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Grado en Matemáticas

Estimadores, sesgo y consistencia

Un estimador es una regla que puede acertar más o menos al repetir muestras. Que su centro sea correcto no garantiza un resultado cercano en cada intento. Compararemos centro, dispersión y errores raros para entender qué promete cada propiedad y qué no.

Si necesitas repasar:

1. La regla se fija antes de conocer el valor que producirá

Tn=Tn(X₁,…, Xn) es el estimador aleatorio.

Tras observar datos, tn es su estimación numérica. El objetivo θ puede ser una media, varianza, probabilidad u otra función del modelo. La regla debe poder calcularse sin usar el parámetro desconocido.

La distribución de Tn sí depende del verdadero θ, aunque la fórmula de la regla no lo utilice. Sus propiedades se evalúan dentro de un modelo y un mecanismo de selección definidos. Cambiar ese mecanismo puede cambiar sesgo, riesgo y consistencia.

La misma fórmula produce distintas estimaciones

Regla T=promedio de tres observaciones.

  1. Primera muestra

    Con 2,4,9, el valor observado es 5.

  2. Otra muestra

    Con 1,4,7, el valor es 4.

  3. Regla y resultado

    El estimador no cambió; las dos estimaciones sí.

Resultado

T es la regla;5 y 4 son resultados posibles.

Lo comprobamos

El parámetro poblacional no cambia porque haya salido una muestra u otra.

Una regla no puede usar la respuesta que intenta descubrir

Para estimar μ, se propone T=(X̄+μ)/2 con μ desconocida.

  1. Calcular

    X̄ sí sale de la muestra.

  2. Dato que falta

    La fórmula también necesita μ, el objetivo desconocido.

  3. Conclusión

    No es una regla disponible de estimación de μ con esos datos.

Resultado

No se valida una regla solo por sus propiedades algebraicas.

Lo comprobamos

Si μ fuera conocida, no habría ese mismo problema de estimación; una comparación teórica con un oráculo se identificaría como tal.

2. Insesgado significa centro correcto al repetir, no acierto en cada muestra

El sesgo es bθ(T)=EθT−θ.

Insesgado significa bθ(T)=0 para cada θ del espacio paramétrico. Requiere que la esperanza exista. La estimación concreta puede alejarse mucho del objetivo aun con sesgo cero.

El sesgo puede depender de θ y de n. Para analizarlo calculamos la distribución o esperanza de la regla, no restamos automáticamente la estimación observada a un parámetro que desconocemos.

Insesgado, pero cada resultado puede fallar

X=θ+ε, con ε=−1 o 1 equiprobables; usamos T=X.

  1. Esperanza

    ET=θ+(−1+1)/2=θ.
  2. Sesgo

    ET−θ=0.
  3. Errores individuales

    Cada muestra produce error −1 o +1, nunca cero.

Resultado

La regla es insesgada y no acierta exactamente en ningún resultado.

Lo comprobamos

La propiedad compara el promedio de estimaciones repetidas con θ, no cada punto de su distribución.

El máximo de una uniforme subestima en promedio

Xi iid uniformes en [0, θ], θ>0; M=max Xi.

  1. Distribución

    Para 0≤m≤θ, P(M≤m)=(m/θ)ⁿ.
  2. Densidad y media

    La densidad es n m^(n−1)/θⁿ; integrar m por esa densidad da EM=nθ/(n+1).
  3. Sesgo

    EM−θ=−θ/(n+1).
Resultado

M tiene sesgo negativo para estimar el extremo θ.

Lo comprobamos

Con n=3 y θ=4, su media es 3; aun así sus valores varían de una muestra a otra.

3. El error cuadrático combina dispersión y distancia del centro

Con pérdida cuadrática, ECMθ(T)=Eθ[(T−θ)²].

Es un riesgo que penaliza errores grandes. Una pérdida absoluta definiría otro criterio; no todas las comparaciones de estimadores responden a la misma pregunta.

Descomponemos T−θ=(T−ET)+(ET−θ).

Al elevar al cuadrado, el término cruzado tiene esperanza cero porque E(T−ET)=0. Así ECM=Var(T)+sesgo², cuando existen los segundos momentos.

Sumar los dos tipos de error

Var(T)=4 y sesgo(T)=−2.

  1. Dispersión

    El primer término es 4.

  2. Sesgo cuadrado

    (−2)²=4.
  3. Riesgo

    ECM=4+4=8.
Resultado

El signo del sesgo no hace negativo su coste cuadrático.

Lo comprobamos

El ECM debe ser al menos cada uno de sus dos términos no negativos.

