形式陈述
最大一处偏差之外,能否把各处持续的小偏差也积累起来?Cramér–von Mises 检验考虑 个实值独立同分布样本公理库独立同分布样本IID sample · Independent and identically distributed sample以乘积分布描述来自同一总体的独立重复观测。 ,对事先完全指定的连续分布 检验 。记经验分布函数公理库经验测度Empirical measure · Empirical distribution把有限观测的重复频数编码为原子概率测度。为 ,统计量为
这里的积分公理库Lebesgue 积分Lebesgue integral从简单函数积分出发,按单调逼近定义非负、扩展值与可积函数的积分。按概率测度 加权,不是无权的 积分。 大时拒绝原假设,临界值依据它在 下的分布确定;这构成一个拟合优度检验公理库统计假设检验Statistical hypothesis test · Test function在零假设与备择假设之间作出随机化决定,并对零假设下拒绝概率实施一致控制。。
令 ,其中 为排序后的观测公理库顺序统计量Order statistic有限样本按键排序后第 k 个位置的值,保留重复出现的次数。。连续原假设下有精确公式
有的资料把未乘 的积分记为 ,有的把本页统计量记为 。比较数值或临界表之前应先检查归一化。
直觉
把横轴变成 ,参考分布就是对角线,样本变成概率坐标上的点。统计量把整条阶梯相对对角线的垂直误差先平方,再沿整个概率区间累积。
平方防止正负误差互相抵消,也让较大的缝隙更受重视。与只保留最宽缝隙的 KS 检验公理库Kolmogorov–Smirnov 检验Kolmogorov-Smirnov test · KS test以经验分布和预先指定连续分布之间的最大垂直距离检验拟合,并区分精确均匀校准、有限样本保证与 Brownian 桥近似。相比,Cramér–von Mises 还会对一大片区域里同向、持续的偏差作出反应。两者没有一个对所有备择分布都更好。
有序值公式中的 是第 个等概率小格的中点。每个 偏离这个中点的程度,合起来正好等于整条曲线的平方积分,再加上不可消去的阶梯误差 。
例子与边界
同一组五个均匀概率坐标
取 。五个小格中点为 ,差值为
平方和是 ,所以
这是统计量,不是 值。必须与五个独立均匀点产生的同一统计量的原假设分布比较,才能判断它是否异常。
两种距离会给出相反排序
比较两组概率坐标
只有最后一点明显偏离格子中心, 的每一点都向右偏移 。直接计算,
但
因此“哪个样本更不吻合”依赖所选距离强调什么,不能只看一个最大偏差就推断所有拟合优度统计量的排序。
完全指定与拟合后检验
若 的参数使用同一批样本估计,公式仍能算出某个距离,但标准的分布无关校准不再自动适用。模拟校准必须包含同样的估计步骤。若总体离散,概率坐标也不再均匀,且并列点结构影响原假设分布。
此外,按 积分意味着极端尾部的一小段概率质量只占很小权重。它不是专门强调尾部相对误差的统计量;若科学问题只关注罕见尾部,应在分析前选择相应统计量和校准方式,而不是看过结果后挑最显著的一种。
推论与应用
从阶梯积分推导有序值公式
在均匀概率坐标上令 ,经验分布 位于区间 。于是
将平方展开,积分 的部分为 ,其余两项逐段相消,得到
因此
对每个 完成平方,再用
即得所述公式。若所有 恰为格子中点,统计量仍有 ;有限阶梯无法处处等于连续对角线。
精确均值与桥极限
原假设下,固定 时 是参数 的二项计数。平方误差非负且对样本与 联合可测,由Tonelli 定理公理库Tonelli 定理Tonelli's theorem非负可测函数的二重积分与两种迭代积分相等,允许共同取无穷。交换期望与积分,得到
这一均值对每个 都精确成立,不是渐近公式。它也提醒我们:前面例子的 很小,但不能由“比均值小”反推出精确 值。
KS 页利用指数间距与随机游走证明了经验过程的连续桥近似。对同一近似应用平方积分这一连续泛函,得到
其中 为标准 Brownian 桥公理库Brownian 桥Brownian bridge · Pinned Brownian motion将 Brownian 运动的终点钉住后,剩余波动是协方差为 min(s,t)−st/T 的连续 Gaussian 桥。。若连续函数一致收敛,则它们一致有界,平方积分之差由最大差乘以两者最大绝对值之和控制,所以这里取极限合法。极限记录整条桥的平方能量,不是单个正态变量的平方,也不能随手指定一个有限卡方自由度。
怎样做有限样本校准
因为原假设的 是均匀样本的有序值,精确分布只依赖 。可使用该有限样本分布的数值算法,也可预先规定模拟程序生成均匀样本、每次重新排序并计算同一统计量。实际报告应说明采用精确数值分布、有限模拟还是大样本极限;三者的误差来源不同。
参考资料