Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Teoria_otsenivania.pdf
Скачиваний:
167
Добавлен:
02.04.2015
Размер:
3 Мб
Скачать
☆

Оценка (2.4.18) является несмещенной. Действительно, поскольку

M y / x {y}= Hx ,

а

E − K мфпH = 0 ,

то

My / x {(x − K мфп y)}= 0 .

Всилу того, что ошибка оценки εмфп ( y) = x − xˆ мфп ( y) может быть представлена в виде,

аналогичном (2.2.20), т.е.

εмфп ( y) = K мфпν,

(2.4.22)

то эта ошибка, как и ошибка в ОМНК, не зависит от оцениваемого вектора x , а зависит только от ошибок измерения. Существенно, что и матрица ковариаций также не зависит от оцениваемого вектора. Отметим, что в общем, нелинейном случае это не так.

При вычислении матрицы Фишера (2.4.15) в этой задаче в силу того, что s(x) = Hx , получаем

I (x) = H тR−1H .

(2.4.23)

Сопоставляя I −1(x) с матрицей ковариаций

Pмфп (x) , задаваемой выражением (2.4.20),

убеждаемся в их совпадении.

 

Таким образом, в линейной гауссовской задаче максимально правдоподобная оценка (2.4.19) является несмещенной эффективной оценкой с матрицей ковариаций (2.4.20).

Поскольку оценка МФП, как отмечалось выше, совпадет с оценкой ОМНК, то этот же вывод будет справедлив и для оценок ОМНК.

Обращаем еще раз внимание на то, что все обсуждаемые выше характеристики вычислялись при фиксированном значении, вообще говоря, неизвестного вектора x , который в сущности и подлежит нахождению. Ситуация меняется, если ввести предположение о случайном характере оцениваемого вектора x . В этом случае задача будет формулироваться уже в рамках байесовского подхода, основные положения которого и обсудим в разделе 2.5.

2.4.6 Задачи к разделу 2.4.

Задача 2.4.1.

Получите выражение для матрицы, характеризующей нижнюю границу точности в задаче определения координат места по измерениям дальностей (2.1.16) до m точечных ориентиров, полагая, что ошибки измерения являются независимыми между собой гауссовскими

центрированными случайными величинами с дисперсиями ri2 , i =1.m . К чему сведется алгоритм

вычисления оценки, соответствующей методу МФП в случае, если считать допустимым линеаризованное представление дальностей?

63

Решение.

Принимая во внимание выражение (2.4.15), для матрицы нижней границы получим следующее

соотношение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1

 

омнк

 

 

m

1

 

−1

 

I

(x) = P

(x) =

 

∑

M i (x)

 

,

 

 

 

r 2

 

 

 

 

 

 

i=1

i

 

 

 

в котором матрицы M i (x) определяются соотношением (2.2.33).

При допустимости линеаризованного описания дальностей алгоритм МФП совпадет с алгоритмом ОМНК, который для случая m = 2 подробно рассмотрен в задаче 2.2.6.

Задача 2.4.2. Получите выражение для функции правдоподобия и дисперсии эффективной оценки, характеризующей нижнюю границу точности в задаче оценивания скалярной величины x

по измерениям типа (2.4.16), записываемым как

 

yi = si (x) + εi ,

(1)

где ошибки измерения

 

εi = d + vi

(2)

представляют собой сумму центрированной гауссовской случайной величины с дисперсией σ2d

и независимых между собой и от d центрированных гауссовских случайных величин с одинаковыми дисперсиями ri2 = r 2 , i =1.m .

Решение.

Принимая во внимание результаты решения задачи 1.5.2, матрицу ковариаций ошибок для вектора ε и обратную ей матрицу можем представить в виде

 

ε

 

2

 

 

 

 

2

 

ε

 

−1

 

1

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

= r

E + σ

I , (R

)

=

 

E −

 

 

σd

 

 

 

 

I

 

.

 

 

 

(3)

 

 

d

 

 

r

2

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mσd + r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поскольку fε (ε) = N (ε;0, Pε ) , выражение для функции правдоподобия

f ( y / x) можем записать

как

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f ( y / x) = fε ( y − s(x)) = N ( y − s(x);0, Pε ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4)

Нетрудно убедиться в том, что в этом случае для

ln f ( y / x)

будет справедливо следующее

представление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

m

 

 

 

 

2

 

ln f ( y / x) =

 

 

 

∑ ( yi − si (x))

−

 

 

σd

 

 

 

∑

 

( yi − si (x))

 

 

.(5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2r

2

 

 

mσ

2

+ r

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, для нахождения оценки, соответствующей МФП, необходимо минимизировать

критерий вида

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мфп

 

1

 

 

m

 

2

 

 

 

2

 

m

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σd

 

 

 

 

 

 

J

 

(x) =

 

 

 

∑

( yi − si (x))

 

−

 

 

 

 

∑

( yi − si (x))

 

 

.(6)

 

2r

2

 

mσ

2

+ r

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

64

 

Для вычисления дисперсии, характеризующей нижнюю границу точности, воспользуемся

выражением

(2.4.15). Подставляя в него выражение для (Rε )−1 и вводя обозначение

h (x) =

dsi (x)

, получим

 

i

 

dx

 

 

 

 

m

I −1(x) = r 2 ∑hi2 (x) −

i=1

σd2

 

 

m

 

2

−1

 

 

 

 

 

 

 

∑hi (x)

 

 

.

