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Motivacao Exemplos Exemplos

Metodos de reamostragem

Prof. Caio Azevedo

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Metodos de reamostragem

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Motivacao Exemplos Exemplos

Notacoes

Seja X = (X1, ...,Xn) uma amostra iid de X ∼ F (, θ), θ ∈ Θ pode

ser vetor.

Seja x = (x1, ..., xn) os valores observados da amostra definida

acima.

Estimador : θ = f (X), estimativa :θ = f (x).

Variancia: Var(θ) e erro-padrao: EP(θ) =

√Var(θ) associados ao

estimador.

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Motivacao Exemplos Exemplos

Notacoes cont.

Estimadores para a variancia Var(θ) e o erro-padrao

EP(θ) =

√Var(θ) associados ao estimador.

Estimativas para a variancia Var(θ) e o erro-padrao

EP(θ) =

√Var(θ) do associados ao estimador.

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Motivacao Exemplos Exemplos

Exemplo N(µ, σ2)

Seja X1, ...,Xn uma amostra iid de X ∼ N(µ, σ2), (µ, σ2)

desconhecidos e x1, ..., xn valores observados.

Estimador para µ, µ = 1n

∑ni=1 Xi = X . Estimativa

µ = 1n

∑ni=1 xi = x .

Variancia do estimador: Var(µ) = σ2

n . Estimador para a variancia do

estimador Var(θ) = σ2

n .

Estimativa para a variancia do estimador Var(θ) = σ2

n .

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Motivacao Exemplos Exemplos

Exemplo N(µ, σ2)

Seja X1, ...,Xn uma amostra iid de X ∼ N(µ, σ2), (µ, σ2)

desconhecidos.

Dispomos de valores observados relativos a uma amostra selecionada

a partir de uma populacao de interesse.

Estimadores otimos (consistentes e nao-viciados),

µ =1

n

n∑i=1

Xi = X , σ2 =1

n − 1

n∑i=1

(Xi − X

)2= S2.

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Motivacao Exemplos Exemplos

Cont.

Sabemos que µ ∼ N(µ, σ2/n) e (n−1)σ2

σ2 ∼ χ2(n−1).

Podemos constuir intervalos de confianca (IC) e testar hipoteses de

interesse, com base no resultado acima.

Mesmo que X1, ...,Xn nao tenham distribuicao normal

(aproximadamente) se a sequencia a qual elas pertencem satisfizer o

TCL, os resultados acima sao validos, assintoticamente.

Questao: suponha que queremos fazer inferencia com respeito a

θ = σµ , σ =

√σ2, sem usar resultados assintoticos e sob suposicao de

normalidade.

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Motivacao Exemplos Exemplos

Cont.

Estimador natural de θ, θ = σµ , σ =

√σ2.

Qual a distribuicao exata de θ? Qual a expressao para o erro-padrao

associado a este estimador?

Podemos obter uma aproximacao empırica (nao assintotica) de θ

atraves da suposicao de normalidade.

Replicas de Monte Carlo.

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Procedimento

Com base na amostra observada x, estima-se µ e σ2 atraves do

estimadores propostos.

Com as estimativas µ e σ2, gera-se R vezes amostras de tamanho

m, ou seja temos para r = 1, ...,R, m valores simulados de uma

N(µ, σ2), Xr1, ...,Xrm.

Para cada conjunto r de valores simulados, calcula-se

µ∗r = 1m

∑mi=1 xri , (σ∗)2

r = 1m−1

∑mi=1 (xri − µ∗r )2 e θ∗r =

√(σ∗)2

r

µ∗r

.

Assim, os valores θ∗1 , ..., θ∗R serao uma amostra aleatoria de θ.

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Motivacao Exemplos Exemplos

Resultados

Uma estimativa (refinada) de θ e θ∗ = 1R

∑Rr=1 θ

∗r (podemos utilizar,

tambem, a estimativa pontual baseada na amostra observada).

