平均分布的范围估计原理

我一直觉得这顶多是个排列组合问题，但谁能想到，这样一个简单的计数问题能追溯到高斯超几何函数上去（Gauss’ hypergeometric function）。

平均分布的范围估计原理

问题描述

考虑平均分布

在观测到一系列值后，求的估计值。

其中，，另外为待定总量，为观测序列长度，观测序列中的最大值为。

问题求解

求解过程参考页为

German tank problem^[1]

待求问题可以抽象为

它代表在观测数据为时，待定总量为的条件概率。由贝叶斯条件概率公式可知如下等式恒成立

经过变形可得

右侧第一项可以表示为，证明过程详见附录-条件概率 1。

右侧第二项可以表示为，证明过程详见附录-条件概率 2。无论参数如何取值，它都是一个与变量无关的常数，因此不必过分关注。

右侧第三项可以表示为，证明过程详见附录-条件概率 3。

接下来，需要对第三项进行进一步简化，

其中，最难解决的部分有如下恒等式，证明过程详见附录-求和 1。注意，这个恒等式十分重要，后续分析会反复用到。

代入上式可知

因此条件概率为

并且累积分布概率为

根据条件概率，可以计算的均值为，计算过程可见附录-均值 1

附录

条件概率 1

求解条件概率，它代表从个值中无放回地随机取出个值，其最大为的概率。

不难看到，这属于经典概率论的无放回抽样问题，因此可以用最经典的统计可能性数量的方式进行计算。因此，在的约束下，分子和分母分别为

因此，可以得到

条件概率 2

求解条件概率，它代表无放回随机抽样次，被抽样样本规模为的条件概率

引入新变量，它是未知参数，满足下式

条件概率 3

求解条件概率，它代表无放回随机抽样次，最大抽样值为的条件概率

这时样本总体的上限只是一个需要遍历的参数

当遇到不可能的情况时，概率为零

求和 1

证明如下等式：

证明过程来自 paper_499.pdf^[2] 需要用到 Gauss’ hypergeometric function Hypergeometric function - Wikipedia^[3]

证明：

其中，

另外，

证明毕。

均值 1

证明：

将被求和项进行变形

进一步可得

利用求和公式，可得含有的项求和可得

因此有

证明毕。

参考资料

[1]

German tank problem: https://handwiki.org/wiki/German_tank_problem

[2]

paper_499.pdf: https://epub.ub.uni-muenchen.de/2094/1/paper_499.pdf

[3]

Hypergeometric function - Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Hypergeometric_function