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Grado en Matemáticas

Máxima verosimilitud y métodos de estimación

Fijamos los datos que vimos y preguntamos qué parámetro los hace más verosímiles dentro del modelo. La fórmula ya no se lee como una probabilidad del parámetro. Primero miraremos qué valores admiten todos los datos, después compararemos alturas y solo entonces buscaremos máximos con derivadas.

Si necesitas repasar:

1. La verosimilitud fija los datos y deja variar el parámetro

Con observaciones independientes de masas o densidades fθ, la conjunta es L(θ; x)=∏fθ(xi). Como función de x describe el modelo probabilístico; con x fijo y θ variable, se llama verosimilitud. El máximo de L sobre el espacio permitido Θ es el MLE.

L no tiene por qué integrar uno respecto a θ ni expresa P(θ verdadero|datos). En un modelo continuo, los datos exactos suelen tener probabilidad cero para todos los parámetros: se comparan densidades. Una posterior necesitaría además una previa y normalización mediante Bayes.

Una cara observada compara modelos de moneda

Una observación Bernoulli es x=1.

  1. Verosimilitud

    L(p;1)=p, para 0≤p≤1.
  2. Comparar

    El dato tiene verosimilitud 0,8 bajo p=0,8 y 0,2 bajo p=0,2.
  3. No es una posterior

    La integral de L sobre p∈[0,1] es 1/2, no uno.
Resultado

El dato favorece más el primer parámetro por ese criterio, pero no asigna por sí solo probabilidad a los parámetros.

Lo comprobamos

Para una posterior habría que declarar una previa; eso es un paso distinto.

Una densidad puede dar verosimilitud mayor que uno

Una normal de desviación conocida 0,1; observamos x=0 y consideramos μ=0.

  1. Altura

    L(0;0)=1/(0,1√(2π))≈3,99.
  2. Punto exacto

    P(X=0)=0 bajo cualquier media de este modelo continuo.

  3. Interpretar

    Se compara altura de densidad, no una masa puntual de 3,99.

Resultado

Verosimilitud mayor que uno no viola un axioma de probabilidad.

Lo comprobamos

El parámetro que cambia es μ; la desviación 0,1 permanece como dato conocido del modelo.

2. El espacio paramétrico y el soporte se comprueban antes de eliminar factores

Restricciones como p∈[0,1], σ>0 o θ>0 forman parte del problema. Si un dato queda fuera del soporte permitido por un parámetro, su verosimilitud es cero. Un indicador de soporte dependiente de θ no es una constante que se pueda borrar.

El producto de marginales exige independencia. Con dependencia se usa la ley conjunta o una factorización con condicionadas correctas. Sí se pueden retirar factores positivos independientes de θ porque no cambian dónde se alcanza el máximo.

Un extremo debe incluir el mayor dato

Uniforme cerrada [0, θ], datos 0,4;1,5;1,1.

  1. Excluir

    θ=1,2 deja fuera el dato 1,5, así L=0.
  2. Admitir

    θ=2 admite los tres y da L=2^(−3)=1/8.
  3. Borde permitido

    θ=1,5 admite todos y da L=(1,5)^(−3)=8/27.
Resultado

La restricción θ≥1,5 es parte de la verosimilitud.

Lo comprobamos

No se maximiza θ^(−3) sobre todos los positivos ignorando los datos excluidos.

Dos copias no son dos ensayos independientes

X₁=X₂=Z, con Z Bernoulli(p); se observa (1,1).

  1. Ley conjunta

    Observar (1,1) equivale a Z=1, con probabilidad p.
  2. Producto incorrecto

    Multiplicar marginales daría p².

  3. Consecuencia

    Ese producto describiría otro experimento con dos ensayos independientes.

Resultado

La verosimilitud correcta aquí es p.

Lo comprobamos

Aunque ambos criterios tengan máximo en uno, la forma y la información no son las mismas.

3. El logaritmo simplifica productos, pero una raíz no garantiza máximo

Donde L>0, maximizar L equivale a maximizar ℓ=ln L porque el logaritmo crece estrictamente. En un producto independiente, ℓ es suma de logaritmos.

