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方法Method

控制变量估计

Control variate estimator · 控制变元估计

利用已知期望的相关量消去模拟波动,推导固定系数最优性,并区分同样本拟合、独立先导和交叉拟合的误差。

形式陈述 ​

设一次模拟返回实数对 (Y,Z),目标为 μ=EY,而控制量的期望 m=EZ 已精确知道。假定 E(Y2+Z2)<∞,vZ=Var(Z)>0。从同一联合分布独立产生 n 对 (Yi,Zi);每对内部应保留相关性。对预先固定的系数 b,Monte Carlo 均值改写为

μ^b=Y¯−b(Z¯−m)=1n∑i=1n{Yi−b(Zi−m)}.

每项的期望仍为 μ,所以固定 b 不论是否最优都保持无偏。用协方差展开并配方,得到

nVar(μ^b)=vY−2bCov(Y,Z)+b2vZ=vY−Cov(Y,Z)2vZ+vZ(b−b∗)2,b∗=Cov(Y,Z)vZ.

这既证明最优系数,也量出用错系数的额外损失。若 vY>0,最小方差为 vY(1−ρ2)/n。相关系数的正负只决定 b∗ 的符号;并非只有正相关控制量可用。vZ=0 时,Z=m 几乎必然,控制项恒零,应删除该量而不除以零。

随机系数需要重新证明 ​

如果 b 来自另一批独立先导样本,记作 b^0,则冻结先导数据后,主样本仍是 IID,

E(μ^b^0∣b^0)=μ,Var(μ^b^0∣b^0)=vY−2b^0Cov(Y,Z)+b^02vZn.

只要上述估计量可积,条件无偏推出无偏;若 Eb^02<∞,全方差公式进一步给出

Var(μ^b^0)=vY−Cov(Y,Z)2/vZ+vZE(b^0−b∗)2n.

先导误差并非消失了,而是变成残差方差中的可计算代价。冻结系数后,主样本残差的样本方差除以 n 无偏估计条件方差;不能把先导样本也当成使用固定系数的独立主样本直接塞回去。

若同一批数据拟合

b^=∑i(Zi−Z¯)(Yi−Y¯)∑i(Zi−Z¯)2,

则 b^ 与 Z¯ 一般相关,有限样本无偏性不再跟随固定系数公式。分母为零时应采用预先约定的回退,如取 b^=0 并报告本次未拟合;当 vZ>0 时,该事件概率随 n 增大趋零。

同样本拟合仍有清楚的一阶理论。有限二阶矩使 YZ 可积,大数律给出 b^→Pb∗。精确恒等式

μ^b^−μ=(μ^b∗−μ)−(b^−b∗)(Z¯−m)

中,Z¯−m=OP(n−1/2),所以第二项为 oP(n−1/2)。对固定残差 Y−b∗(Z−m) 用中心极限定理,再用Slutsky 定理,便得到相同的一阶正态极限。这里不需要把 b^ 强行假定为无偏,也不需要假定其误差为根号样本量阶。

当最优残差方差严格为正时,可用调整后值 Ri=Yi−b^(Zi−m) 的样本方差除以 n 作渐近方差估计。展开 Ri 的经验二阶矩,并利用 b^→Pb∗ 与 Y2,Z2,YZ 的大数律,即得一致性;这不是有限样本无偏方差公式。若残差方差为零,普通非退化正态区间不适用,需要单独看估计量的实际代数结构。

直觉

已知 EZ=m 意味着 Z¯−m 只是这一轮模拟偏离其基线的随机波动。若 Y 常随 Z 同向变化,就从 Y¯ 扣掉相应的偏高部分;若两者反向变化,最优系数自动改成负数。最终保留下来的是 Y 中无法由 Z 的线性波动解释的部分。

控制量必须拥有真的已知期望。若用 m+δ 代替 m,固定系数估计量的偏差变成 bδ。即使主样本无限增加,这一偏差也不会被平均掉。若 m 本身由另一个实验估计,就应把那个实验的误差、协方差和成本写进账本。

例子与边界

对二次积分,逐项算出十六倍改善 ​

令 U∼Uniform(0,1),Y=U2,Z=U,m=1/2,目标为 1/3。所有矩都可由 EUk=1/(k+1) 重算:

vY=445,vZ=112,Cov(U2,U)=14−13⋅12=112.