Varianza cero no significa error cero

Se usa la regla constante T=0 para estimar θ.

  1. Varianza

    La regla no fluctúa, así Var(T)=0.
  2. Sesgo

    ET−θ=−θ.
  3. Riesgo

    ECM=θ²; si θ=3, vale 9.
Resultado

Una regla perfectamente estable puede estar lejos del objetivo.

Lo comprobamos

La falta de dispersión por sí sola no demuestra calidad de estimación.

4. Contraer puede mejorar un riesgo local y empeorarlo en otro parámetro

Si T es insesgado para θ y tiene varianza uno, la regla aT tiene sesgo (a−1)θ y varianza a². Su ECM es a²+(a−1)²θ². Reducir a baja dispersión pero añade una desviación del centro hacia cero.

Un poco de sesgo puede reducir el error cuadrático
Objetivo θ=2A: media 2, varianza 113B=0,8A: media 1,60,82,4Cada punto de su fila pesa 1/2.ECM(A)=1 ; ECM(B)=0,8
Modelo ilustrativo de objetivo theta dos. El estimador A vale uno o tres con igual probabilidad, media dos y varianza uno. B es cero coma ocho A, vale cero coma ocho o dos coma cuatro, media uno coma seis, sesgo menos cero coma cuatro y varianza cero coma sesenta y cuatro. Sus errores cuadráticos medios son uno y cero coma ocho. Los segmentos verticales señalan el mismo objetivo fijo sin cruzar los rótulos.

Una comparación debe indicar para qué valores de θ mejora. La palabra sesgado no significa automáticamente peor, y la palabra contraído tampoco significa mejor para todos los parámetros.

El dibujo muestra una mejora concreta

T=θ+ε, ε=±1 equiprobable; θ=2 y B=0,8T.

  1. Regla original

    T vale 1 o 3, media 2, varianza y ECM iguales a 1.

  2. Contraída

    B vale 0,8 o 2,4; sesgo −0,4 y varianza 0,64.

  3. Riesgo

    ECM(B)=0,64+0,16=0,8.
Resultado

La regla con algo de sesgo tiene menor ECM en θ=2.

Lo comprobamos

Cada punto de su fila tiene probabilidad 1/2; la cuenta también puede hacerse promediando sus dos errores cuadrados.

La mejora no es universal

Mismo modelo y contracción, pero θ=10.

  1. Sesgo

    (0,8−1)10=−2.
  2. Dispersión

    Sigue siendo 0,64.

  3. Riesgo

    ECM=0,64+4=4,64, frente a 1 de T.
Resultado

Aquí la contracción empeora.

Lo comprobamos

La fórmula 0,64+0,04θ² muestra que solo mejora cuando |θ|<3, en este modelo concreto.

5. Consistencia mira una secuencia de reglas al crecer el tamaño

Tn es consistente para θ si Pθ(|Tn−θ|>ε)→0 para cada ε>0 fijo.

No significa sesgo cero en cada n, ni acierto exacto en una muestra grande. La convergencia se refiere a una secuencia y a su modelo.

Una regla que usa cada vez más información puede ser consistente aun con pequeño desplazamiento finito. Una regla que ignora todas las observaciones nuevas puede ser insesgada y no mejorar al crecer el número de filas.

Una contracción que se apaga puede ser consistente

X̄n consistente para μ y Tn=[n/(n+2)]X̄n.

  1. Restar el objetivo

    Tn−μ=[n/(n+2)](X̄n−μ)−[2/(n+2)]μ.
  2. Dos partes

    El primer factor está acotado y el error de la media tiende a cero en probabilidad; la segunda parte determinista tiende a cero.

  3. Conclusión

    Tn es consistente, aunque su sesgo bajo media insesgada sea −2μ/(n+2).

Resultado

Consistencia permite sesgo finito que desaparece.

Lo comprobamos

La regla no utiliza μ: solo aparece al analizar teóricamente su error.

Insesgado sin recoger información nueva

Xi iid signos justos de media cero; Tn=X₁ para todos los n.

  1. Centro

    ETn=0 para todo n.
  2. Error

    P(|Tn−0|>1/2)=1.
  3. Límite

    La probabilidad no baja con n.

Resultado

Es insesgado y no consistente para la media cero.

Lo comprobamos

Tener disponibles n datos no obliga a que una regla los aproveche.

6. ECM pequeño implica consistencia, pero el recíproco necesita control de colas

Markov sobre (Tn−θ)² da P(|Tn−θ|>ε)≤ECM(Tn)/ε².

