1 十分性
定義 1.1 (十分統計量).(X,A)上の確率測度の非空な族(Pθ)θ∈Θと、可測写像T:(X,A)→(Y,B)を考える。任意の有界実数値A可測関数uに対して、有界実数値B可測関数auが存在し、すべてのθ∈Θについて
au(T)=Eθ[u∣σ(T)]Pθ-ほとんど確実にが成り立つとき、Tは族(Pθ)θ∈Θに対して 十分 (sufficient statistic) であるという。関数auは母数θに依存しない。等式の例外となる零集合は、各uと各θに対して許される。
補題 1.2.T:(X,A)→(Y,B)を可測写像とする。実数値関数Zがσ(T)可測であるならば、B可測関数g:Y→Rが存在してZ=g∘Tを満たす。Z:X→[0,∞]がσ(T)可測である場合にも、B可測関数g:Y→[0,∞]による同じ表示が成り立つ。
例 1.3.n≥2とし、X1,…,Xnを成功確率p∈(0,1)の Bernoulli 分布からの独立同分布標本とする。T=∑i=1nXiと置くと、Tはpに対して十分である。
実際、x∈{0,1}nとs=∑ixiに対してPp(X=x)=ps(1−p)n−sである。和がsとなる列は(sn)個であるから、Pp(T=s)=(sn)ps(1−p)n−s>0であり、
Pp(X=x∣T=s)=(sn)1(i∑xi=s)となる。有界関数u:{0,1}n→Rに対して
au(s)=(sn)1x:∑ixi=s∑u(x)(s=0,…,n)と置けば、auはpに依存しない。各事象{T=s}上でau(T)とuの積分が一致するので、au(T)はすべてのpについてEp[u∣σ(T)]である。
2 共通の基準測度と測度変更
補題 2.1.(X,A)上の確率測度の非空な族(Pθ)θ∈Θが、シグマ有限測度μに支配されているとする。母数の列(θk)k∈N≥1が存在し、任意の正の実数列(wk)k∈N≥1で∑kwk=1を満たすものに対して、確率測度
Q=k=1∑∞wkPθkはすべてのPθを支配する。さらに、B∈Aに対して、Q(B)=0であることと、すべてのθ∈ΘについてPθ(B)=0であることは同値である。
証明.Xの可測分割(Em)m∈N≥1を、各μ(Em)が有限となるように取る。
ρ=m=1∑∞1+μ(Em)2−m1Emと置けば、ρは至る所で正であり、0<∫ρdμ≤1である。積分が正であるのは、μが確率測度を支配するため零測度でないことによる。密度ρ/∫ρdμをもつ確率測度νは、μと同じ零集合をもつ。
各θについて§E9.15 定理 3.3により密度pθ=dPθ/dμを選び、Aθ={pθ>0}と置く。有限集合F⊆Θに対するν(⋃θ∈FAθ)の上限をaとする。各Pθは確率測度であるからν(Aθ)>0であり、0<a≤1である。各n∈N≥1に対して有限集合Fn⊆Θを
ν(θ∈Fn⋃Aθ)>a−n1となるように選び、A=⋃n⋃θ∈FnAθと置く。有限和集合の増加列に測度の下からの連続性を適用すると、ν(A)=aである。
θ∈Θを固定し、ν(Aθ∖A)>0と仮定する。このときν(A∪Aθ)>aである。一方、各nについて
νAθ∪j=1⋃nγ∈Fj⋃Aγ≤aであり、増加極限を取るとν(A∪Aθ)≤aとなる。この二つの不等式は両立しないので、ν(Aθ∖A)=0である。したがってμ(Aθ∖A)=0でもある。
⋃nFnは空でない高々可算集合であるから、重複を許して列(θk)k∈N≥1として並べる。正の重みwkの和を1とすると、単調収束定理§E9.7 定理 1.1によりQ=∑kwkPθkは確率測度であり、μに関する密度は
q=k=1∑∞wkpθkである。q>0となる集合はAに一致する。Q(B)=0ならばμ(B∩A)=0であり、各θについてμ(Aθ∖A)=0であるからPθ(B)=0となる。ゆえにPθ≪Qである。逆に、すべてのθでPθ(B)=0ならば、混合の定義からQ(B)=0である。▨
補題 2.2.(X,A,Q)を確率空間とし、非負可測関数wがEQw=1を満たすとする。P(B)=∫BwdQによって確率測度Pを定める。G⊆Aを部分シグマ加法族とし、Y∈L1(P)とする。
v=EQ[w∣G],z=EQ[wY∣G]の有限値可測版を、v≥0となるように選ぶと、
EP[Y∣G]={z/v,0,v>0,v=0P-ほとんど確実にが成り立つ。特に、{v=0}はPの零集合である。