2

+ r

2

 

mσd

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 2.4.3. Покажите, что выражение (6) для J мфп(x) из задачи 2.4.2 может быть представлено в виде

 

 

 

m

( y

 

 

 

 

ˆ

 

(x))

2

 

 

J мфп = ∑

i

− s (x) − d

 

 

 

 

 

 

 

i

i−1

 

 

,

 

 

 

 

 

2

~ 2

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

r

+ σi−1

 

 

 

 

 

в котором

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

σ~i2−1

 

 

 

ˆ

 

di (x)

= di −1(x) +

 

( yi − di −1

(x)),

σ~i2−1 + r2

~ 2

 

~ 2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σi−1r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σi−1

=

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

~ 2

+ r

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σi−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)

(2)

(3)

 

 

~ 2 ~ 2

ˆ

(x) = 0.

 

i =1.m , σ0 = σd , d0

Решение.

Для того, чтобы убедиться в справедливости (1), запишем следующее представление для функции правдоподобия (2)

f( y / x) = f ( ym / ym−1, ym−2 ,..y1, x) f ( ym−1 / ym−2 , ym−3 ,..y1, x).... f ( y1 / x).

Сиспользованием этого выражения легко получить представление (1), если учесть, что при

фиксированном значении x случайные величины yi = hx + d + vi , i =1.m - являются гауссовскими с математическими ожиданиями и дисперсиями, определяемыми выражениями (2),

(3).

Таким образом, показано, что

 

 

 

 

 

1

m

 

 

 

σ2

 

m

 

J мфп (x) =

 

(∑( yi − si (x))2 −

 

d

 

(∑( yi − si (x)))2 ) ≡

 

 

2

2

+ r

2

 

 

 

 

 

2r

i=1

 

 

 

mσd

 

i=1

(7)

 

( y

 

− s

 

ˆ

(x))

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

≡ ∑

i

(x) − d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

i−1

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

~ 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

+ σi−1

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 2.4.4. Опишите соответствующий методу максимума функции правдоподобия алгоритм нахождения оценки неизвестной скалярной величины по измерениям (2.1.1) в предположении, что ошибки измерения vi , i =1.m представляют собой независимые друг от друга равномерно распределенные в интервале [0,1] случайные величины.

Решение.

65

Запишем

x

m

 

 

 

 

 

x ∏

 

 

 

 

 

xˆ мфп ( y) =arg max fν ( y

/ x) =arg max

fν ( yi − x).

 

i=1

 

 

 

 

 

Поскольку

 

 

 

 

 

 

1,

x [ yi −1, yi ],

 

 

 

 

 

i =1.m ,

fv ( yi − x) =

x [ yi −1, yi ],

0,

 

 

 

 

 

то

 

 

 

 

 

 

m

1, x Ωm ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fv ( y / x) =∏ fv ( yi − x) =

 

 

 

 

 

i=1

0, x Ωm ,

 

 

 

 

 

где область Ωm представляет собой пересечение всех интервалов [ yi

−1, yi ] , i =

 

, т.е.

1.m

m

 

 

 

 

 

 

Ωm =I[ yi −1, yi ].

 

 

 

 

 

i =1

Отсюда следует, что в качестве оценки, соответствующей максимуму функции правдоподобия,

можно принять любое значение x Ωm . Обратим внимание, что, если упорядочить полученные измерения, расположив их в порядке возрастания, то границы области Ωm можно выразить через

максимальное ymax (m)

и

минимальное ymin (m) , т.е. представить ее

в виде

Ωm =[ ymax (m) −1, ymin (m)] .

Таким образом, алгоритма получения интересующей нас оценки в

сущности сводится к нахождению максимального и минимального значений измерений.

 

Если, к примеру, имеется всего два измерения, причем

y2 > y1 ,

то в качестве

оценки,

максимизирующей

функцию

правдоподобия,

может

быть

выбрано

любое

x [max{y1 y2 }−1, min{y1 y2 }] , рис.2.4.1.

 

 

Ω2

 

 

 

 

xˆ мфп Ω2

f ( y1 / x)

 

 

f ( y2 / x)

 

 

 

1

 

 

 

y1 −1

y2 −1

y1

y2

Рис. 2.4.1 Получение оценки постоянной скалярной величины, максимизирующей функцию правдоподобия f ( y / x) = f ( y1 / x) f ( y2 / x) при равномерно распределенном

характере ошибок измерения.

66

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]