Кіріспе
Шешімдер теориясы мен бағалау теориясындағы құбылыс. Шешімдер теориясы мен бағалау теориясында Штайн мысалы (Штайн құбылысы немесе Штайн парадоксы деп те аталады) – үш немесе одан көп параметрлер бірдей бағаланғанда, орташа алғанда (яғни, күтілетін орташа квадраттық қатесі төмен) жеке-жеке параметрлерді бағалайтын кез келген әдіске қарағанда дәлірек болатын біріктірілген бағалаушылардың бар екендігі туралы байқау. Бұл құбылысты 1955 жылы ашқан Стэнфорд университетінің профессоры Чарльз Штайннің есімімен аталады. Түсіндіруге келсек, біріктірілген бағалаушының орташа квадраттық қатесін оңтайландыру, жеке параметрлердің жеке бағалаушыларының қатесін оңтайландырудан өзгеше. Практикалық тұрғыдан алғанда, егер біріктірілген қателікке қызығушылық танытса, онда негізгі параметрлер тәуелсіз болса да, біріктірілген бағалаушыны қолдану керек. Егер жеке параметрді бағалау мақсатында болса, онда біріктірілген бағалаушы көмектеспейді, тіпті оны нашарлатады.
In decision theory and estimation theory, Stein's example (also known as Stein's phenomenon or Stein's paradox) is the observation that when three or more parameters are estimated simultaneously, there exist combined estimators more accurate on average (that is, having lower expected mean squared error) than any method that handles the parameters separately. It is named after Charles Stein of Stanford University, who discovered the phenomenon in 1955. An intuitive explanation is that optimizing for the mean squared error of a combined estimator is not the same as optimizing for the errors of separate estimators of the individual parameters. In practical terms, if the combined error is in fact of interest, then a combined estimator should be used, even if the underlying parameters are independent. If one is instead interested in estimating an individual parameter, then using a combined estimator does not help and is in fact worse.
Ресми мәлімдеме
Парадокстың ең қарапайым түрі, байқаулар саны бағалауға жататын параметрлер санына тең болатын ерекше жағдай. Белгісіз параметрлерден тұратын вектор болсын. Бұл параметрлерді бағалау үшін әрбір параметр үшін бір өлшеу жасалады, нәтижесінде ұзындығы векторы пайда болады. Өлшемдердің тәуелсіз, Гаусс кездейсоқ шамалары, орташасы және дисперсиясы 1 деп есептеледі, яғни. Осылайша, әрбір параметр бір ғана шулы өлшеу арқылы бағаланады, және әрбір өлшеу бірдей дәлдіксіз. Мұндай жағдайларда, әрбір өлшеуді оның сәйкес параметрінің бағасы ретінде пайдалану интуитивті және кең таралған. Бұл «қалыпты» шешім ережесі деп аталады, оны түрлендіруге болады, бұл ең жоғары ықтималдық бағалаушы (MLE). Мұндай бағалаушының сапасы оның тәуекел функциясымен өлшенеді. Көп қолданылатын тәуекел функциясы – орташа квадраттық қателік, ол былай анықталады: Кереметі, «қалыпты» шешім ережесі орташа квадраттық қателік бойынша оңтайлы емес (қабылдауға келмейтін) болып шығады. Басқаша айтқанда, мұнда талқыланған жағдайда, мәніне қарамастан, әрқашан төменгі орташа квадраттық қателікке қол жеткізе алатын балама бағалаушылар бар. Белгілі бір үшін, әрине, әрқашан дұрыс болатын «бағалаушыны» анықтауға болады, бірақ бұл бағалаушы Стейн парадоксының басқа мәндері үшін нашар болады. Стейн парадоксының бағалаушылары, берілген үшін, кейбір үшін «қалыпты» шешім ережесінен жақсы, бірақ басқалары үшін міндетті түрде нашар. Олар тек орташа есеп бойынша ғана жақсырақ. Нақтырақ айтқанда, егер барлық мәндері үшін тәуекелі тәуекелінен төмен немесе тең болса, және егер теңсіздік кейбір үшін қатаң болса, онда бағалаушысы бағалаушысына үстемдік етеді деп айтылады. Егер басқа бағалаушы үстемдік етпесе, онда бағалаушы қабылданады, әйтпесе қабылдауға келмейді. Осылайша, Стейн мысалын қарапайым түрде былай түсіндіруге болады: көпөлшемді Гаусс үлестірілімінің орташасының «қалыпты» шешім ережесі орташа квадраттық қателік тәуекелі бойынша қабылдауға келмейді. Көптеген қарапайым, практикалық бағалаушылар «қалыпты» шешім ережесінен жақсы нәтижелерге қол жеткізеді. Ең танымал мысал – Джеймс-Стейн бағалаушысы, ол нүктесіне қарай (мысалы, бастапқы нүктеге) сол нүктеден қашықтыққа кері пропорционалды мөлшерде қысқарады. Бұл нәтиженің дәлелінің схемасын Стейн мысалының дәлелінен қараңыз. Ларри Браунның дәлелі: ол өлшемді көпөлшемді нормальдық орташа вектордың қарапайым бағалаушысы, өлшемді Браун қозғалысы қайталанатын болса ғана және тек қана қабылданады. Браун қозғалысы үшін рекуррентті емес болғандықтан, MLE үшін қабылдауға келмейді.