証明. 密度変更の積分公式§E9.15 命題 4.3によりEQ[w∣Y∣]=EP∣Y∣<∞である。したがって§E11.11 定理 1.2によりv,zが存在し、vは正値性によって非負に選ぶことができる。任意のB∈Gに対して
P(B)=∫BwdQ=∫BvdQである。指示関数から単関数を経て単調収束定理を適用すると、任意の非負G可測関数fに対して
∫fdP=∫fvdQとなる。D={v=0}と置けばP(D)=0である。
a=EQ[w∣Y∣∣G]と置くと、条件付き期待値の絶対値評価§E11.11 命題 2.1 (5)より∣z∣≤aがQ-ほとんど確実に成り立つ。∫DwdQ=P(D)=0であるから、w=0がD上でQ-ほとんど確実に成り立つ。したがって∫DadQ=∫Dw∣Y∣dQ=0であり、z=0もD上でQ-ほとんど確実に成り立つ。m=z/vをD上で0と定めると、mはG可測であり、
∫∣m∣dP=∫{v>0}∣z∣dQ≤EQa=EP∣Y∣<∞となる。さらに、任意のB∈Gに対して
∫BmdP=∫BmvdQ=∫BzdQ=∫BwYdQ=∫BYdPである。条件付き期待値の定義と一意性により結論を得る。▨
3 Fisher–Neyman の因子分解定理
定理 3.1 (Fisher–Neyman の因子分解定理).(X,A)上の確率測度の非空な族(Pθ)θ∈Θがシグマ有限測度μに支配されているとし、有限値非負可測な密度pθ=dPθ/dμを選ぶ。T:(X,A)→(Y,B)を可測写像とする。族内の可算個の確率測度の正重み混合Q=∑kwkPθkがすべてのPθを支配するとき、次の条件は同値である。
- Tは(Pθ)θ∈Θに対して十分である。
- 各θ∈Θについて、密度dPθ/dQはσ(T)可測な版をもつ。
- 有限値非負A可測関数hと、各θ∈Θに対する有限値非負B可測関数gθが存在し、
pθ(x)=gθ(T(x))h(x)μ-ほとんど至る所で
が成り立つ。関数hはθに依存しない。
この同値性は、全族を支配する任意の可算正重み混合Qについて成立する。
証明.G=σ(T)と置き、q=dQ/dμの有限値非負版を選ぶ。
(1)⇒(2)を示す。θ∈Θを固定し、q>0ではrθ=pθ/q、q=0ではrθ=0と置く。Pθ≪Qによりpθ=0が{q=0}上でμ-ほとんど至る所成立するため、rθはdPθ/dQの版である。zθ=EQ[rθ∣G]の非負有限値版を取ると、EQzθ=EQrθ=1である。
有界実可測関数uに対し、十分性による共通関数auを取る。任意のB∈Gについて、混合の積分を計算すると
∫Bau(T)dQ=k∑wk∫Bau(T)dPθk=k∑wk∫BudPθk=∫BudQとなる。各級数はu,auの有界性により絶対収束する。よってau(T)はEQ[u∣G]の版でもある。可測因子の取り出し§E11.11 定理 2.3により
EQ[urθ]=Eθu=Eθ[au(T)]=EQ[rθau(T)]=EQ[zθau(T)]=EQ[zθu]を得る。最後の等式には、uが有界でzθ∈L1(Q)であることからuzθ∈L1(Q)を用いた。u=1{rθ>zθ}を代入すると、非負関数(rθ−zθ)1{rθ>zθ}の積分が0となる。逆の不等号の集合にも同じ計算を適用し、rθ=zθがQ-ほとんど確実に成り立つことを得る。
(2)⇒(1)を示す。有界実可測関数uに対し、EQ[u∣G]の有限値G可測版を取る。補題 1.2によりau(T)と表示し、auを[−sup∣u∣,sup∣u∣]へ切断すれば、有界な版を得る。各θについてdPθ/dQの非負有限値G可測版rθを取る。§E11.11 定理 2.3 (2)により
EQ[rθu∣G]=rθau(T),EQ[rθ∣G]=rθである。測度変更の補題補題 2.2により、rθ>0上でEθ[u∣G]=au(T)となる。{rθ=0}はPθの零集合であるから、同じauがすべてのθに対する条件付き期待値を与える。
(2)⇒(3)を示す。各θについて、dPθ/dQの非負有限値G可測版を補題 1.2によりgθ(T)と表示する。得られたgθを非負部分で置き換えても表示は変わらない。h=qと置けば、密度変更の積分公式§E9.15 命題 4.3と密度の一意性§E9.15 定理 4.1からpθ=gθ(T)hがμ-ほとんど至る所で成り立つ。