Por eso sesgo→0 y varianza→0 son suficientes. Insesgadez por sí sola no basta.

La convergencia en probabilidad puede ocultar errores raros y enormes. Sin control adicional de integrabilidad, no permite intercambiar automáticamente el límite con la esperanza ni concluir ECM→0. El siguiente contraejemplo usa una regla calculable sin conocer θ.

Un criterio suficiente con una tasa explícita

Iid de media μ y varianza 4; Tn=X̄n+1/n.

  1. Sesgo

    1/n.

  2. Varianza

    4/n, porque sumar una constante no la cambia.

  3. ECM

    4/n+1/n²→0; para ε fijo la probabilidad de error se acota dividiendo esa cantidad por ε².

Resultado

La regla es consistente pese a su sesgo en cada tamaño.

Lo comprobamos

La conclusión se apoya en ambos términos, no solo en que 1/n sea pequeño.

Consistencia con sesgo que no desaparece

Xi iid uniformes en [θ, θ+1], n≥2. Define An={X₁−X₂>1−1/n} y Tn=X̄n−1/2+n²1An.

  1. Regla disponible

    Usa la media, la diferencia de los dos primeros datos y n; no usa θ.

  2. Evento raro

    La región de dos uniformes que satisface An es un triángulo de área 1/(2n²).

  3. Consistencia

    X̄n−1/2→θ y P(An)→0; fuera de An no hay el término grande, así Tn→θ en probabilidad.

  4. Sesgo

    ETn−θ=n²P(An)=1/2 para todo n.
  5. Riesgo

    El error base está entre −1/2 y 1/2.

    Sobre An, el error total es al menos n²−1/2; ECM≥(n²−1/2)²/(2n²)→∞.
Resultado

Consistente no implica ni sesgo→0 ni ECM→0 sin más hipótesis.

Lo comprobamos

La rareza del suceso controla convergencia en probabilidad; su altura domina los momentos.

7. Centrar con los mismos datos explica el sesgo de Q/n

Sea Q=Σ(Xi−X̄)² en una muestra iid de media μ y varianza finita σ².

Desarrollar cuadrados da Q=Σ(Xi−μ)²−n(X̄−μ)².

La igualdad usa que la suma de Xi−μ es n(X̄−μ).

Tomando esperanzas, EQ=nσ²−n(σ²/n)=(n−1)σ².

Por tanto Q/n tiene sesgo −σ²/n. La resta aparece porque el centro se ajustó a esa misma muestra, y dejó residuos más pequeños en promedio.

Seguir la esperanza de los dos términos

n=4, varianza verdadera σ²=6.

  1. Alrededor de μ

    EΣ(Xi−μ)²=4·6=24.
  2. Ajuste del centro

    E[4(X̄−μ)²]=4·6/4=6.
  3. Resultado

    EQ=24−6=18; E(Q/4)=4,5.
Resultado

El sesgo de Q/4 es 4,5−6=−1,5.

Lo comprobamos

Coincide con −σ²/n=−6/4; la identidad no exigió normalidad.

Enumerar cuatro muestras muestra el sesgo directamente

n=2 Bernoulli de p=1/2.

  1. Muestras

    00,01,10,11 tienen peso 1/4 cada una.

  2. Residuos

    Q vale 0,1/2,1/2,0, respectivamente.

  3. Promedio

    E(Q/2)=1/8, pero la varianza de una Bernoulli justa es 1/4.
Resultado

Dividir por n subestima en promedio incluso en este ejemplo mínimo.

Lo comprobamos

Los datos discretos permiten comprobar la fórmula general sin una aproximación asintótica.

8. Corregir la varianza no hace insesgada cualquier transformación suya

Para n≥2, S²=Q/(n−1) tiene esperanza σ² bajo iid y segundo momento finito. La normalidad solo es necesaria para algunas leyes exactas adicionales, no para esta identidad de esperanza.

La raíz es cóncava, así Jensen da ES≤√E(S²)=σ.

Una transformación no conserva en general la insesgadez. El mismo cuidado se aplica a otros parámetros, como cuadrar un estimador insesgado de un extremo.

La raíz conserva un sesgo en el ejemplo Bernoulli

Mismas cuatro muestras con n=2 y p=1/2.

  1. Varianza corregida

    S²=Q: vale 0 o 1/2, cada uno con probabilidad 1/2; ES²=1/4.
  2. Raíz

    S vale 0 o 1/√2, cada uno con probabilidad 1/2.

  3. Esperanza

    ES=1/(2√2), menor que σ=1/2.
Resultado

S² es insesgada, pero S no lo es.