Uma estimativa da variancia do estimador proposto e

var(θ) = 1R−1

∑Rr=1

(θ∗ − θ∗r

)2

. Estimativa do vıcio

B(θ) = (θ∗ − θ)

Sejam θ∗(1), θ∗(2), ...., θ

∗(R) as estatısticas de ordem da amostra gerada.

Quantis empıricos podem ser obtidos atraves de um dos algoritmos

propostos por Hyndman and Fan (1996).

Funcao “quantile” no R.

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Motivacao Exemplos Exemplos

Amostras Bootstrap 1

n = 10 m = 10 media = −0.09 dp = 183.54

valores

de

nsi

da

de

−10000 −5000 0

0e

+0

04

e−

04

8e

−0

4

n = 30 m = 30 media = 8.37 dp = 164.02

valores

de

nsi

da

de

0 2000 4000 6000 8000 10000

0e

+0

04

e−

04

8e

−0

4

n = 50 m = 50 media = 3.37 dp = 9.24

valores

de

nsi

da

de

−200 −100 0 100 200 300 400

0.0

00

0.0

10

0.0

20

n = 100 m = 100 media = 1.91 dp = 0.44

valores

de

nsi

da

de

2 4 6 8 10

0.0

0.2

0.4

0.6

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Motivacao Exemplos Exemplos

Amostras Bootstrap 2

n = 200 m = 200 media = 2.62 dp = 0.54

valores

de

nsi

da

de

1 2 3 4 5 6 7 8

0.0

0.2

0.4

0.6

n = 500 m = 500 media = 1.97 dp = 0.19

valores

de

nsi

da

de

1.5 2.0 2.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

n = 800 m = 800 media = 2.09 dp = 0.16

valores

de

nsi

da

de

1.5 2.0 2.5 3.0

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

n = 1000 m = 1000 media = 2.02 dp = 0.14

valores

de

nsi

da

de

1.6 1.8 2.0 2.2 2.4

0.0

1.0

2.0

3.0

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Motivacao Exemplos Exemplos

Exemplo beta(a, b)

Suponha uma amostra aleatoria de uma distribuicao beta(a,b).

Com base na amostra observada x, estima-se a e b atraves do

estimadores do metodo dos momentos.

Com as estimativas a e b, gera-se R vezes amostras de tamanho m,

ou seja temos para r = 1, ...,R, m valores simulados de uma

beta(a, b), Xr1, ...,Xrm.

Para cada conjunto r de valores simulados, calcula-se

µ∗r = 1m

∑mi=1 xri , (σ∗)2

r = 1m−1

∑mi=1 (xri − µ∗r )2 e θ∗r =

√(σ∗)2

r

µ∗r

.

Assim, os valores θ∗1 , ..., θ∗R serao uma amostra aleatoria de θ.

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Motivacao Exemplos Exemplos

Amostras Bootstrap 1

n = 10 m = 10 media = 1.16 dp = 0.29

valores

de

nsi

da

de

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

0.0

0.5

1.0

1.5

n = 30 m = 30 media = 1.44 dp = 0.22

valores

de

nsi

da

de

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

0.0

0.5

1.0

1.5

n = 50 m = 50 media = 0.99 dp = 0.1

valores

de

nsi

da

de

0.8 1.0 1.2 1.4

01

23

4

n = 100 m = 100 media = 1.25 dp = 0.09

valores

de

nsi

da

de

1.0 1.2 1.4 1.6

01

23

4

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Motivacao Exemplos Exemplos

Amostras Bootstrap 2

n = 200 m = 200 media = 0.97 dp = 0.05

valores

de

nsi

da

de

0.8 0.9 1.0 1.1

02

46

8

n = 500 m = 500 media = 1.18 dp = 0.04

valores

de

nsi

da

de

1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35

02

46

81

0

n = 800 m = 800 media = 1.09 dp = 0.03

valores

de

nsi

da

de

1.00 1.05 1.10 1.15 1.20

02

46

81

01

4

n = 1000 m = 1000 media = 1.09 dp = 0.02

valores

de

nsi

da

de

1.00 1.05 1.10 1.15 1.20

05

10

15

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Motivacao Exemplos Exemplos

Bootstrap parametrico

Sob a suposicao de um modelo parametrico F (,θ) e com a amostra

selecionada, estima-se θ atraves de algum metodo apropriado.

