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二项分布可靠度E-Bayes估计的性质

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数学物理学报 http://actams.wipm.ac.cn 二项分布可靠度E—Bayes估计的性质 韩明 (宁波工程学院理学院 浙江宁波315211) 摘要:作者以前提出了一种新的参数估计方法~E—Bayes估计法,对二项分布的可靠度, 给出了E—Bayes估计的定义、E—Bayes估计和多层Bayes估计公式,但没有给出E—Bayes估 计的性质.该文给出了二项分布可靠度E.Bayes估计的性质. 关键词:二项分布;可靠度; E—Bayes估计;多层Bayes估计. MR(2000)主题分类:62F15;62N05 中图分类号:O213.2 文献标识码:A 文章编号:1003—3998(2013)01—62—09 1 引言 关于参数估计,近年来用Bayes方法取得了一些进展.特别是文献『1]提出了多层先验分 布的想法、文献[2]提出了多层先验分布的构造方法以来,多层Bayes方法在参数估计上取 得了一些的进展.但用多层Bayes方法得到的结果一般都要涉及积分的计算(有时甚至是一 些高维的复杂积分),虽然有MCMC(Markov Chain Monte Carlo)等计算方法(见文献f3 51), 但在有些问题的应用上还是不太方便,这在一定程度上制约了多层Bayes方法的应用.那 么在各种方法比较无甚优劣时,估计方法的易算性就显得尤为重要,这是一个值得重视的问 题.文献[61中提出了“参数的E—Bayes估计法”,正是为了解决这些问题. 在有些情况下,很难确定产品的寿命分布类型,有时虽然产品的寿命分布类型已知,但 获得的数据仅仅是失效个数,而无精确的失效时间,这时我们可以借助非参数方法来获得可 靠度的估计.设某产品的寿命分布类型是未知的,现从中随机抽取n个样品进行定时截尾 试验,若在截尾时间段内有 个样品失效,又产品的失效与否是互相的,则 是一个 服从二项分布的随机变量,于是有 P{X=r)= R一 (1一R) ,_r=0,1,…,n. (1) 其中0<R<1,R为产品的可靠度(reliability). 本文在第二节中,叙述了文献【6]中的E—Bayes估计;在第三节中,叙述了文献【6]中 的多层Bayes估计;在第四节中,给出了E—Bayes估计的性质;在第五节中,给出了数值算 例. 收稿日期:2011—06—26;修订日期:2012—10—11 E—mail:hanming618@2lcn.com 基金项目:宁波工程学院科研启动基金资助 No.1 韩明:二项分布可靠度E—Bayes估计的性质 63 2 E—Bayes估计 若R的先验分布为其共轭分布--Beta分布,其密度函数为  ̄(Rla,b)=R。一 (1一R) ~/B(a,6), 其中0<R<1,B(a,b)= t一 (1一t)b-1dt是Beta函数, 0>0和b>0为超参数 (hyperparameters). 根据文献 选取0和b应使 ̄(R La,b)是R的单调增函数,为此求丌(R b)对R的 导数 :Ra-2(1一R)b-2[(n—1)(1一R)一(b一1)R]/B(a,6). >0此时 ,注意到。>0,b>0,且0<R<1,当n>l,0<b 1时,有d』  ̄(Rla,b)是R的单调增函数.当b:1和a>1时, ̄(Rla,b)仍然是R的单调增函数,此 时(称为幂分布)其密度函数为  ̄(R La)=aR一 , (2) 其中0<R<1,a>1为超参数. 从Bayes估计的稳健性的角度看,尾部越细的先验分布常会造成Bayes估计的稳健性 越差(文献[71),因此。不宜过大,应有一个界限.设c为a的上限(c>1为常数),这样可 以确定超参数a的范围为1<a<c(常数c的具体确定,见数值算例). 文献[6]中给出了参数R的E—Bayes估计的定义和E—Bayes估计,现在分别叙述在如下 的定义1和定理1中. 2.1 E—Bayes估计的定义 定义1设a∈D,若RB(a)是连续的,称 REB=/D n) )dn 为R的E—Bayes估计(expected Bayesian estimation),其中 五B(n)7r(0)dn是存在的, D={0:1< <c),c>1为常数, 丌(0)是。在区间D上的密度函数, 五B(0)为R的 Bayes估计(用超参数a表示). 从定义1可以看出,R的E—Bayes估计 REB= 。) )da=E (。)] 是R的Bayes估计RB(a)对超参数的0数学期望.即R的E—Bayes估计是R的Bayes估 计对超参数的数学期望(expectation). 