(3)⇒(2)を示す。
b(y)=k∑wkgθk(y)と置くと、bは[0,∞]値のB可測関数である。可算個の密度の等式の例外零集合を除けば、
q(x)=h(x)b(T(x))となる。ただし0⋅∞=0とする。qは確率密度であるから、0<q<∞はQ-ほとんど確実に成り立つ。この集合上では0<h<∞かつ0<b(T)<∞である。各θに対して
cθ(y)={gθ(y)/b(y),0,0<b(y)<∞,それ以外と定めると、cθは有限値非負可測関数であり、dPθ/dQ=cθ(T)がQ-ほとんど確実に成り立つ。▨
命題 3.3.(X,A)上の非空な確率測度族(Pθ)θ∈Θがシグマ有限測度に支配され、T:(X,A)→(Y,B)が十分であるとする。実数値可測関数uがすべてのθ∈ΘについてEθ∣u∣<∞を満たすならば、有限値B可測関数auが存在し、すべてのθ∈Θについて
au(T)=Eθ[u∣σ(T)]Pθ-ほとんど確実にが成り立つ。
証明.補題 2.1の母数列(θk)k∈N≥1を取り、
bk=1+Eθk∣u∣2−k,c=k=1∑∞bk,wk=cbkと置く。0<c≤1であり、wk>0、∑kwk=1である。Q=∑kwkPθkは全族を支配し、
EQ∣u∣=k∑wkEθk∣u∣≤c1<∞を満たす。G=σ(T)と置き、EQ[u∣G]の有限値可測版を補題 1.2によりau(T)と表示する。
各θに対し、定理 3.1 (2)によりrθ=dPθ/dQの有限値非負G可測版を取る。u∈L1(Q)であり、EQ[∣rθu∣]=Eθ∣u∣<∞である。したがって§E11.11 定理 2.3 (2)により、rθau(T)はQ可積分であり、
EQ[rθu∣G]=rθau(T)となる。ゆえにau(T)∈L1(Pθ)であり、任意のB∈Gに対して
∫Bau(T)dPθ=∫Brθau(T)dQ=∫BrθudQ=∫BudPθである。同じ関数auが、すべてのθについて条件付き期待値の定義を満たす。▨
4 一径数指数型分布族
定義 4.1 (一径数指数型分布族).(X,A,μ)をシグマ有限測度空間、t:X→Rを可測関数、h:X→[0,∞)を可測関数とし、μ({h>0})>0とする。
Z(η)=∫Xeηt(x)h(x)dμ(x),H={η∈R:0<Z(η)<∞}と置き、H=∅とする。A(η)=logZ(η)と定める。非空な集合J⊆Hに対して、密度
pη(x)=h(x)exp{ηt(x)−A(η)},η∈Jで定まる確率測度族を、一径数の 指数型分布族 (exponential family) という。ηを 自然母数 (natural parameter)、Hを自然母数空間、Aを 対数分配関数 (log-partition function) という。統計量tは 自然十分統計量 (natural sufficient statistic) と呼ばれる。母数θを用いて表示する場合には、η=η(θ)∈Jとしてpθ=hexp{η(θ)t−A(η(θ))}と書く。
命題 4.2.μに関する密度pη=hexp{ηt−A(η)}、η∈Jをもつ一径数指数型分布族(Pη)η∈Jとn∈N≥1に対して、積モデル(Pη⊗n)η∈Jを考える。標本和
Tn(x1,…,xn)=i=1∑nt(xi)は十分である。さらに、R上のシグマ有限測度
νn(B)=∫Xn1{Tn(x)∈B}i=1∏nh(xi)dμ⊗n(x)(B∈B(R))に関して、Tnの分布の密度はexp{ηs−nA(η)}である。
証明. 積測度の存在と一意性§E9.10 定理 5.1を反復してμ⊗nとPη⊗nを取る。非負可測関数∏ipη(xi)を密度とする測度は、Tonelli の定理§E9.11 定理 2.3により、任意の可測長方形B1×⋯×Bnに対して値∏iPη(Bi)をもつ。積測度の一意性を反復すると、この測度はPη⊗nである。したがって積モデルの密度は
i=1∏npη(xi)=(i=1∏nh(xi))exp{ηTn(x)−nA(η)}となる。定理 3.1によりTnは十分である。
νnは測度(∏ih)dμ⊗nのTnによる像測度である。その定義の積分等式を指示関数から単関数を経て非負可測関数へ単調収束で拡張すると、
Pη⊗n(Tn∈B)=∫Beηs−nA(η)dνn(s)を得る。η0∈Jを一つ固定すると、各m∈N≥1について