Com a estimativa θ, gera-se R vezes uma amostra aleatoria de

tamanho m (m ≤ n) da amostra x = (x1, ..., xn).

Para cada amostra r r = 1, ...,R obtem-se a estimativa desejada θ∗r .

Estimativa Bootstrap θ∗ = 1R

∑Rr=1 θ

∗r

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Motivacao Exemplos Exemplos

Caso geral

Suponha agora que nao conhecemos a distribuicao (mesmo uma boa

aproximacao) geradora da amostra

Nao queremos fazer nenhuma suposicao a respeito da distribuicao.

Caso conhecamos ou queiramos fazer alguma suposicao, por algum

motivo, e difıcil de gerar da variavel aleatoria em questao.

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Motivacao Exemplos Exemplos

Bootstrap nao-parametrico

Seleciona-se R vezes uma amostra aleatoria (com reposicao) de

tamanho m (m ≤ n) da amostra x = (x1, ..., xn).

Para cada amostra r r = 1, ...,R obtem-se a estimativa desejada θ∗r .

Estimativa Bootstrap θ∗ = 1R

∑Rr=1 θ

∗r

Bootstrap parametrico: conhecemos a distribuicao dos dados F e

simulamos valores a partir dessa distribuicao usando estimativas dos

parametros relacionados a ela.

Bootstrap nao-parametrico: nao conhecemos a distribuicao dos

dados F e simulamos valores a partir da fda empırica.

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Motivacao Exemplos Exemplos

Amostras Bootstrap Nao-parametrico Normal (1)

n = 10 m = 10 media = 2.09 dp = 58.83

valores

de

nsi

da

de

−4000 −3000 −2000 −1000 0 1000

0.0

00

00

.00

10

n = 30 m = 30 media = 13.86 dp = 673.85

valores

de

nsi

da

de

−30000 −20000 −10000 0 10000 20000 30000

0.0

00

00

0.0

00

10

n = 50 m = 50 media = 2.29 dp = 1.23

valores

de

nsi

da

de

−40 −30 −20 −10 0 10 20

0.0

00

.05

0.1

00

.15

0.2

0

n = 100 m = 100 media = 2.66 dp = 1.12

valores

de

nsi

da

de

0 10 20 30 40 50

0.0

00

.05

0.1

00

.15

0.2

0

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Motivacao Exemplos Exemplos

Amostras Bootstrap Nao-parametrico Normal (2)

n = 200 m = 200 media = 2.76 dp = 0.62

valores

de

nsi

da

de

2 4 6 8

0.0

0.2

0.4

0.6

n = 500 m = 500 media = 2.32 dp = 0.27

valores

de

nsi

da

de

2.0 2.5 3.0 3.5

0.0

0.5

1.0

1.5

n = 800 m = 800 media = 2.13 dp = 0.18

valores

de

nsi

da

de

1.5 2.0 2.5 3.0

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

n = 1000 m = 1000 media = 2.07 dp = 0.15

valores

de

nsi

da

de

1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

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Motivacao Exemplos Exemplos

Amostras Bootstrap Nao-parametrico Beta (1)

n = 10 m = 10 media = 0.54 dp = 0.16

valores

de

nsi

da

de

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

n = 30 m = 30 media = 0.89 dp = 0.11

valores

de

nsi

da

de

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

01

23

n = 50 m = 50 media = 1.12 dp = 0.12

valores

de

nsi

da

de

0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

0.0

1.0

2.0

3.0

n = 100 m = 100 media = 1.16 dp = 0.08

valores

de

nsi

da

de

0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

01

23

4

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Motivacao Exemplos Exemplos

Amostras Bootstrap Nao-parametrico Beta (2)