El score ℓ′=0 solo da candidatos interiores.

Se revisan concavidad o segunda derivada, fronteras y límites. Puede no existir un máximo admisible o haber varios. Un supremo en un punto excluido del espacio paramétrico no es un MLE alcanzado.

Un máximo interior con comprobación global

Dos esperas exponenciales independientes de tasa λ>0, observadas como 1 y 3.

  1. Producto y logaritmo

    L=λ²e^(−4λ), ℓ=2lnλ−4λ.
  2. Score

    ℓ′=2/λ−4=0 implica λ=1/2.
  3. Máximo

    ℓ″=−2/λ²<0 y L tiende a cero tanto al bajar λ a cero como al crecer sin límite.

Resultado

El MLE es λ̂=1/2.

Lo comprobamos

La ecuación del score se acompañó de una garantía de máximo y del dominio λ>0.

Un máximo puede faltar por una frontera excluida

Una Poisson de parámetro λ>0 produce un conteo cero.

  1. Verosimilitud

    L(λ;0)=e^(−λ), estrictamente decreciente.
  2. Supremo

    Se aproxima a uno cuando λ baja a cero.

  3. Dominio

    λ=0 no está permitido en Θ=(0,∞).
Resultado

No existe MLE alcanzado en ese espacio paramétrico.

Lo comprobamos

Si se ampliase el modelo para permitir la Poisson degenerada de λ=0, ese sería un problema con una respuesta de frontera.

4. Bernoulli muestra por qué se comprueban interior y extremos

Con s éxitos en n ensayos independientes, L(p) es proporcional a pˢ(1−p)^(n−s).

Para 0<s<n, ℓ′=s/p−(n−s)/(1−p).
Su raíz es p̂=s/n y ℓ″=−s/p²−(n−s)/(1−p)²<0.
La verosimilitud compara parámetros con los datos fijados
8 ensayos,3 éxitos : L(p)=p³(1−p)⁵01Máximo: p=3/8Altura reescalada,no densidad de p.
Curva de p elevado a tres por uno menos p elevado a cinco para ocho ensayos Bernoulli y tres éxitos. Se dibuja dividida por su máximo para comparar la forma, sin cambiar dónde se maximiza. El máximo está en tres octavos. No se interpreta el área bajo esta curva como una distribución posterior del parámetro.

Si s=0, la verosimilitud es (1−p)ⁿ y el máximo está en cero; si s=n, es pⁿ y está en uno, cuando Θ=[0,1]. Se trabaja con esos productos o sus límites, no evaluando sin cuidado términos como 0ln0.

La curva del dibujo tiene un único máximo

n=8, s=3.

  1. Score

    3/p−5/(1−p)=0.
  2. Resolver

    3(1−p)=5p, así p=3/8.
  3. Comprobar

    La log-verosimilitud es estrictamente cóncava en (0,1), y los dos extremos dan verosimilitud cero.

Resultado

p̂=3/8.

Lo comprobamos

La altura del dibujo se reescala para verse mejor; ese factor constante no cambia el máximo.

No encontrar raíz interior puede ser correcto

Cinco ensayos Bernoulli, todos sin éxito; Θ=[0,1].

  1. Función

    L(p)=(1−p)⁵.
  2. Monotonía

    Disminuye al aumentar p.

  3. Frontera

    El máximo se alcanza en p=0.
Resultado

p̂=0 es un máximo de frontera.

Lo comprobamos

No afirma que el verdadero p sea necesariamente cero; la incertidumbre no desaparece por una estimación en el extremo.

5. En la uniforme el soporte determina el máximo antes que el score

Fijamos la versión de densidad 1/θ en el intervalo cerrado [0, θ], cero fuera, θ>0.

