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统计学 > 方法论

arXiv:2510.19960 (stat)
[提交于 2025年10月22日 ]

标题: 核密度估计与卷积再审视

标题: Kernel Density Estimation and Convolution Revisited

Authors:Nicholas Tenkorang, Kwesi Appau Ohene-Obeng, Xiaogang Su
摘要: 核密度估计(KDE)是非参数统计学的基石,但其仍然对带宽选择、边界偏差和计算效率敏感。 本研究通过一种系统的卷积框架重新审视KDE,提供了一个直观的基于模型的推导,该方法自然地扩展到约束域,例如正值随机变量。 基于这一观点,我们引入了SHIDE(用于密度估计的模拟与直方图插值),这是一种新颖且计算高效的密度估计器,通过向观测值添加有界噪声生成伪数据,并对生成的直方图应用样条插值。 噪声是从一类有界多项式核密度中采样的,这些核密度通过均匀分布的卷积构造而成,其自然的带宽参数由核的支持边界定义。 我们建立了SHIDE的理论性质,包括逐点一致性、偏差-方差分解和渐近MISE,表明SHIDE达到了经典的$n^{-4/5}$收敛速度,同时减轻了边界偏差。 开发了两种数据驱动的带宽选择方法,一种是AMISE最优规则,另一种是基于百分位数的替代方法,证明它们在渐近意义上是等价的。 大量模拟表明,SHIDE在广泛模型中的表现与KDE相当或更优,特别是在有界和重尾分布方面具有明显优势。 这些结果突显了SHIDE作为一种理论上有依据且实际稳健的传统KDE替代方法。
摘要: Kernel Density Estimation (KDE) is a cornerstone of nonparametric statistics, yet it remains sensitive to bandwidth choice, boundary bias, and computational inefficiency. This study revisits KDE through a principled convolutional framework, providing an intuitive model-based derivation that naturally extends to constrained domains, such as positive-valued random variables. Building on this perspective, we introduce SHIDE (Simulation and Histogram Interpolation for Density Estimation), a novel and computationally efficient density estimator that generates pseudo-data by adding bounded noise to observations and applies spline interpolation to the resulting histogram. The noise is sampled from a class of bounded polynomial kernel densities, constructed through convolutions of uniform distributions, with a natural bandwidth parameter defined by the kernel's support bound. We establish the theoretical properties of SHIDE, including pointwise consistency, bias-variance decomposition, and asymptotic MISE, showing that SHIDE attains the classical $n^{-4/5}$ convergence rate while mitigating boundary bias. Two data-driven bandwidth selection methods are developed, an AMISE-optimal rule and a percentile-based alternative, which are shown to be asymptotically equivalent. Extensive simulations demonstrate that SHIDE performs comparably to or surpasses KDE across a broad range of models, with particular advantages for bounded and heavy-tailed distributions. These results highlight SHIDE as a theoretically grounded and practically robust alternative to traditional KDE.
评论: 22页,2图,加上一个8页的附录
主题: 方法论 (stat.ME) ; 统计理论 (math.ST)
MSC 类: 62G07, 62G20, 65D07
ACM 类: G.3
引用方式: arXiv:2510.19960 [stat.ME]
  (或者 arXiv:2510.19960v1 [stat.ME] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2510.19960
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来自: Xiaogang Su [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2025 年 10 月 22 日 18:40:24 UTC (333 KB)
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