n = 200 m = 200 media = 1.03 dp = 0.05

valores

de

nsi

da

de

0.9 1.0 1.1 1.2

01

23

45

67

n = 500 m = 500 media = 1.05 dp = 0.03

valores

de

nsi

da

de

0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20

02

46

81

01

2

n = 800 m = 800 media = 1.05 dp = 0.03

valores

de

nsi

da

de

0.95 1.00 1.05 1.10 1.15

05

10

15

n = 1000 m = 1000 media = 1.08 dp = 0.02

valores

de

nsi

da

de

1.00 1.05 1.10 1.15 1.20

05

10

15

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Motivacao Exemplos Exemplos

Comparacoes

Bootstrap parametrico: conhecemos a distribuicao dos dados F e

simulamos valores a partir dessa distribuicao usando estimativas dos

parametros relacionados a ela. Dependente: qualidade das

estimativas e do metodo de simulacao escolhido.

Bootstrap nao-parametrico: nao conhecemos a distribuicao dos

dados F e simulamos valores a partir da fda empırica. Com ou sem

reposicao.

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Motivacao Exemplos Exemplos

Exemplo: correlacao entre media e variancia amostrais

Sabemos que a corre(X , σ2) = 0, se X ∼ N(µ, σ2).

Contudo, isso nao esperado para outras variaveis aleatorias.

Ademais, o TCL sugere que a distrbuicao conjunta e marginais de X

e σ2, sejam normais.

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Motivacao Exemplos Exemplos

Amostras Bootstrap de uma normal, n=10

n = 10 m = 10 media amostral

valores

de

nsi

da

de

−2 −1 0 1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

n = 10 m = 10 variancia amostral

valores

de

nsi

da

de

0 2 4 6 8

0.0

00

.10

0.2

0

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media amostral

vari

an

cia

am

ost

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n = 10 m = 10 Densidade bivariada

media amostral

var

am

ost

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Prof. Caio Azevedo

Metodos de reamostragem

Page 25: Métodos de reamostragem - Unicampcnaber/aula_Boot.pdf · 2012. 6. 8. · Title: Métodos de reamostragem Author: Prof. Caio Azevedo Created Date: 6/7/2012 9:01:23 PM

Motivacao Exemplos Exemplos

Amostras Bootstrap de uma normal, n=30

n = 30 m = 30 media amostral

valores

de

nsi

da

de

−0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

n = 30 m = 30 variancia amostral

valores

de

nsi

da

de

2 4 6 8 10

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n = 30 m = 30 correlacao entre a media e a variancia amostrais

media amostral

vari

an

cia

am

ost

ral

n = 30 m = 30 Densidade bivariada

media amostral

var

am

ost

ral

0.05

0.1 0.15

0.2 0.25

0.3

−0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

24

68

10

Prof. Caio Azevedo

Metodos de reamostragem

Page 26: Métodos de reamostragem - Unicampcnaber/aula_Boot.pdf · 2012. 6. 8. · Title: Métodos de reamostragem Author: Prof. Caio Azevedo Created Date: 6/7/2012 9:01:23 PM

Motivacao Exemplos Exemplos

Amostras Bootstrap de uma normal, n=50

n = 50 m = 50 media amostral

valores

de

nsi

da

de

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0.0

0.4

0.8

1.2

n = 50 m = 50 variancia amostral

valores

de

nsi

da

de

2 3 4 5 6 7 8

0.0

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0.2

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n = 50 m = 50 correlacao entre a media e a variancia amostrais

media amostral

vari

an

cia

am

ost

ral

n = 50 m = 50 Densidade bivariada

media amostral

var

am

ost

ral

0.1 0.2

0.3 0.4

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Prof. Caio Azevedo

Metodos de reamostragem

Page 27: Métodos de reamostragem - Unicampcnaber/aula_Boot.pdf · 2012. 6. 8. · Title: Métodos de reamostragem Author: Prof. Caio Azevedo Created Date: 6/7/2012 9:01:23 PM

