特徵函數、穩定律與精細極限定理

愛奇沃斯展開(Edgeworth expansion)

/ EDJ-werth /

貝里—埃森告訴你標準化和離常態多遠;愛奇沃斯展開則逐項告訴你主要偏差長什麼樣,以 1/sqrt(n) 的冪展開。它是中央極限定理的系統性精煉,用被加項的偏度、峰度與更高累積量來修正常態近似。

設獨立同分布 X_i 均值 0、變異數 1,且有足夠多有限動差。S_n = (X_1 + ... + X_n)/sqrt(n) 的累積分布函數有展開 F_n(x) = Phi(x) + phi(x)[ -gamma_1 He_2(x)/(6 sqrt(n)) - (gamma_2 He_3(x)/24 + gamma_1^2 He_5(x)/72)/n + ... ],其中 Phi 與 phi 為標準常態累積分布函數與密度,He_k 為厄米多項式,gamma_1 為 X_1 的偏度(三階累積量)、gamma_2 為超額峰度(四階累積量)。此配方純為特徵函數微積分:把特徵函數的對數按累積量展開 log phi_{S_n}(t) = -t^2/2 + (i t)^3 gamma_1/(6 sqrt(n)) + ...,取指數,再逐項反傅立葉變換;厄米多項式之所以出現,是因為它們正是 (it)^k e^(-t^2/2) 的反變換。首項修正是 1/sqrt(n) 階的偏度項;對稱被加項時它消失,主要修正成為 1/n 階的峰度項(這正是對稱和看起來更快變常態的原因)。

愛奇沃斯展開在統計上對精確小樣本 p 值、信賴區間,以及作為自助法(bootstrap)二階準確性的理論依據都很重要。誠實的警語是:愛奇沃斯級數是漸近展開,並非收斂級數:對中等 n 加更多項可提升準確度,但全級數通常發散,且截斷近似在尾部甚至可能跑出有效累積分布函數的 [0,1] 範圍。它對非格點形式還需 X 的格點/克拉默光滑條件(克拉默條件 limsup |phi(t)| < 1 當 |t| -> infinity);格點變數另有經修正的展開。

對右偏變數之和(gamma_1 > 0,如指數變數),主要愛奇沃斯項 -gamma_1 He_2(x) phi(x)/(6 sqrt(n)) 移動機率質量,使和的分布相對於對稱常態呈偏斜——這解釋了為何在小 n 時純常態近似在上尾過於樂觀。

首項修正是 1/sqrt(n) 階的偏度項;對稱資料時它消失,留下 1/n 階的峰度項。

愛奇沃斯級數是漸近而非收斂的——截斷近似只在一定程度內隨項數增加而改善,且在尾部可能低於 0 或高於 1。

又称
Edgeworth serieshigher-order CLT correction