2.2 E—Bayes估计 定理1对二项分布(1)式,若几个样品中有r(r=0,1,…,n)个失效,兄的先验密度 函数 ̄(Rla)由(2)式给出,则有如下结论 (i)在平方损失下,R的Bayes估计为RB(a): a+ n-r,. (ii)若超参数a的先验密度函数分别为 (c~1) ,1< <。 一一 数学物理学报 Vo1.33A 丌2(n)= 1,1<n<c, n)= , <n<c, 则R的E—Bayes估计分别为 REB1 ̄1一 c n( ) REB2 ̄1一 (一l l nC (\ n +Z ,),  s一 {(c- c州 ( )) 3多层Bayes估计 若R的先验密度函数zc(Rla)由(2)式给出,超参数a的先验密度函数分别由7rl(a),7r2(a) 和7r3(a)给出,则R的多层先验密度函数分别为 。= 0(c )0<R< 丌s(R)= 1/1。nR。一 dn,。<R< , R)一 2 。 一 。<R<1. 文献【6]中给出了R的多层Bayes估计,现在叙述在定理2中. 定理2对二项分布(1)式,若n个样品中有r(r=0,1,…,礼)个失效,R的多层先验 密度函数分别由丌4(R),丌5(R)和7r6(R)给出,则在平方损失下R的多层Baeys估计分别为 RHB1 鲁 , ]Z[HB2= fl aB(a+n—r+1,r+1)da flaB(a+礼一r,r+1)da’ RHB3- ̄ '4 E—Bayes估计的性质 以上在定理1中,在超参数的三个不同先验分布下分别给出了R的三个E—Bayes估计, 那么它们之间有什么关系呢?在定理1和定理2中分别给出了冗的E—Bayes估计和多层 Bayes估计,那么它们之间又有什么关系呢?以下将要给出的两个定理(定理3和定理4)回 答了这些问题. 4.1 REB1,REB2和REB3的关系 定理3在定理1中,当1<c<n+3时,有以下两个结论 NO.1 韩明:二项分布可靠度E—Bayes估计的性质 65 (i) REB1<REB2<REB3 (ii) lim REB1=n— 。o lim REB2=lim REB3 n—}。。 n—}∞ 证 (i)根据定理1,有 REB3--REB2-- …3 ( 芋) c— 。。 . (3) REB2-REB1- c2n+c+3) n( ) c一 Z=J (4) 由于当一1< <l时,有ln(1+ )= 一 X2+了X3一 X4+ ∑(一1) 等,令z=帛 当1<c<几十3时,有0<精<1,则 c2… n( ) (n+2)+(c_1)]ln(1+ ) =2(c-1)一 礼十 J+詈 【 n 十 J .. 。2(c一1) 2(c一1) 4(凡+2)。 ’5(n+2) .2(C一1)。 + 6(n+2) :2(。一1)+『 (c一1)。 1(C一1)。 1(c一1) 1(C一1) +礼+2 礼+2)。 4(2(n+2) 。3(n+2) 1(c一1) 3(c一1) 6(礼+2)0 6(n+2)。 20(扎+2) 吉 一 2(c一1)。 15(佗+2) ]+ (5) 当0< c--1<1,有  1(C一1)。 l(C一1) 1(C一1)。6(n+2) 6(n+2)。 6(n+2) =一一 ( 一 )>。 3(C一1) 20(n+2) 由上式和(5)式,有 2(C一1)。 l(C—1) 15(佗+2) 60(Tb+2) 『J 9一 2]>。佗+ J , c2n+c n( )一2(c-1)>。. 根据(6)式,(3)式和(4)式,有五EB3.>五EB。和五EB2>五EB1,所以 REB3>REB2>REB1 ㈤ (ii)当0< c-1<1,有 (c-1)3 1(C一1) 6 4-2)0 3(C一1) lim I 2(C一1)。 ]=(c [丢(幂) ( 一 ) ( ) [9_8( ) n--+oo【 20(n+2) 15(n+2) l=(c 66 根据(3)一(8)式,有 lim(REB3一REB2) = :数学物理学报 、b1.33A 一石1 (c-1)a]+nlim ̄[3(c-1)5 一 2丽(c-,)6]+...) 3(c-1)5 0, lia(rREB2一REB1) =  (c-1)4 (c-1)31一石0. ]+..・> I =所以lim五E日1:lim矗EB2:lia五EB3.r n—}。。 n—÷oo n—}。o 定理3的(i)说明,对超参数a的三个不同先验分布,相应的E—Bayes估计REBi(i= 1,2,3)也不同.定理3的(ii)说明,五EBt(i=l,2,3)是渐近相等的;或当n较大时, 氲EBi(i=1,2,3)是比较接近的. 4.2 五EBt和矗Hj日t的关系 定理4在定理1和定理2中,五EB 和五日Bt(i=1,2,3)满足 lim五EBt=lia五日B (ri=1,2,3). 