Motivacao Exemplos Exemplos

Amostras Bootstrap de uma normal, n=100

n = 100 m = 100 media amostral

valores

de

nsi

da

de

0.5 1.0 1.5

0.0

0.5

1.0

1.5

n = 100 m = 100 variancia amostral

valores

de

nsi

da

de

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0.2

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n = 100 m = 100 correlacao entre a media e a variancia amostrais

media amostral

vari

an

cia

am

ost

ral

n = 100 m = 100 Densidade bivariada

media amostral

var

am

ost

ral

0.1

0.2 0.3

0.4 0.5 0.6 0.7

0.5 1.0 1.5

45

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Prof. Caio Azevedo

Metodos de reamostragem

Page 28: Métodos de reamostragem - Unicampcnaber/aula_Boot.pdf · 2012. 6. 8. · Title: Métodos de reamostragem Author: Prof. Caio Azevedo Created Date: 6/7/2012 9:01:23 PM

Motivacao Exemplos Exemplos

Amostras Bootstrap de uma gama, n=10

n = 10 m = 10 media amostral

valores

de

nsi

da

de

8 10 12 14 16 18 20 22

0.0

00

.05

0.1

00

.15

0.2

0

n = 10 m = 10 variancia amostral

valores

de

nsi

da

de

0 20 40 60 80 100

0.0

00

0.0

10

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01

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n = 10 m = 10 correlacao entre a media e a variancia amostrais

media amostral

vari

an

cia

am

ost

ral

n = 10 m = 10 Densidade bivariada

media amostral

var

am

ost

ral

5e−04

0.001

0.0015

0.002

0.0025

0.003

0.0035 0.004

0.0045

10 12 14 16 18 20 22

02

04

06

08

01

00

Prof. Caio Azevedo

Metodos de reamostragem

Page 29: Métodos de reamostragem - Unicampcnaber/aula_Boot.pdf · 2012. 6. 8. · Title: Métodos de reamostragem Author: Prof. Caio Azevedo Created Date: 6/7/2012 9:01:23 PM

Motivacao Exemplos Exemplos

Amostras Bootstrap de uma gama, n=30

n = 30 m = 30 media amostral

valores

de

nsi

da

de

8 10 12 14

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

n = 30 m = 30 variancia amostral

valores

de

nsi

da

de

10 20 30 40 50 60

0.0

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n = 30 m = 30 correlacao entre a media e a variancia amostrais

media amostral

vari

an

cia

am

ost

ral

n = 30 m = 30 Densidade bivariada

media amostral

var

am

ost

ral 0.002

0.004 0.006

0.008

0.01

0.012 0.014 0.02

8 9 10 11 12 13 14 15

10

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Prof. Caio Azevedo

Metodos de reamostragem

Page 30: Métodos de reamostragem - Unicampcnaber/aula_Boot.pdf · 2012. 6. 8. · Title: Métodos de reamostragem Author: Prof. Caio Azevedo Created Date: 6/7/2012 9:01:23 PM

Motivacao Exemplos Exemplos

Amostras Bootstrap de uma gama, n=50

n = 50 m = 50 media amostral

valores

de

nsi

da

de

10 12 14 16 18

0.0

00

.10

0.2

00

.30

n = 50 m = 50 variancia amostral

valores

de

nsi

da

de

20 40 60 80 100 120 140 160

0.0

00

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20

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10

01

40

n = 50 m = 50 correlacao entre a media e a variancia amostrais

media amostral

vari

an

cia

am

ost

ral

n = 50 m = 50 Densidade bivariada

media amostral

var

am

ost

ral

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

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Prof. Caio Azevedo

Metodos de reamostragem

Page 31: Métodos de reamostragem - Unicampcnaber/aula_Boot.pdf · 2012. 6. 8. · Title: Métodos de reamostragem Author: Prof. Caio Azevedo Created Date: 6/7/2012 9:01:23 PM