The estimators of Stein's paradox are, for a given , better than the "ordinary" decision rule for some but necessarily worse for others. It is only on average that they are better. More accurately, an estimator is said to dominate another estimator if, for all values of , the risk of is lower than, or equal to, the risk of , and if the inequality is strict for some An estimator is said to be admissible if no other estimator dominates it, otherwise it is inadmissible. Thus, Stein's example can be simply stated as follows: The "ordinary" decision rule of the mean of a multivariate Gaussian distribution is inadmissible under mean squared error risk. Many simple, practical estimators achieve better performance than the "ordinary" decision rule. The best known example is the James–Stein estimator, which shrinks towards a particular point (such as the origin) by an amount inversely proportional to the distance of from that point. For a sketch of the proof of this result, see Proof of Stein's example. An alternative proof is due to Larry Brown: he proved that the ordinary estimator for an dimensional multivariate normal mean vector is admissible if and only if the dimensional Brownian motion is recurrent. Since the Brownian motion is not recurrent for , the MLE is not admissible for .
Интуитивті түсіндірме
Кез келген нақты мән үшін жаңа бағалаушы жеке орташа квадраттық қателердің кем дегенде біреуін жақсартады. Бұл қиын емес – мысалы, егер -1 мен 1 аралығында болса және , онда 0-ге қарай 0,5-ке сызықты түрде қысқартатын (яғни, шегі 0,5 болатын жұмсақ шегістеу) бағалаушы өзінен төмен орташа квадраттық қатеге ие болады. Бірақ бұл бағалаушы өзінен нашар болатын мәндер де бар. Штайн бағалаушысының және Штайн парадоксын тудыратын басқаларының хитролығы – ауытқуды осылай реттеуде, барлық вектор үшін кем дегенде бір орташа квадраттық қатесі жақсарылады және оның жақсаруы басқасы үшін туындауы мүмкін орташа квадраттық қатенің кез келген нашаруын өтеуге жетеді. Қиындық мынада, сізді білмейінше, орташа квадраттық қателердің қайсысы жақсартылғанын білмейсіз, сондықтан Штайн бағалаушысын тек сол параметрлер үшін ғана қолдана алмайсыз. Жоғарыдағы жағдайдың мысалы телекоммуникациядағы каналды бағалауда кездеседі, себебі әртүрлі факторлар жалпы каналдың жұмысына әсер етеді.
Салдары
Штайн мысалы таңқаларлық, себебі "қалыпты" шешім қағидасы түсінікті және көп қолданылады. Шындығында, бағалаушы құрудың көптеген әдістері, соның ішінде максималды ықтималдық бағалау, ең жақсы сызықтық бөгде бағалау, ең кішкентай квадраттар бағалау және оңтайлы эквивариантты бағалаудың бәрі "қалыпты" бағалаушыны береді. Дегенмен, жоғарыда талқыланғандай, бұл бағалаушы оптималды емес.
Мысал
Стейннің мысалының түсініксіздігін көрсету үшін келесі нақты мысалды қарастырайық. Мысалы, біз үш параметрді бағалауымыз керек: 1993 жылғы АҚШ бидай өнімі, 2001 жылғы Уимблдон теннис турниріне келген көрермендер саны және супермаркеттен кездейсоқ таңдалған шоколадтың салмағы. Егер әрбір шама үшін тәуелсіз Гаусс өлшемдері болса, онда Стейннің мысалы бізге үш байланысты емес өлшемді бірдей қолдану арқылы үш параметрдің векторы үшін жақсырақ бағалау (орташа есеп бойынша) алуға болатынын айтады. Алғашқыда, Уимблдонға келген көрермендер саны мен шоколадтың салмағы сияқты басқа байланысты емес статистиканы өлшеу арқылы АҚШ бидай өнімін жақсырақ бағалай аламыз сияқты көрінеді. Дегенмен, біз АҚШ бидай өнімін жеке өзі жақсырақ бағаламадық, бірақ барлық үш кездейсоқ айнымалының орташа мәндерінің векторы үшін бағалау жасадық, бұл жалпы тәуекелді азайтады. Бұл вектордың бір компонентіндегі қате бағалаудың салдары басқа компоненттегі жақсы бағалаумен өтеледі, себебі осылай болады. Сондай-ақ, жаңа бағалаушы арқылы алынған үш бағаланған орташа мәннің нақты жиынтығы, әдеттегі жиынтықтан (өлшенген мәндерден) әрқашан жақсы бола бермейді. Жаңа бағалаушы тек орташа есеп бойынша жақсырақ.