemos estudiar el valor medio de este error.

Definición V.4.

Se define el error cuadratico medio como

ECM(T)=Eθ[(T−θ)2]ECM(T)=E_{\theta}[(T-\theta)^{2}]

El ECM mide, en promedio, cuanto nos alejamos del verdadero valor del parametro. Puede descomponerse como:

ECM(T)=E[(T−E(T)+E(T)−θ)2]=Var(T)+(E(T)−θ)2ECM(T)=E[(T-E(T)+E(T)-\theta)^{2}]=Var(T)+(E(T)-\theta)^{2}

Por tanto,

ECM(T)=Var(T)+Sesgo(T)2ECM(T)=Var(T)+\text{Sesgo}(T)^{2}
Definición V.5.

Llamamos sesgo a

Sesgo(T)=E(T)−θ\text{Sesgo}(T)=E(T)-\theta

El error cuadratico medio combina dos fuentes de error:

Var(T)⏟variabilidad+Sesgo(T)2⏟desplazamiento\underbrace{Var(T)}_{\text{variabilidad}}+\underbrace{\text{Sesgo}(T)^{2}}_{% \text{desplazamiento}}
Definición V.6.

Un estimador TT de θ\theta es insesgado si

E(T)=θE(T)=\theta

En ese caso, se cumple Sesgo(T)=0\text{Sesgo}(T)=0. Por tanto,

ECM(T)=Var(T)ECM(T)=Var(T)

El estimador no presenta un desplazamiento sistematico respecto al verdadero valor del parametro. Pero insesgado no es lo mismo que necesariamente mejor estimador: un estimador sesgado puede tener menor ECM que uno insesgado.

Ejemplo V.10 (Estimadores de la normal).

Sea X1,…,Xn∼N(μ,σ2)X_{1},\ldots,X_{n}\sim N(\mu,\sigma^{2}). Sabemos que E(X¯)=μE(\overline{X})=\mu, E(S2)=σ2E(S^{2})=\sigma^{2}. Por tanto, X¯\overline{X} y S2S^{2} son estimadores insesgados.

Sus errores cuadraticos medios coinciden con sus varianzas:

ECM(X¯)\displaystyle ECM(\overline{X})
=Var(X¯)=σ2n\displaystyle{}=Var(\overline{X})=\frac{\sigma^{2}}{n}
ECM(S2)\displaystyle ECM(S^{2})
=Var(S2)=2σ4n−1\displaystyle{}=Var(S^{2})=\frac{2\sigma^{4}}{n-1}

Vamos a demostrarlo. Usamos que la distribucion de S2S^{2} es

(n−1)S2σ2∼χ2n−1\frac{(n-1)S^{2}}{\sigma^{2}}\sim\chi^{2}_{n-1}

Una χ2ν=Γ(ν/2,1/2)\chi^{2}_{\nu}=\Gamma(\nu/2,1/2) y por tanto Var(χ2ν=ν/2(1/2)2)=2νVar(\chi^{2}_{\nu}=\frac{\nu/2}{(1/2)^{2}})=2\nu.

Por las propiedades de la varianza: Var(aY)=a2Var(Y)Var(aY)=a^{2}Var(Y), luego

Var((n−1)S2σ2)=(n−1)2σ4Var(S2)Var(\frac{(n-1)S^{2}}{\sigma^{2}})=\frac{(n-1)^{2}}{\sigma^{4}}Var(S^{2})

Como (n−1)S2σ4∼χ2n−1\frac{(n-1)S^{2}}{\sigma^{4}}\sim\chi^{2}_{n-1}, su varianza es 2(n−1)2(n-1):

(n−1)2σ4Var(S2)=2(n−1)⇒Var(S2)=2σ4n−1\frac{(n-1)^{2}}{\sigma^{4}}Var(S^{2})=2(n-1)\Rightarrow Var(S^{2})=\frac{2% \sigma^{4}}{n-1}