Motivacao Exemplos Exemplos

Amostras Bootstrap de uma gama, n=100

n = 100 m = 100 media amostral

valores

de

nsi

da

de

8 9 10 11 12 13

0.0

0.2

0.4

0.6

n = 100 m = 100 variancia amostral

valores

de

nsi

da

de

20 30 40 50 60 70

0.0

00

.02

0.0

4

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20

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n = 100 m = 100 correlacao entre a media e a variancia amostrais

media amostral

vari

an

cia

am

ost

ral

n = 100 m = 100 Densidade bivariada

media amostral

var

am

ost

ral

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

9 10 11 12 13

20

30

40

50

60

Prof. Caio Azevedo

Metodos de reamostragem

Page 32: Métodos de reamostragem - Unicampcnaber/aula_Boot.pdf · 2012. 6. 8. · Title: Métodos de reamostragem Author: Prof. Caio Azevedo Created Date: 6/7/2012 9:01:23 PM

Motivacao Exemplos Exemplos

Resumo

Queremos estimar θ relativo ou nao a F (, θ). Para isso, dispoe-se de

uma amostra observada de F (; θ).

Define-se um estimador θ, eg, maxima verossimilhanca, momentos,

mınimos quadrados. Sejam Var(θ) e EP(θ) a variancia e o

erro-padrao desse estimador (se conhecidas).

Parametrica (usando-se F (; θ)) ou nao parametricamente (usando a

fda empırica da amostra observada), simula-se R vezes valoes,

xr1, ..., xrm.

Em cada uma das r amostras, calcula-se θ∗1 , ..., θ∗R , estimativas

bootstrap.

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Metodos de reamostragem

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Motivacao Exemplos Exemplos

Resumo cont.

Estimativa (refinada) bootstrap θ∗ = 1R

∑Rr=1 θ

∗r

Definimos VarB(θ) = 1R−1

∑Rr=1(θ∗r − θ∗)2 e EPB(θ) =

√VarB(θ),

estimativas bootstrap para variancia e o erro-padra do estimador em

questao.

Prof. Caio Azevedo

Metodos de reamostragem

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Motivacao Exemplos Exemplos

Intervalos de confianca

Usar o erro-padrao bootstrap, sob a suposicao de normalidade

(mesmo assintotica) do estimador utilizado.

(θ − z 1+γ2EPB(θ), θ + z 1+γ

2EPB(θ))

P(Z < z 1+γ2

) = 1+γ2 ,Z ∼ N(0, 1), EPB() erro-padrao bootstrap

(estimativa).

Usar quantis empıricos das estimativas bootstrap.

(κ 1−γ2, κ 1+γ

2),

κα quantil de ordem α das estimativas bootstrap.

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Metodos de reamostragem

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Motivacao Exemplos Exemplos

Exemplo: Poisson

Dados relativos ao numero de acidentes em um ano em 20

autoestradas estadunidenses.

x = (1, 2, 5, 0, 3, 1, 0, 1, 1, 2, 0, 1, 8, 0, 5, 0, 2, 1, 2, 3).

Objetivos, fazer inferencias sobre µ e θ = σµ .

Considere µ = X , σ =√S2 = S e θ = S

X.

Ha indıcios de superdispersao x = 1, 90 < s2 = 4, 31.

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Metodos de reamostragem

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Motivacao Exemplos Exemplos

Frequencias relativas e observadas0

.00

0.0

50

.10

0.1

50

.20

0.2

50

.30

Frequencias relativas esperadas e observadas

numero de acidentes

fre

qu

en

cia

re

lativ

a

0 1 2 3 5 8

Observada

Esperada

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Motivacao Exemplos Exemplos

Distribuicao empırica do estimador

Histogram of v.mu.r

valores

de

nsi

da

de

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

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Motivacao Exemplos Exemplos

Resultados

Estimativas intervalares e pontuais

Metodo Estimativa EP IC(95%)

Assintotico 1,90 0,31 [1,30;2,50]

Assintotico com EP bootstrap 1,90 0,46 [1,01;2,79]

Bootstrap 1,91 0,46 [1,10;2,80]

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Motivacao Exemplos Exemplos

Teste de Hipotese

Estabeleca as hipoteses de interesse H0,H1.

Escolha uma estatıstica do teste (digamos T) apropriada.

Observacao: Nao e necessario conhecer a distribuicao da estatistica

sob H0.

Calcule o valor observado da estatıstica tobs .

Gere R amostras da distribuicao sob H0.

