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算法Algorithm

调查重复权重方差估计

Replicate weights · Survey replication variance

让替代权重重现复杂抽样的随机结构,完整重算估计并按方案规定汇总方差。

形式陈述 ​

复杂抽样的估计量是比率、分位数或回归系数,方差推导很难时怎么办?复制法根据原设计生成一组替代权重,每组权重完整重算一次估计,用重复结果的变动估计设计方差。

设原估计为 θ^,第 r 份复制权重为 wi(r),重算结果为 θ^(r)。常见表达为

V^rep=c∑r=1Rcr(θ^(r)−θ∗)2.

c,cr 和中心 θ∗ 由复制方案规定。中心可为原估计,也可为复制均值;两者不是任意替换。输入除了数据和复制权重,还必须包括这些缩放规则。

直觉

设计若先抽学校,就应让一个学校的学生一起增减权重;设计若在层内独立抽取,就应在相应层内变化。复制法像重复摇动原设计的随机开关,观察最终估计跟着变动多少。

这解释了为什么普通“逐行 bootstrap”不适合所有调查:它以个人记录为单位有放回重抽,可能把真实的整群结构拆散;固定重抽次数下,各行的出现次数也并不独立。复制权重保存的正是应共同变化或相互制约的关系。

例子与边界

删除一个主抽样单位的计算 ​

先取无分层、三个独立同分布、同权主抽样单位的简化例子,单位结果为 10,20,30,均值估计为 20。删除一个单位、将其余权重乘 3/2 后,三个复制均值分别为 25,20,15。

普通delete-one jackknife 的缩放为 (R−1)/R=2/3,所以

V^J=23{(25−20)2+(20−20)2+(15−20)2}=1003.

它恰等于三个独立观测的样本方差 100 除以三。若每个数其实是一个学校的均值,复制时就应删除整所学校,而不是删除一个学生。

三类设计需要不同复制结构 ​

分层 jackknife 通常在一层内删掉一个主抽样单位,并调整该层其余单位的权重。平衡半样本 BRR 经典形式要求每层有两个主抽样单位,每份复制选一个并加倍,按平衡的符号模式组合。调查 bootstrap 则根据阶段、放回近似和有限总体比例设计重抽或重加权规则。

这些方案的共同点是保留设计,缩放常数却各自不同。Fay 型 BRR 只部分扰动权重,还要相应调整方差因子。面对发布机构给出的复制权重,应沿用该机构说明,完整记录方法、尺度、自由度和中心约定。

推论与应用

算法流程是:先算原估计;逐份替换权重并重跑相同分析;按规定中心和尺度汇总平方偏差。若一次分析成本为 C,R 份复制约需 O(RC),通常可以并行;只有数据不变、随机权重改变。

如果原分析含非应答调整或校准,复制中也应按设计要求重做这些步骤。把最终权重直接乘一个简单因子,有时会遗漏权重估计本身的变化。

孤立层仅有一个主抽样单位时,层内方差信息不足,需要明确合并层、模型或其他处理。重复计算本身不会补出未观察到的设计变异。

参考资料
关系图谱12 个相邻概念 · 2 类关系

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