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定义Definition

两相抽样

Two-phase sampling · Double sampling · 双重抽样

用逐相条件期望推导两相权重,并把第一相与第二相的不确定性分别保留下来。

形式陈述 ​

便宜的辅助变量可以测很多人,昂贵的结果只能测少数人,怎样让两次选择都进入推断?两相抽样先从总体抽 S1,再从已抽到的人中选 S2⊆S1。第一相观察辅助变量,第二相补充结果变量。

记第一相纳入概率为 π1i>0。对每份具有正设计概率的第一相样本 S1 及其中的单位 i∈S1,要求第二相条件纳入概率 π2i∣S1>0;不在 S1 中的单位不可能进入 S2。一个两相加权总量是

t^=∑i∈S2yiπ1iπ2i∣S1.

条件于 S1,对第二相设计取期望,得到 ∑i∈S1yi/π1i;再对第一相取期望,得到 ty。这是迭代期望的直接应用。

注意 π1iπ2i∣S1 可依赖实际 S1,不应一律称为固定的边缘纳入概率。该估计的无偏性来自逐相条件化;只有条件概率不随其他第一相结果变化等适当情形,简单乘积才直接给出固定边缘概率。

直觉

第一相决定观察到怎样的人群,第二相在这个人群里进一步决定谁接受昂贵测量。第二相的加权先把昂贵结果推回第一相,第一相的权重再把结果推回总体。每一次推回,都对应一次真实随机选择。

“两相”与“两阶段整群”侧重点不同。两相通常是在同一层次对象上补测更多变量;两阶段通常先抽学校、再抽学生。它们可以同时出现在一个设计里,分析时按实际条件结构展开即可。

例子与边界

总体四人的固定结果为 (2,4,6,8)。第一相简单随机抽三人,π1i=3/4;第二相从这三人中等概率选一人,π2i∣S1=1/3。被测结果的权重是四,所以估计为 4yK。

假设第一相恰为 {1,2,4},第二相的三种估计为 8,16,32,条件均值为 56/3。这正等于第一相 HT 总量 (4/3)(2+4+8)。再跨第一相平均,结果为真总量 20。

总方差也能拆开:

V(t^)=V1{E2(t^∣S1)}+E1{V2(t^∣S1)}.

本例最终等价于全体四人中均匀抽一人,所以 V(4yK)=80。第一项是三人 HT 总量的方差 80/9;第二项因此为 640/9。若只按当前第一相样本计算第二相误差,会漏掉第一项。

若第二相优先补测第一相中风险较高的人,只要选择概率已知且为正,仍可按条件权重处理。没有随机选择规则的选择性补测,则需要额外的缺失机制假设,不能直接冒称为概率设计。

推论与应用

第一相辅助变量不仅用于决定第二相概率,还可用于回归或校准提高精度。此时校准目标可能是第一相估计出来的总体总量,方差仍应保留第一相的不确定性。

建立设计对象时,保留第一相未进入第二相的记录及两个阶段的概率信息。仅保存最终完整记录,会使两相结构难以恢复。

参考资料
  • svrep official vignette, Replication Methods for Two-phase Sampling, Sections 2–3,两相设计、条件方差和复制方法。
  • Cochran, Sampling Techniques, 3rd ed., Wiley, 1977, Chapter 12,double sampling。
关系图谱9 个相邻概念 · 2 类关系

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