Para cada amostras, calcule t∗r , r = 1, ...,R.

Calcule a proporcao de vezes que os valores t∗r foram “mais

extremos” que tobs .

Rejeite H0 de acordo com o nıvel de signficancia α.

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Motivacao Exemplos Exemplos

Observacao

“Mais extremo”, depende de H1.

Para H0 : θ = θ0 vs H1 : θ < θ0, mais extremo signfica menor.

Para H0 : θ = θ0 vs H1 : θ > θ0, mais extremo signifca maior.

Para H0 : θ = θ0 vs H1 : θ 6= θ0, mais extremo significa

|bootstrap| > |observado|.

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Motivacao Exemplos Exemplos

Cont. Exemplo: Poisson

Suponha que queiramos testar H0 : θ = θ0 vs H1 : θ 6= θ0, θ e a

media da Poisson.

Definse a estatıstica T = X−θ0√X/n

. Valor observado t = −0, 324 (para

θ0 = 2).

Gera-se R vezes amostras (bootstrap nao parametrico) e calcula-se

T para cada amostra t∗1 , ..., t∗R .

Dois p-valores p1 =∑R

r=1 11(|t∗r |>|t|)R e p2 =

∑Rr=1 11(|t∗r |>|t|)+1

R+1 .

p1 = 0, 7642 e p2 = 0, 7642.

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Motivacao Exemplos Exemplos

Teste de ajuste a uma distribuicao

Seja X = (X1, ...,Xn) uma amostra iid, supostamente de X ∼ F ().

Seja F1() uma outra FDA.

Para H0 : F = F1 vs H1 : F 6= F1.

Repetir o processo acima usando a estatıstica

D = max(Fn(x)− F (x)), em que Fn() e fda empırica.

Outas estatısticas podem ser usadas.

No exemplo da Poisson, H0 : F ∼ Poisson(1, 9), p1 = 0, 5526 e

p2 = 0, 5527

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Motivacao Exemplos Exemplos

Exemplo: Correlacoes entre notas, Matematica e Musica

Dados relativos as notas de n = 12 criancas em testes de

Matematica e musica.

Matematica: x = (60, 58, 73, 51, 54, 75, 48, 72, 75, 83, 62, 52).

Musica: y = (80, 62, 70, 83, 62, 92, 79, 88, 54, 82, 64, 69).

Objetivos, fazer inferencias sobre ρ = correlacao(X ,Y ).

Testes parametricos baseados na correlacao de Pearson amostral e

testes nao-parametricos baseados nas correlacoes de Kendall e

Spearman.

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Motivacao Exemplos Exemplos

Histograma das amostras bootstraps

correlacao amostral

valores

de

nsi

da

de

−0.5 0.0 0.5 1.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

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Motivacao Exemplos Exemplos

Resultados

Estimativas intervalares e pontuais: ρ = 0, 169(0, 300).

Metodo IC(95%)

Normal [-0,422; 0,754 ]

Basico [-0,365; 0,808 ]

Percentil [-0,470;0,703 ]

BCa [-0,572;0,652]

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Motivacao Exemplos Exemplos

Teste de nulidade H0 : ρ = 0 vs H1 : ρ 6= 0

p-valores: 0,5992(Pearson) ; 0,6793 (Kendall) ; 0,6635 (Spearman).

p-valor bootstrap via estatıstica ρ√n−2√1−ρ

: 0,7250.

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Motivacao Exemplos Exemplos

Exemplo: Modelo linear generalizado

Seja Yi ∼ gama(µi , φ), i = 1, ..., n, independentes,

E(Yi ) = µi = exp(X′iβ),V(Yi ) = µi

φ .

Estimar (β, φ).

Hipoteses de interesse H0 : βj = 0 vs H1 : βj 6= 0; H0 : φ = 1 vs

H1 : φ 6= 1.

Conjuntos de dados relativos ao desempenho de 5 tipos de turbina

de aviao. Tempo (em unidade de milhoes de cilcos) ate a perda de

velocidade.