Para datos no negativos, m=max xi impone θ≥m.
En esa región L=θ^(−n), que decrece.
Un extremo desconocido exige mirar primero qué parámetros admiten los datos
Datos: 0,4 ; 1,5 ; 1,111,5234θ≥1,5 : L=θ^(−3)θ<1,5 deja un dato fuera : L=0El máximo está en el borde permitido.
Modelo uniforme cerrado cero theta y datos cero coma cuatro, uno coma cinco y uno coma uno. Por debajo de theta uno coma cinco la verosimilitud es cero porque excluye el dato máximo. Desde uno coma cinco inclusive vale theta elevado a menos tres y decrece. El punto lleno en el inicio de la curva marca el máximo de frontera; el punto abierto a altura cero representa el límite desde los parámetros excluidos.
Si m>0, el máximo es θ̂=m.

Si todos los datos son cero, cualquier θ>0 los admite y L crece sin límite cuando θ baja a cero: el máximo no existe. Esa muestra es nula bajo el modelo, pero explica la excepción de la fórmula.

Un máximo de frontera con datos positivos

Datos 0,4;1,5;1,1 de tres uniformes [0, θ].

  1. Restricción

    θ≥1,5.
  2. Comparar

    En la región permitida, θ^(−3) disminuye.

  3. Extremo admisible

    θ=1,5 sí está incluido bajo la versión de densidad declarada.

Resultado

θ̂=1,5.

Lo comprobamos

Derivar −3lnθ no produce una raíz interior; el borde de soporte es el que decide.

La muestra toda cero no produce un máximo positivo

n observaciones iguales a cero.

  1. Soporte

    Todo θ>0 las contiene.
  2. Altura

    L=θ^(−n), que diverge cuando θ→0+.
  3. Parámetro excluido

    θ=0 no pertenece al modelo.
Resultado

No hay MLE admisible para ese conjunto de datos.

Lo comprobamos

No se presenta cero como una uniforme de longitud positiva ni se oculta la excepción en el resultado general.

6. Reexpresar un parámetro conserva el máximo, pero no garantiza insesgadez

Si η=h(θ) es una reparametrización uno a uno, maximizar en η equivale a cambiar coordenadas y usar h(θ̂). No se multiplica la verosimilitud por un jacobiano de parámetro como si se transformara una densidad posterior.

La invariancia del MLE no implica que sea insesgado. El máximo uniforme tiene media nθ/(n+1). Corregirlo por (n+1)/n produce otra regla, útil para otro criterio, que no maximiza en general la misma verosimilitud.

Tasa y media de una exponencial

Las esperas observadas son 1 y 3, y λ̂=1/2.

  1. Reparametrizar

    La media de la ley es η=1/λ, biyección en positivos.
  2. Transformar el máximo

    η̂=1/(1/2)=2.
  3. Comparar con datos

    Coincide con su media aritmética, en este modelo.

Resultado

El MLE de la media es 2.

Lo comprobamos

No se intercambia tasa con tiempo: la transformación invierte también sus unidades.

Un criterio insesgado y uno MLE pueden dar valores distintos

Tres uniformes con máximo observado 1,5.

  1. Máxima verosimilitud

    θ̂=1,5, y por invariancia el MLE de θ² es 2,25.
  2. Corrección de media

    La regla (4/3)M estima θ insesgadamente y aquí da 2.

  3. Distinguir

    El valor corregido 2 no es el máximo de L, y cuadrarlo no es el MLE 2,25 de θ².

Resultado

Construcción de la regla y propiedades de riesgo son cuestiones distintas.

Lo comprobamos

No se cambia el nombre del método solo porque una transformación parezca intuitivamente mejor.

7. El método de momentos iguala promedios teóricos y observados

Para k parámetros, se buscan k momentos que identifiquen el modelo y se igualan Eθ(Xʲ) a los promedios muestrales de xʲ. Hay que comprobar existencia de esos momentos, soluciones y dominio. Una ecuación puede tener varias soluciones o ninguna admisible.

Coincidir con máxima verosimilitud en una familia no hace equivalentes ambos métodos. Los momentos resumen la ley, mientras la verosimilitud compara su conjunta en los datos. En un soporte variable, una solución de momentos puede incluso asignar densidad cero a un dato observado.