因此 b∗=1,调整后单次值是 R=U2−U+1/2,其方差为

445−112=1180.

在相同的 N 次 U2 求值预算下,原均值方差为 4/(45N),控制变量均值方差为 1/(180N),恰好减少16倍,标准误减少4倍。这里求值前已经有 U,额外控制量没有另一笔昂贵函数调用;若控制函数本身昂贵,必须重新比较总成本。

取四个输入 U=(1/10,2/5,7/10,9/10)。原四项平方为 (1,16,49,81)/100,平均 147/400;调整后四项为 (41,26,29,41)/100,平均 137/400。这一次距离 1/3 更近只是一个算术检查。十六倍结论来自上面的分布方差,不能由单轮结果推断。

两个点拟合恰好,却产生可算的偏差 ​

仍用 Y=U2,Z=U,但只有两个 IID 输入 U1,U2,并用同样本含截距回归拟合斜率。除概率为零的相等事件外,

b^=U1+U2,μ^b^=U1+U22−U1U2.

于是 Eμ^=1/2−1/4=1/4,与目标 1/3 相差 −1/12。两点回归的训练残差均为零,但估计量仍随机且有偏。把训练残差的零值解释成“积分已精确求出”,同时犯了数据复用和自由度两种错误。

若改用独立的两个先导点拟合,b^0=U1(0)+U2(0) 满足 E(b^0−1)2=1/6。再用 n 个全新主样本,估计仍无偏,而其方差为

1n(1180+112⋅16)=7360n.

总共消耗 n+2 次目标求值。与总预算 N=n+2 的普通均值比较,应使用 7/[360(N−2)],而非偷用 1/(180N) 的已知最优系数结果。先导很小也能有收益,但最优系数的不确定性和先导成本都是真实的。

系数选错,已知期望也不能保证改善 ​

同一例若固定 b=3,残差方差为 1/180+4/12=61/180,大于原来的 16/180。配方还给出准确改善区间:|b−1|<1,即 0<b<2 时严格改善;两个端点与原方差相同。存在一个好控制量,不等于任意控制强度都好。

推论与应用

交叉拟合可以回收样本,但不创造各折独立 ​

沿用交叉拟合的训练与评价隔离协议,事先把 n 个索引分成固定的 K≥2 个非空折 Ik。在 Ik 之外估计 b^−k,然后只在该折计算

μ^CF=∑k=1Knkn[Y¯k−b^−k(Z¯k−m)].

冻结该折训练数据后,b^−k 固定,而留出样本仍独立于它。因此在各项可积时,每折期望为 μ,加权后有限样本无偏。这一论证适用于已知 m 的线性控制项;并不是所有带交叉拟合的估计量都有限样本无偏。

两个折的估计值通常不独立,因为一折数据也参与另一折系数训练。不能把每折条件方差相加并宣布获得精确总方差。固定 K、nk/n 有正极限且每个 b^−k→Pb∗ 时,逐折误差是 oP(1)OP(nk−1/2);有限求和后与固定 b∗ 全样本估计量之差为 oP(n−1/2)。这才提供相应的一阶方差依据。

执行与成本 ​

运行前确定控制量期望的来源、系数协议、先导大小或折索引,以及总目标函数调用预算。固定系数或独立先导后,对主样本逐对生成 (Yi,Zi),更新调整值的均值与平方差;在线存储为 O(1),总累加为 O(n)。标量拟合也只需均值、方差、协方差的累加;交叉拟合可用总和减各折和构造训练矩,固定折数下为 O(n+K) 累加,但通用学习型控制量的训练成本应另计。

以固定预算结束最容易解释。若按估计标准误停止,沿用 Monte Carlo 页的顺序覆盖警告;达到最大预算但未达精度应报告未达标。非有限函数值、错误的控制期望或病态拟合不能靠静默删行处理。对有限方差或可积性尚无依据的方案,不应先打印一个很小的数字就把它称为可信 MCSE。

两个自测可检查数据角色。其一,若 Y=2Z+7 且 EZ=m 已知,固定 b=2 后每项都等于 2m+7,所以方差为零。其二,若 m 被误填为 m+0.01,同一程序恒返回 2m+7.02:增加模拟次数不能减少 0.02 的系统偏差。

参考资料
关系图谱18 个相邻概念 · 2 类关系

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