“有限样本替换崩溃点精确区分最少失败比例与最大可承受比例,证明奇偶中位数、上下中位数和截尾均值的门槛;它还用同一个方差切换泛函展示有界局部影响仍可伴随 1/n 的替换崩溃点。”
形式陈述
固定有限样本
以及最大位移
本页采用“造成无界位移所需的最少替换比例”约定:
若没有这样的
文献也会报告“仍保证有界的最大替换比例”。若最少失败个数为
直觉
影响函数问:固定一个污染位置,只掺入无穷小比例时,答案怎样移动?崩溃点问:允许修改有限个观测,并把修改值送得任意远,答案能否逃出所有有界区间?这里先固定污染数量,再对污染值取最坏上确界,量词次序与局部导数不同。
高崩溃点只排除无界失控。它不保证小偏差、低方差或有效区间;答案被困在一个很宽但有限的范围内,仍可能没有实际精度。
例子与边界
均值只需一个替换
样本均值
一般次序统计量先分清左右方向
令
同理,趋于负无穷至少需要
证明只用顺序和仍保留多少个有限观测,不要求原始数据互不相同。
奇数与偶数中位数
例如五点样本的最少失败比例是
若偶数中位数只取下中位数
截尾均值的门槛
对整数
五点样本修剪两端各一项,最少两次替换就失效,门槛
有界局部影响仍可伴随很低崩溃点
构造一个只用于辨析的固定规则:令经验方差为
但对任意固定的
推论与应用
计算崩溃点需要两半证明:少于门槛时,无论怎么替换都保持有界;达到门槛时,给出一列确实使输出无界的替换。只展示一次成功污染得到上界,不能证明它是最少数量。
本页限于实值位置估计和绝对距离。尺度可能因趋零而崩溃,协方差可能因特征值趋零或趋无穷而崩溃,回归还要声明能否同时改写协变量与响应;不能把本页中位数门槛原样移到这些不同的参数空间。
自测与答案
- 对六点数据,用上中位数
,向正无穷与向负无穷各需几次替换?答案:分别3次与4次;绝对位移的崩溃点为 。 - 五点中位数只替换两项,能否保证它仍接近原中位数?答案:只能保证仍位于原始最小值与最大值之间,不能保证距离小。如果原始范围很宽,这个有限界也可以很差。
参考资料
- Werner A. Stahel,Robust Statistics: Partial Overview, General Principles,2012,§6.1,页内编号96–100(PDF第97–101页):最大偏差、崩溃与有限样本替换。课件采用最大可承受比例,本页明确采用最少失败比例并给出两者换算。
- David L. Donoho 与 Peter J. Huber,The Notion of Breakdown Point,1983,收录于 A Festschrift for Erich L. Lehmann,pp.157–184:替换崩溃点的原始框架。本页的奇偶公式、截尾均值和切换规则反例已逐项证明。