Uniforme: dos métodos no tienen por qué coincidir

Datos 0;0,1;3 de uniformes [0, θ].

  1. Momento teórico

    EX=θ/2.
  2. Igualar

    La media observada es 31/30; θ̂mom=2·31/30=31/15.
  3. Comparar

    El máximo observado es 3;31/15<3, aunque es positivo y pertenece a Θ.
Resultado

El estimador de momentos difiere del MLE y aquí deja el dato 3 fuera de su soporte ajustado.

Lo comprobamos

Eso no cambia su definición como método de momentos, pero obliga a revisar cómo se comporta el ajuste.

Poisson: la coincidencia sí se puede demostrar

Conteos independientes 0,1,1,2 de una Poisson(λ).

  1. Momentos

    EX=λ, así λ̂mom=media=1.
  2. Verosimilitud

    Retirar factoriales constantes deja ℓ=4lnλ−4λ+constante.
  3. Máximo

    ℓ′=4/λ−4=0 da λ̂=1, con segunda derivada negativa.
Resultado

En esta muestra ambos métodos dan 1.

Lo comprobamos

La coincidencia salió de dos cálculos dentro de la misma familia, no de una regla general.

8. Mínimos cuadrados coincide con MLE solo bajo ciertos errores

Con xi=μ+εi y errores normales independientes de varianza común conocida σ², ℓ es una constante menos Σ(xi−μ)²/(2σ²). Maximizar equivale a minimizar cuadrados, y el centro óptimo es x̄.

Con varianzas conocidas distintas aparecen pesos inversos de varianza. Otras leyes de error cambian la pérdida; con dependencia cambia la conjunta. Mínimos cuadrados también puede elegirse como criterio propio, sin afirmar que sea siempre máxima verosimilitud.

Derivar la media como mínimo cuadrático

Datos 1,2,9 y varianza normal común conocida.

  1. Objetivo

    Q(μ)=(1−μ)²+(2−μ)²+(9−μ)².
  2. Derivada

    Q′=2(3μ−12), así μ=4.
  3. Mínimo

    Q″=6>0; el mínimo global es la media 4.
Resultado

μ̂=4 bajo este modelo normal.

Lo comprobamos

La concavidad de ℓ equivale aquí a convexidad estricta de Q.

Pesar por precisión cambia el centro

Observaciones normales independientes 0 y 10, con varianzas conocidas 1 y 9.

  1. Criterio

    Q(μ)=(0−μ)²+(10−μ)²/9.
  2. Resolver

    μ/1+(μ−10)/9=0, así 10μ=10.
  3. Resultado

    μ̂=1, en vez del promedio sin ponderar 5.
Resultado

La observación de menor varianza recibe más peso.

Lo comprobamos

Los pesos son inversos de varianza, no inversos de desviación típica.

Otra ley produce otra pérdida

Datos 1,2,9; errores Laplace independientes de escala conocida b.

  1. Log-verosimilitud

    Es constante menos [|1−μ|+|2−μ|+|9−μ|]/b.

  2. Minimizar

    La suma de valores absolutos se minimiza en la mediana 2.

  3. Comparar

    El MLE cambia de la media 4 normal a la mediana 2 Laplace.

Resultado

Máxima verosimilitud no impone cuadrados para cualquier error.

Lo comprobamos

Se cambió el modelo de errores, por eso cambió la función a optimizar.

9. Curvatura y normalidad asintótica necesitan regularidad y un máximo adecuado

En un modelo regular identificable, con parámetro verdadero interior, soporte apropiado, derivación bajo la integral y controles que aseguren consistencia, la información de Fisher por dato es I(θ)=Eθ[(∂θln fθ(X))²]. Bajo las condiciones adicionales usuales del score y la Hessiana,√n(θ̂−θ) tiene límite N(0,1/I(θ)).

No se promete ese resultado por haber encontrado cualquier raíz. Hay que justificar el máximo y las hipótesis. Soportes dependientes del parámetro pueden generar otras escalas y otras leyes límite; la uniforme es un ejemplo donde la restricción del soporte cambia el análisis.