证若超参数a的先验密度函数为71-1(0),根据定义1和定理1的(i),有 REB1 ̄- 咖 = 。 当1<n<c时, 丽a+n--r是连续的,且有c一0>0,根据积分中值定理的推广,至少有 一个al∈(1,c),使 。 = dn = al n + +1【(一1) c、 c dn)J C Jl厂。一01+礼+1‘ ± 二! 在上式的两边取极限,得 lim五EB1:lim 根据Beta函数和Gamma函数的关系,有 :1. (9) + n- r +1 )r(r+1) B(a+n-r+1,r+1)=—r(a一—.a +(...—r(a+nrrr+i ))()(a+n+1)r(a+n+1) n..-r-....———........ ————.—....... —..........————= B(a+n-r,r+1). (10) NO.1 韩明:二项分布可靠度E—Bayes估计的性质 67 根据定理2和(10)式,有 I ̄HB1 二竺 皇 ± 二二± !:± 0(c—a)B(a+几一r,r+1)da (a干+丽n-r)n(c—a)B(a+n—r,r+1)da j;a(c—a)B(a+札一-r, 当1<a<C时, —a+n—+l疋Jr是连续的,土 日 , 且有a(c a)B(a+n r,r+1)>0,根据积分中值 定理的推广和(11)式, 至少有一个a2∈ (1,c),使 a+n—(a+n--r)。(c a)B(a+礼一r. RHB1 a2+n—r 1 a(c—a)B(a+n一|r,r+1)da .n2+n+1 在(12)式的两边取极限,得 lim RHB1 ll・m—兰 —二!:1 l n一。。02+n+1 根据(9)式和(13)式,有lim] ̄EB1=lia RHB1.r 同理,可以证明lim REBt=lim RHBi(i=2,3). I 定理4说明, 五 B 和五日Bi(i=1,2,3)是渐进相等的,或当n较大时, 朋{和 R日B (i=1,2,3)是比较接近的. 5数值算例 当n=10,100,1000和c:2,3,4,5,6时,根据定理1和定理2可以得到五耶i和 五日B ( =1,2,3).五 B 和五日Bi( =1,2,3)的计算结果(r:0,1),r=0时,见表1一表3; r=1时,见表4一表6. 表1 五EB 和五日B 的计算结果(r:o) 注: 五i一=l五打B。一五EB《『(1=1,2,3),2.72E一07=2.72 ̄10一 68 数学物理学报 Vl01.33A 表2 I ̄EB2和RHB2的计算结果(r=0) 从表1~表3我们发现,对相同的c(c=2,3,4,5,6),REB 和RHB (i=1,2,3)非常接 近,并且REB。和RHB。(i=l,2,3)满足定理4,REB (i=1,2,3)满足定理3.对不同的 c(c=2,3,4,5,6),五EB 和五日 ( =1,2,3)都是比较稳健的. 表4 REB1和- ̄HB1的计算结果( =1) No.1 韩明:二项分布可靠度E—Bayes估计的性质 69 表5 矗EB 和五HB 的计算结果(r=1) 从表4表6我们发现,对相同的c(c=2,3,4,5,6), EB。和 日B。(i:1,2,3)非常接 近,并且五E甄和五 ( =1,2,3)满足定理4,五E鼠( :l,2,3)满足定理3.对不同的c (c=2,3,4,5,6),五朋 和五日B ( =1,2,3)都是比较稳健的. 在文献[6]中,作者建议C在2,3,4,5,6中居中取值,即C=4;并建议超参数a的先 验分布取均匀分布(即超参数。的先验密度函数取71"2(a)). 6结束语 本文在文献[6]的基础上,给出了二项分布可靠度E—Bayes估计的性质(定理3和定理 4).在定理1中,参数R的E—Bayes估计REBi(i=1,2,3)可以不用积分表示(见定理1的 表述),也可以用积分表示(见定理4的证明过程).在定理2中,参数R的多层Bayes估计 RHBi(i:1,2,3)只能用积分表示,并且还要依赖Beta函数(而Beta函数本身还是用积分 表示的).因此,从计算复杂性上看,参数R的E.Bayes估计比多层Bayes估计简单(从实际 计算中也可以体会到). 从以上数值算例中可以看出,虽然矗EB{与五日B (i=1,2,3)有所不同,但随着样本容 量n的增加(10— 100—一1000),J ̄EBi与RHBi(i:l,2,3)越来越接近,并且五雎} 和 70 数学物理学报 Vo1.33A 五HB ( =1,2,3)满足定理4,五朋 ( =1,2,3)满足定理3.从以上数值算例中还可以看出, 圳 五E 比五刖 ( =1,2,3)的‘‘极差’’小,因此E-Bayes估计比多层Bayes估计的稳健性好. 关于参数的E—Bayes估计法的研究,见文献[8—11]. 