\documentclass[12pt,a4paper,pdftex]{exam} \usepackage[german]{babel} \usepackage{pslatex} \usepackage[mediumspace,mediumqspace,Gray]{SIunits} % \ohm, \micro \usepackage{xcolor} \usepackage{graphicx} \usepackage[breaklinks=true,bookmarks=true,bookmarksopen=true,pdfpagemode=UseNone,pdfstartview=FitH,colorlinks=true,citecolor=blue]{hyperref} %%%%% layout %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \usepackage[left=20mm,right=20mm,top=25mm,bottom=25mm]{geometry} \pagestyle{headandfoot} \ifprintanswers \newcommand{\stitle}{: Solutions} \else \newcommand{\stitle}{} \fi \header{{\bfseries\large Exercise 12\stitle}}{{\bfseries\large Maximum Likelihood}}{{\bfseries\large January 7th, 2019}} \firstpagefooter{Prof. Dr. Jan Benda}{Phone: 29 74573}{Email: jan.benda@uni-tuebingen.de} \runningfooter{}{\thepage}{} \setlength{\baselineskip}{15pt} \setlength{\parindent}{0.0cm} \setlength{\parskip}{0.3cm} \renewcommand{\baselinestretch}{1.15} %%%%% listings %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \usepackage{listings} \lstset{ language=Matlab, basicstyle=\ttfamily\footnotesize, numbers=left, numberstyle=\tiny, title=\lstname, showstringspaces=false, commentstyle=\itshape\color{darkgray}, breaklines=true, breakautoindent=true, columns=flexible, frame=single, xleftmargin=1em, xrightmargin=1em, aboveskip=10pt } %%%%% math stuff: %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \usepackage{amsmath} \usepackage{amssymb} \usepackage{bm} \usepackage{dsfont} \newcommand{\naZ}{\mathds{N}} \newcommand{\gaZ}{\mathds{Z}} \newcommand{\raZ}{\mathds{Q}} \newcommand{\reZ}{\mathds{R}} \newcommand{\reZp}{\mathds{R^+}} \newcommand{\reZpN}{\mathds{R^+_0}} \newcommand{\koZ}{\mathds{C}} %%%%% page breaks %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \newcommand{\continue}{\ifprintanswers% \else \vfill\hspace*{\fill}$\rightarrow$\newpage% \fi} \newcommand{\continuepage}{\ifprintanswers% \newpage \else \vfill\hspace*{\fill}$\rightarrow$\newpage% \fi} \newcommand{\newsolutionpage}{\ifprintanswers% \newpage% \else \fi} %%%%% new commands %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \newcommand{\qt}[1]{\textbf{#1}\\} \newcommand{\pref}[1]{(\ref{#1})} \newcommand{\extra}{--- Zusatzaufgabe ---\ \mbox{}} \newcommand{\code}[1]{\texttt{#1}} %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \begin{document} \input{instructions} \begin{questions} %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \question \qt{Maximum likelihood of the standard deviation} Let's compute the likelihood and the log-likelihood for the estimation of the standard deviation. \begin{parts} \part Draw $n=50$ normaly distributed random numbers with mean $\mu=3$ and standard deviation $\sigma=2$. \part Plot the likelihood (computed as the product of probabilities) and the log-likelihood (sum of the logarithms of the probabilities) using the standard deviation as the parameter we want to estimate from the data. Compare the position of the maxima with the standard deviation that you can compute from the data. \part Increase $n$ to 1000. What happens to the likelihood, what happens to the log-likelihood? Why? \end{parts} \begin{solution} \lstinputlisting{mlestd.m} \includegraphics[width=1\textwidth]{mlestd} \end{solution} %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \question \qt{Maximum-Likelihood-Sch\"atzer einer Ursprungsgeraden} In der Vorlesung haben wir folgende Formel f\"ur die Maximum-Likelihood Absch\"atzung der Steigung $\theta$ einer Ursprungsgeraden durch $n$ Datenpunkte $(x_i|y_i)$ mit Standardabweichung $\sigma_i$ hergeleitet: \[\theta = \frac{\sum_{i=1}^n \frac{x_iy_i}{\sigma_i^2}}{ \sum_{i=1}^n \frac{x_i^2}{\sigma_i^2}} \] \begin{parts} \part \label{mleslopefunc} Schreibe eine Funktion, die in einem $x$ und einem $y$ Vektor die Datenpaare \"uberreicht bekommt und die Steigung der Ursprungsgeraden, die die Likelihood maximiert, zur\"uckgibt ($\sigma=\text{const}$). \part Schreibe ein Skript, das Datenpaare erzeugt, die um eine Ursprungsgerade mit vorgegebener Steigung streuen. Berechne mit der Funktion aus \pref{mleslopefunc} die Steigung aus den Daten, vergleiche mit der wahren Steigung, und plotte die urspr\"ungliche sowie die gefittete Gerade zusammen mit den Daten. \part Ver\"andere die Anzahl der Datenpunkte, die Steigung, sowie die Streuung der Daten um die Gerade. \end{parts} \begin{solution} \lstinputlisting{mleslope.m} \lstinputlisting{mlepropfit.m} \includegraphics[width=1\textwidth]{mlepropfit} \end{solution} %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \question \qt{Maximum-Likelihood-Sch\"atzer einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion} Verschiedene Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen haben Parameter, die nicht so einfach wie der Mittelwert und die Standardabweichung einer Normalverteilung direkt aus den Daten berechnet werden k\"onnen. Solche Parameter m\"ussen dann aus den Daten mit der Maximum-Likelihood-Methode gefittet werden. Um dies zu veranschaulichen ziehen wir uns diesmal nicht normalverteilte Zufallszahlen, sondern Zufallszahlen aus der Gamma-Verteilung. \begin{parts} \part Finde heraus welche \code{matlab} Funktion die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (probability density function) der Gamma-Verteilung berechnet. \part Plotte mit Hilfe dieser Funktion die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Gamma-Verteilung f\"ur verschiedene Werte des (positiven) ``shape'' Parameters. Den ``scale'' Parameter setzen wir auf Eins. \part Finde heraus mit welcher Funktion Gammaverteilte Zufallszahlen in \code{matlab} gezogen werden k\"onnen. Erzeuge mit dieser Funktion 50 Zufallszahlen mit einem der oben geplotteten ``shape'' Parameter. \part Berechne und plotte ein normiertes Histogramm dieser Zufallszahlen. \part Finde heraus mit welcher \code{matlab}-Funktion eine beliebige Verteilung (``distribution'') an die Zufallszahlen nach der Maximum-Likelihood Methode gefittet werden kann. Wie wird diese Funktion benutzt, um die Gammaverteilung an die Daten zu fitten? \part Bestimme mit dieser Funktion die Parameter der Gammaverteilung aus den Zufallszahlen. \part Plotte anschlie{\ss}end die Gammaverteilung mit den gefitteten Parametern. \end{parts} \begin{solution} \lstinputlisting{mlepdffit.m} \includegraphics[width=1\textwidth]{mlepdffit} \end{solution} \end{questions} \end{document}