νn([−m,m])≤e∣η0∣m∫Reη0sdνn(s)=e∣η0∣m+nA(η0)<∞である。よってνnはシグマ有限である。▨
例 4.3.n∈N≥1とし、X1,…,Xnを母数λ>0の Poisson 分布からの独立同分布標本とする。一標本の数え上げ測度に関する密度は
pλ(x)=x!λxe−λ=x!1exp{(logλ)x−λ},x∈N≥0である。したがってη=logλ、t(x)=x、h(x)=1/x!、A(η)=eηとした一径数指数型分布族である。標本全体の密度は
pλ(n)(x1,…,xn)=∏ixi!e−nλλ∑ixiであるから、命題 4.2によりS=∑iXiは十分である。SとS/nは互いに可測な関数として回収されるため、σ(S)=σ(S/n)である。Sの共通条件付き平均au(S)をau(n(S/n))と書けば、標本平均S/nも十分であることが分かる。
5 最小十分統計量
定義 5.1 (最小十分統計量).(X,A)上の非空な確率測度族(Pθ)θ∈Θに対して、実ベクトル値統計量T:X→Rd、d∈N≥1が十分であるとする。任意の可測空間(Y,B)と任意の十分統計量S:(X,A)→(Y,B)に対して、可測写像F:Y→Rdが存在し、すべてのθ∈Θについて
T=F(S)Pθ-ほとんど確実にが成り立つとき、Tを 最小十分統計量 (minimal sufficient statistic) という。写像Fは母数θに依存しない。
命題 5.2.(X,A)上の非空な確率測度族(Pθ)θ∈Θがシグマ有限測度に支配されているとする。Qを、全族を支配する族内の確率測度の可算正重み混合とし、T:X→Rdを十分統計量とする。有限または可算な非空添字集合I、母数の族(γj)j∈I、および積 Borel 構造に関する可測写像F:[0,∞)I→Rdが存在して、有限値非負密度rj=dPγj/dQのある版について
T=F((rj)j∈I)Q-ほとんど確実にが成り立つならば、Tは最小十分である。また、全族を支配する族内の一つの確率測度Pθ0がある場合には、Q=Pθ0として同じ判定が成り立つ。
証明. 任意の十分統計量S:(X,A)→(Y,B)を取る。定理 3.1 (2)により、各j∈Iのrjはσ(S)可測な有限値非負版をもつ。補題 1.2により、その版をaj(S)と表示し、ajを非負部分で置き換える。Iは高々可算であるから、Qの一つの零集合を除けば、すべてのj∈Iについてrj=aj(S)が同時に成り立つ。各成分ajは可測であり、積シグマ加法族は座標の逆像で生成されるから、a:Y→[0,∞)I、a(y)=(aj(y))j∈Iは可測である。したがってF∘aは可測であり、T=(F∘a)(S)がQ-ほとんど確実に成り立つ。全PθがQに支配されるので、同じ等式がすべてのθについてPθ-ほとんど確実に成り立つ。よってTは最小十分である。
Pθ0が全族を支配する場合は、母数列をすべてθ0とした可算正重み混合がPθ0に等しいため、前段を適用することができる。▨
系 5.3. 一径数指数型分布族pη=hexp{ηt−A(η)}の自然母数の集合Jが、相異なる二点η0,η1を含むとする。任意のn∈N≥1に対して、Tn=∑i=1nt(Xi)は積モデル(Pη⊗n)η∈Jの最小十分統計量である。
証明.命題 4.2によりTnは十分である。各Pη⊗nの密度が正である集合は、母数によらず{x:∏ih(xi)>0}である。したがってPη0⊗nはすべてのPη⊗nを支配する。この集合上では
logdPη0⊗ndPη1⊗n=(η1−η0)Tn−n{A(η1)−A(η0)}であるから、
Tn=η1−η0log(dPη1⊗n/dPη0⊗n)+n{A(η1)−A(η0)}Pη0⊗n-ほとんど確実にとなる。右辺を密度比が0となる点では0と定めれば、密度比の可測関数である。命題 5.2によりTnは最小十分である。▨
例 5.4.σ2>0を固定し、X1,…,XnをN(m,σ2)からの独立同分布標本とする。母数はm∈Rである。一標本の Lebesgue 密度は
pm(x)=2πσ21e−x2/(2σ2)exp{σ2mx−2σ2m2}である。したがってt(x)=x、η=m/σ2、A(η)=σ2η2/2とした一径数指数型分布族であり、ηはR全体を動く。系 5.3により∑iXiは最小十分である。標本平均X=n−1∑iXiも最小十分である。実際、和と平均は互いに可測な関数として回収され、生成するシグマ加法族も等しいので、十分性と最小十分性の両定義を満たす。