参考文献 1]Lindley D V,Smith A F M.Bayes estimaters for the linear mode1.Journal of the Royal Statistical Society (Series B),1972,34:l_41 韩明.多层先验分布的构造及其应用.运筹与管理, 1997,6(3):31—40 Brooks S P.Markov chain monte carlo method and its application.The Statistician,1998,47(1):69一i00 Ando T,Zellner A.Hierarchical Bayesian analysis of the seemingly unrelated regression and simultaneous equations models using a combination of direct monte carlo and importance sampling techniques.Bayesian Analysis,2010,5(1):65 96 Andrieu C,Thoms J.A tutorial on adaptive McMC.Statistics and Computing,2008,18(4):343—373 Han M.E—Bayesian estimation of the reliability derived form Binomial distribution.Applied Mathematical Modelling,201l,35:2419 2424 Berger J O.Statistical Decision Theory and Bayesian Analysis.New York:Springer—Verlag,1985 韩明,耀.失效率的综合E—Bayes估计.数学物理学报,2005,25A(5):678~684 韩明.只有一个失效数据情形失效概率的E—Bayes估计.数学物理学报,2011,31A(2):577-583 Han M.E—Bayesian estimation of failure probability and its application.Mathematical and Computer Modelling,2007,45:1272—1279 Han M.E—Bayesian estimation and hierarchical Bayesian estimation of failure rate.Applied Mathematical Modelling,2009,33:1915—1922 Properties of E—Bayesian Estimation for the Reliability Derived fcIrm Binomial Distribution Han Ming (School of Science,Ningbo University f oTechnology,Zhejiang Ningbo 315211) Abstract:Previously,the author introduces a new parameter estimation method--E—Bayesian estimation method,to estimate the reliability derived form Binomia1 distribution,the defini— tion of E—Bayesian estimation of the reliability is provided;moreover,formulas of E—Bayesian estimation and hierarchica1 Bayesian estimation for the reliability are also provided,but the au— thor did not provide propertiy of E—Bayesian estimation.This paper,properties of E—Bayesian estimation are provided. Key words:Binomial distribution;Reliability;E—Bayesian estimation;Hierarchical Bayesian estimation. MR(2000)Subject Classiifcation:62F15;62N05 

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