Maximum Likelihood Estimation
โํ๋ฅ ๊ณผ ํต๊ณ(MATH230)โ ์์ ์์ ๋ฐฐ์ด ๊ฒ๊ณผ ๊ณต๋ถํ ๊ฒ์ ์ ๋ฆฌํ ํฌ์คํธ์ ๋๋ค. ์ ์ฒด ํฌ์คํธ๋ Probability and Statistics์์ ํ์ธํ์ค ์ ์์ต๋๋ค ๐ฒ
Introduction
<MLE; Maximum Likelihood Estimation>์ ์ง๊ธ๊น์ง์ ์ ๊ทผ๋ฒ๊ณผ๋ ์ฌ๋ญ ๋ค๋ฅธ ์ ๊ทผ ๋ฐฉ์์ด๋ค. <MLE>๋ statistical inference๋ฅผ ์ํํ๋ ๋ง์ ์ ๊ทผ๋ฒ ์ค ํ๋๋ก, statistical approach์ ์๋ก์ด ์ฒ ํ๊ณผ ์์ผ๋ฅผ ์ ๊ณตํ๋ค ๐
Example.
ํ๋ฅ $p$๋ฅผ ์ ํํ ์์ง ๋ชปํ๋ p-coin์ 10๋ฒ ๋์ง๋ค๊ณ ํ์. 10๋ฒ์ ๊ฒฐ๊ณผ๋ ์๋์ ๊ฐ๋ค.
์์์ ๋ฐฐ์ด <proportion estimation>์ ๋ฐฉ๋ฒ์ผ๋ก ์ ๊ทผํ๋ฉด, $p$๋ Point Estimator $\hat{p} = 6/10$์ผ๋ก ์ถ์ ๋๋ค.
์ด๋ฒ์๋ <MLE>์ ๋ฐฉ์์ผ๋ก ์ ๊ทผํด๋ณด์! ๋จผ์ 10์ ๋์ ๋์ง๊ธฐ๊ฐ ์์ ๊ฐ์ด ๋์ฌ ํ๋ฅ ์ ์๋์ ๊ฐ๋ค.
\[P(H, H, T, \dots, H, T) = p^6 q^4\]์์ ์์ ๋ค์ ์ฐ๋ฉด, $L(p) = p^6 (1-p)^4$๋ก, ๋์ ์ ํ๋ฅ ์ด $p$์ผ ๋ โH H โฆ H Tโ์ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ์ป์ ํ๋ฅ ์ ์๋ฏธํ๋ค.
์ด์ , ์ด ํจ์ $L(p)$๋ฅผ maximize ํ๋ $p$๋ฅผ ๊ตฌํด๋ณด์. ๋ฐฉ๋ฒ์ ๊ฐ๋จํ๋ค. ๊ทธ๋ฅ $p$์ ๋ํด ๋ฏธ๋ถ๋ฐฉ์ ์์ ํ๋ฉด ๋๋ค. ์ด๋, ๊ณ์ฐ์ ํธ์๋ฅผ ์ํด $\log$๋ฅผ ๋จผ์ ์ทจํด์ฃผ์.
\[\ell(p) = \log (L(p)) = 6 \log p + 4 \log (1-p)\] \[\frac{d\ell(p)}{dp} = \frac{6}{p} - \frac{4}{1-p} = 0 \quad \rightarrow \quad p = 6/10\]์ฆ, $p=6/10$์ด โH H โฆ H Tโ๋ผ๋ ๊ฒฐ๊ณผ๊ฐ ๋์ฌ ํ๋ฅ ์ Maximizeํ๋ ํ๋ฅ ์ด๋ผ๋ ๋ง์ด๋ค!
์ด์ <MLE>๋ฅผ ์ํ์ ์ผ๋ก ์ ๋ฆฌํด ๋ค์ ์ดํด๋ณด์!
MLE; Maximum Likelihood Estimation
Theorem. MLE for Bernoulli case
Let $X_1, \dots, X_n$ be a $\text{Ber}(p)$ Random Samples, with iid.
Then, the likelihood function $L(p; x_1, \dots, x_n)$ would be
\[\begin{aligned} L(p;\, x_1, \dots, x_n) &= f(x_1;\, p) \cdots f(x_n;\, p) \\ &= p^{x_1} (1-p)^{1-x_1} \cdots p^{x_n} (1-p)^{1-x_n} \\ &= p^{\sum x_i} (1-p)^{n - \sum x_i} \end{aligned}\]Take log on it!
\[\begin{aligned} \ell(p) = \sum x_i \cdot \log p + (n - \sum x_i) \cdot \log (1-p) \end{aligned}\]Take derivative for $p$!
\[\frac{d\ell(p)}{dp} = \frac{\sum x_i}{p} - \frac{n-\sum x_i}{1-p} = 0\]when solve the equation, then
\[p = \frac{\sum x_i}{n} = \bar{x}\]Theorem. MLE for Normal case
Let $X_1, \dots, X_n$ be a $N(\mu, 1)$ Random Samples, with iid.
Find the MLE of $\mu$!
\[\begin{aligned} L(\mu; \, x_1, \dots, x_n) &= f(x_1; \, \mu) \cdots f(x_n; \, \mu) \\ &= \left( \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\right)^n \exp \left( - \sum \, (x_i - \mu)^2 / \, 2 \right) \end{aligned}\]Take log on it!
\[\ell(\mu; \, \cdots) = n \cdot \log \left( \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\right) - \frac{\sum \, (x_i - \mu)^2}{2}\]Take derivative for $\mu$!
\[\frac{d\ell}{d\mu} = \sum (x_i - \mu) = 0\]when solve the equation, then
\[\mu = \bar{x}\]์ด์ ๋ค์ ํฌ์คํธ๋ถํฐ ํต๊ณํ์ ๊ฝ๐น์ด๋ผ๊ณ ํ ์ ์๋ <๊ฐ์ค ๊ฒ์ ; Hypothesis Tests>์ ๋ํด ๋ค๋ฃฌ๋ค!! ๐ ์ฐ๋ฆฌ๊ฐ ์ง๊ธ๊น์ง ์ํํ โ์ถ์ (Estimation)โ์ ํ์ฉํด ์์ฌ๊ฒฐ์ ์ ๋ด๋ฆฌ๋ ๊ฒ์ด ๋ฐ๋ก <Hypothesis Test>๋ค!