La curvatura normal recupera una varianza que ya conocemos

Xi normales iid de media μ y varianza conocida σ²>0.

  1. Score por dato

    (Xi−μ)/σ² tiene media cero y varianza 1/σ², así I=1/σ².
  2. Curvatura total

    La segunda derivada de ℓ es −n/σ².

  3. MLE

    μ̂=X̄ y su varianza exacta es σ²/n=1/(nI).
Resultado

En este modelo la ley normal de la media es exacta, no solo asintótica.

Lo comprobamos

El ejemplo comprueba la relación con la información, sin eliminar sus condiciones en otros modelos.

El extremo uniforme tiene otra escala y otro límite

M máximo de n uniformes en [0, θ]; mira Vn=n(θ−M)/θ.

  1. Supervivencia

    Para 0≤t≤n, P(Vn>t)=P(M<θ(1−t/n))=(1−t/n)ⁿ.
  2. Límite

    Para cada t≥0 fijo, al crecer n la expresión tiende a e^(−t).

  3. Interpretar

    Vn converge a una exponencial de tasa uno: escala n, y no la normalidad centrada de escala √n.

Resultado

No se aplica sin revisión una fórmula normal regular a este MLE de soporte variable.

Lo comprobamos

La distribución del máximo permite derivar su comportamiento directamente y comprobar el límite.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Bernoulli

En diez ensayos Bernoulli hay siete éxitos. Halla el MLE de p.

  1. Modelo

    Diez ensayos Bernoulli independientes con siete éxitos; Θ=[0,1].

  2. Verosimilitud

    L es proporcional a p⁷(1−p)³.

  3. Logaritmo y score

    ℓ′=7/p−3/(1−p).
  4. Resolver

    7(1−p)=3p, así p=7/10=0,7.
  5. Máximo

    ℓ″=−7/p²−3/(1−p)²<0 y los dos extremos dan L=0.
  6. Conclusión

    p̂=0,7 es el máximo global; no se obtuvo solo una raíz sin comprobar.

Resultado

p̂=0,7.

Lo comprobamos

Coincide con la proporción siete de diez. El razonamiento revisa concavidad y frontera, además de encontrar una raíz.

EJEMPLO RESUELTO 2

Uniforme con soporte variable

Xᵢ iid uniforme [0,θ], θ>0. Halla el MLE.

  1. Convención

    Densidad 1/θ en [0, θ] cerrado, θ>0, cero fuera.
  2. Mayor dato

    m=max Xi; los parámetros θ<m tienen L=0.
  3. Región permitida

    Para θ≥m y θ>0, L=θ^(−n).
  4. Monotonía

    La función disminuye al crecer θ, así si m>0 el máximo está en θ=m.

  5. Excepción

    Si todos los datos son cero, m=0 y L crece sin límite cuando θ→0+: no hay máximo admisible.

  6. Resultado

    θ̂=max Xi salvo esa muestra degenerada; se han revisado soporte y frontera.

Resultado

θ̂=max Xᵢ, salvo la muestra degenerada toda cero.

Lo comprobamos

Con el convenio de densidad del intervalo cerrado, θ=m incluye todos los datos. El máximo de una muestra positiva es admisible y cualquier θ mayor reduce L.

Los símbolos que hemos usado

θ∈Θ
Parámetro y espacio de valores admisibles del modelo.
L(θ;x)
Verosimilitud: masa o densidad conjunta de los datos x, vista como función de θ.
ℓ(θ)
Log-verosimilitud ln L en los valores donde L es positiva.
θ̂_ML
Estimador o estimación de máxima verosimilitud, según se use muestra aleatoria o datos observados.
Score
Derivada o gradiente de ℓ en un punto interior regular.
Método de momentos
Igualación de momentos teóricos con promedios de potencias observadas.
Residuos
Diferencias entre datos y valores predichos en un modelo de ajuste.

Ahora te toca a ti.

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

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