例 5.5.例 1.3の Bernoulli 標本では、数え上げ測度に対し
pp(x)=exp{xlog1−pp+log(1−p)},x∈{0,1}である。η=log(p/(1−p))と置けばA(η)=log(1+eη)、t(x)=xであり、自然母数はR全体を動く。したがって系 5.3により標本和は最小十分である。
命題 5.7.μに関する一径数指数型分布族pη=hexp{ηt−A(η)}の自然母数空間をHとし、η∈H全体に族を定める。任意のη∈int(H)と任意のk∈N≥0に対してEη∣t∣k<∞である。有界実数値可測関数b:X→Rに対して
Fb(η)=∫Xb(x)eηt(x)h(x)dμ(x)と置くと、Fbはint(H)で微分可能であり、
Fb′(η)=∫Xb(x)t(x)eηt(x)h(x)dμ(x)が成り立つ。特に、A′(η)=Eηtである。
証明.η0∈int(H)を固定し、η0−2ε,η0+2ε∈Hとなるε>0を取る。各k∈N≥0に対し、ある定数Ck,ε<∞が存在して、s∈Rについて
∣s∣k≤Ck,εeε∣s∣が成り立つ。実際、r≥0に対するrke−εrは、k=0なら1以下であり、k≥1なら微分によりr=k/εで最大となる。したがって∣η−η0∣≤εならば
∣t∣keηth≤Ck,ε(e(η0−2ε)t+e(η0+2ε)t)hであり、右辺は可積分である。η=η0としてZ(η0)で割ると、Eη0∣t∣k<∞を得る。
0<∣a∣<εに対し、実指数関数の平均値の定理から
ae(η0+a)t−eη0t≤∣t∣eη0t+ε∣t∣である。この式へ∣b∣hを掛けた関数は、上のk=1の評価とbの有界性により、一つの可積分関数で支配される。差商は各xでb(x)t(x)eη0t(x)h(x)へ収束するので、優収束定理§E9.7 定理 3.2により
Fb′(η0)=∫bteη0thdμとなる。b=1とすればZ′(η0)=∫teη0thdμであり、Z(η0)>0から
A′(η0)=Z(η0)Z′(η0)=Eη0tを得る。▨
6 演習
問題 6.1.n≥2とし、X1,…,Xnを成功確率p∈(0,1)の Bernoulli 分布からの独立同分布標本とする。統計量X1がこの標本分布族に対して十分でないことを、u=X2に対する共通の条件付き期待値が存在しないことから示せ。
解答.
§E11.11 命題 3.3をX2とσ(X1)に適用すると、各p∈(0,1)について
Ep[X2∣σ(X1)]=EpX2=pがPp-ほとんど確実に成り立つ。X1が十分であると仮定すると、十分性の定義により、pに依存しない関数a:{0,1}→Rが存在して
a(X1)=pPp-ほとんど確実にがすべてのp∈(0,1)について成り立つ。ところがPp(X1=0)=1−p>0かつPp(X1=1)=p>0であるから、この等式はa(0)=a(1)=pを意味する。相異なるp,q∈(0,1)に対して同じ関数aがa(0)=pとa(0)=qを満たすことはない。したがって、X1は十分でない。▨
解答.
{T−1(B):B∈B}は、逆像が補集合と可算和を保つことからシグマ加法族であり、σ(T)に等しい。非負拡張実数値のZに対し、§E9.5 定理 5.3により、σ(T)可測な非負単関数列ZnをZn↑Zとなるように取る。各nについて、Znの値をcn,1,…,cn,knとすると、あるBn,j∈Bが存在して
{Zn=cn,j}=T−1(Bn,j)となる。gn=∑j=1kncn,j1Bn,jと置けば、gnは非負B可測関数であり、gn(T)=Znである。g=limsupngnは[0,∞]値のB可測関数であり、
g(T(x))=nlimsupgn(T(x))=nlimZn(x)=Z(x)がすべてのx∈Xで成り立つ。
Zが有限値非負ならば、g=∞となる点でgを0に置き換える。この変更は可測性を保ち、g(T(x))=Z(x)<∞であるため合成の値を変えない。実数値Zについては有限値非負のZ+,Z−にそれぞれ適用し、Z+=g+(T)、Z−=g−(T)を得る。有限値可測関数g=g+−g−が求める表示を与える。▨