Lo comprobamos

La raíz del promedio no equivale al promedio de las raíces.

Otro parámetro confirma que la transformación importa

Tres uniformes en [0, θ]; M es su máximo y T=(4/3)M.

  1. Media

    EM=3θ/4, así ET=θ.
  2. Segundo momento

    Integrar m² por la densidad del máximo da E(M²)=3θ²/5.
  3. Cuadrar T

    E(T²)=(16/9)(3/5)θ²=16θ²/15, distinto de θ².
Resultado

T es insesgado para θ, pero T² no para θ².

Lo comprobamos

Elegir primero un criterio y después transformar requiere volver a revisar sus propiedades.

9. El criterio, el parámetro y la robustez deciden qué significa mejorar

Entre reglas insesgadas del mismo parámetro, menor varianza equivale a menor ECM. Fuera de esa clase hay que incluir el sesgo. Consistencia es una garantía asintótica, no una ordenación completa para cada tamaño finito.

La sensibilidad a valores extremos, errores de medición y cambios del modelo también importa. Una regla puede ser óptima bajo ciertas hipótesis y frágil fuera de ellas. No se cambia de media a mediana sin reconocer que puede cambiar el parámetro objetivo.

Comparar con todos los términos del riesgo

A es insesgado de varianza 1; B tiene sesgo 1/2 y varianza 1/5.

  1. Riesgo A

    ECM(A)=1.
  2. Riesgo B

    ECM(B)=1/5+1/4=9/20.
  3. Criterio

    B tiene menor pérdida cuadrática en esta comparación, siempre bajo el modelo y objetivo indicados.

Resultado

La insesgadez no decide sola el menor ECM.

Lo comprobamos

Otro valor del parámetro o una pérdida diferente podría cambiar la comparación.

Ver sensibilidad sin declarar ganador universal

Datos 2,3,4,5,100.

  1. Media

    Suma 114 entre cinco:22,8.

  2. Mediana

    El valor central ordenado es 4.

  3. Interpretar

    El dato extremo influye mucho en la media, pero ambos números resumen aspectos diferentes.

Resultado

Robustez y objetivo se evalúan juntos.

Lo comprobamos

No se concluye que la mediana estime mejor cualquier media poblacional; se revisa el modelo y el tipo de error que preocupa.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Sesgo de una media alterada

T=X̄+1/n estima μ.

  1. Regla

    Tn=X̄n+1/n no necesita conocer μ para calcularse.
  2. Esperanza

    Si la media muestral es insesgada, ETn=μ+1/n.
  3. Sesgo

    ETn−μ=1/n, distinto de cero para cada n finito.

  4. Error

    Tn−μ=(X̄n−μ)+1/n.
  5. Consistencia

    Para n grande,1/n<ε/2, así P(|Tn−μ|>ε)≤P(|X̄n−μ|>ε/2).
  6. Conclusión

    Si X̄n es consistente, esa cota tiende a cero: Tn es sesgado, pero consistente.

Resultado

Es sesgado, pero consistente si X̄ lo es.

Lo comprobamos

Para ε>0 y n grande con 1/n<ε/2, P(|T_n−μ|>ε)≤P(|X̄_n−μ|>ε/2), que tiende a cero.

EJEMPLO RESUELTO 2

Error cuadrático

Var T=4 y sesgo=3. Calcula ECM.

  1. Identidad

    ECM=Var(T)+sesgo(T)².
  2. Varianza dada

    El primer término vale 4.

  3. Sesgo dado

    El sesgo es 3.

  4. Cuadrado

    3²=9.
  5. Sumar

    ECM=4+9=13.
  6. Comprobar

    Trece es mayor o igual que cada contribución, como debe ocurrir al sumar dos cantidades no negativas.

Resultado

ECM=13.

Lo comprobamos

El ECM no puede ser menor que la varianza ni que el sesgo al cuadrado. Trece supera cuatro y nueve, como exige la identidad.

Los símbolos que hemos usado

T_n
Estadístico utilizado para estimar un parámetro con una muestra de tamaño n.
E_θ
Esperanza bajo el modelo cuyo parámetro verdadero es θ.
b_θ(T)
Sesgo E_θ[T]−θ, cuando la esperanza existe.
ECM_θ(T)
Error cuadrático medio E_θ[(T−θ)²].
Consistente
T_n converge en probabilidad al parámetro verdadero bajo cada modelo considerado.
S²
Varianza muestral corregida Σ(X_i−X̄)²/(n−1).
Pérdida
Función que cuantifica el coste de una discrepancia entre estimación y parámetro.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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