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Motivacao Exemplos Exemplos

Boxplot dos dados das turbinas

1 2 3 4 5

51

01

52

02

5

tipo de turbina

tem

po

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Motivacao Exemplos Exemplos

Analise descritiva

Medidas descritivas.

Tipo Media DP CV(%) Min Max

1 10,69 3,27 30,58 3,03 16,84

2 6,05 2,46 40,66 3,19 12,75

3 8,64 2,94 34,03 3,46 13,41

4 9,80 3,13 31,95 5,88 25,46

5 14,71 3,83 26,08 6,43 21,51

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Motivacao Exemplos Exemplos

Analise Inferencial

Modelo: Yij ∼ gama(µi , φ), i = 1, 2, 3, 4, 5, j = 1, 2, ..., 10

µi = µ+ αi , α1 = 0

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Motivacao Exemplos Exemplos

Analise Inferencial

Estimativas de maxima verossimilhanca.

Parametro Est. EP Wald p-valor (t)

µ 2,37 0,14 16,42 < 0,0001

α2 -0,57 0,20 -2,79 0,0076

α3 -0,22 0,20 -1,05 0,3006

α4 -0,09 0,20 -0,43 0,6704

α5 0,32 0,20 1,56 0,1254

φ = 5, 81(1, 13), [3, 59; 8, 01]

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Motivacao Exemplos Exemplos

Analise Inferencial Bootstrap

Estimativas de maxima verossimilhanca (bootstrap).

Parametro Est. EP IC(%95)

µ 2,36 0,15 [2,04;2,62]

α2 -0,58 0,21 [-0,96;-0,16]

α3 -0,22 0,19 [-0,58;0,18]

α4 -0,10 0,23 [-0,51;0,38]

α5 0,32 0,18 [-0,02;0,68]

φ = 6, 85(1, 73), [4, 52; 11, 19]

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Motivacao Exemplos Exemplos

Verificacao do ajuste do modelo

Resıduos componente do desvio: sob as validades do modelo devem

apresentar distribuicao aproximadamente normal padrao.

Comparar os quantis dos resıduos, com os resıduos teoricos da

N(0,1).

Visualmente, muitas vezes, e complicado avaliar a proximidade dos

quantis.

Solucao: criar bandas de confianca empıricas.

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Motivacao Exemplos Exemplos

Grafico QQplot

● ●

●●

●●

●●

●●● ●●

●●

●●

●●

●●

● ● ●●

●●

●●

●● ●

●●

−2 −1 0 1 2

−4

−3

−2

−1

01

23

Normal Q−Q Plot

Percentis da N(0,1)

Co

mp

on

en

te d

o D

esv

io

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Motivacao Exemplos Exemplos

Procedimento para a construcao do grafico de envelope

1 Ajustar o modelo de regressao, obtendo as estimativas β, φ e os

resıduos componente do desvio, r1, ..., rn.

2 Com as estimativas originais, obtidas no passo 1, gerar n valores,

Y ∗1 , ...,Y∗n , ajustar novamento o modelo de regressao e calcular os

resıduos componenente do desvio.

3 Repetir o passo 2, m vezes, obtendo-se assim,

r∗ij , i = 1, ..., n; j = 1, ...,m

4 Colocamos cada grupo de n resıduos em ordem crescente,

r∗(i)j , i = 1, ..., n; j = 1, ...,m

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Motivacao Exemplos Exemplos

Continuacao

1 Para cada um dos m grupos, obtemos os limites r∗(i)I = minj r∗(i)j e

r∗(i)S = maxj r∗(i)j . Assim, os limites correspondentes ao i-esimo

resıduo serao dados por r∗(i)I e r∗(i)S .

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Motivacao Exemplos Exemplos

Grafico QQplot com bandas de confianca

● ●

●●

●●

●●

●●● ●●

●●

●●

● ● ●●

●●

●●

●● ●

●●

−2 −1 0 1 2

−3

−2

−1

01

2

Normal Q−Q Plot

Percentis da N(0,1)

Co

mp

on

en

te d

o D

esv

io

Normal Q−Q PlotNormal Q−Q PlotNormal Q−Q Plot

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