2 Convergence
et normalité asymptotique
Jun Shao, Eric Slud, Yang Cheng, Sheng Wang et Carma Hogue
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Afin
d’examiner les propriétés asymptotiques, nous considérons la population
comme l’une d’une série de
populations où le nombre d’unités dans
tend vers l’infini quand
Nous ne traitons ici que le cas
de strates desquelles est tiré un grand échantillon
; autrement dit, nous
supposons que, pour chaque strate
la taille de l’échantillon
dépend de
et tend vers l’infini quand
mais nous omettons l’indice
pour simplifier la notation. Tous
les processus limites sont considérés pour
À l’instar d’auteurs tels que
Isaki et Fuller (1982) et Deville et Särndal (1992), nous donnons à ces
conditions le nom de cadre asymptotique de superpopulation. Sous le
cadre fondé sur le plan de sondage considéré à la section 2.1, les
vecteurs d’attributs dans les populations sous-jacentes ne doivent pas être
considérés comme des vecteurs aléatoires. Cependant, sous le cadre assisté par
modèle considéré à la section 2.2, des modèles de régression hypothétiques
sont associés aux vecteurs d’attributs.
Puisque chaque
estimateur est une somme d’estimateurs indépendants construits dans chaque strate,
pour simplifier, nous présentons les résultats asymptotiques pour le cas où Les résultats et les conclusions
s’appliquent directement au cas d’une valeur fixe de et peuvent aussi être étendus
à la situation où tend vers l’infini. (Il est
habituel que les grandes enquêtes contiennent de nombreuses strates, quoique dans
l’ASPEP, le nombre de strates définies selon le type d’administration publique
qui ont été subdivisées en sous-strates était un peu inférieur à 100.) Puisque
nous considérons seulement le cas nous omettons l’indice désignant la strate à la
présente section, p. ex., et En outre, pour les estimateurs et sont définis par les formules
présentées après les équations (1.2) et (1.3) avec l’indice inférieur supprimé, considérées conjointement avec
De surcroît, pour simplifier, nous n’examinons les
résultats asymptotiques que sous échantillonnage avec remise. Les résultats
peuvent être appliqués au cas de l’échantillonnage sans remise si la fraction
d’échantillonnage est négligeable.
2.1 Cadre
asymptotique fondé sur le plan de sondage
Premièrement,
nous établissons la normalité asymptotique de et sous échantillonnage répété, c’est-à-dire
quand et sont fixes pour et est un échantillon PPT aléatoire.
Théorème 1 Supposons que et sont des échantillons PPT
indépendants tirés avec remise de et respectivement, où l’unité possède la probabilité d’être sélectionnée, et le poids d’échantillonnage pour et que les quatre conditions qui
suivent sont vérifiées, à mesure que l’indice séquentiel de population tend vers
(C1) Il
existe des constantes
et telles que et
(C2) Pour
il existe des constantes et telles que
existent, de même que les limites et en outre,
(C3) Les
limites
existent, où pour
désigne la transposée vectorielle,
et est définie positive. La limite existe aussi, pour
(C4) Les
éléments de
forment une séquence bornée, où pour
Alors, quand les conclusions qui suivent sont
vérifiées.
a) Pour
et où désigne la convergence en
probabilité.
b) L’estimateur
pour la strate combinée
possède l’expression exacte
et la limite en probabilité
c)
où désigne la convergence en loi, et
d) Pour
où et
et est donnée dans la condition (C3).
Les
conditions (C1) à (C4) du théorème 1 fournissent une
formulation générale du cadre de superpopulation pour l’inférence statistique
sous le plan de sondage en grand échantillon, dans laquelle les coefficients de
régression selon l’enquête estiment des paramètres descriptifs bien définis de
la population servant de base de sondage. Les résultats des parties (a) à (b) montrent
que les limites en probabilité de possèdent l’interprétation classique
de pentes et d’ordonnées à l’origine de droites des moindres carrés de superpopulation.
(Ces paramètres de pente et d’ordonnée à l’origine conservent aussi leur
interprétation sous un modèle habituelle sous le modèle (2.7) présenté à la
section 2.2.) La théorie asymptotique pour dans la conclusion (c) nous
permet de déduire le comportement en grand échantillon de à partir de celui fourni dans
(d) pour
Sous les conditions
supplémentaires
il découle clairement de la partie (b) du
théorème 1 que et dans (2.2), de sorte que , et sont tous les trois asymptotiquement
les mêmes jusqu’à des restes d’ordre plus faible que comme nous allons le montrer
maintenant. En outre, si alors continue d’être et le test d’égalité des pentes
aboutit au rejet, c.-à-d. et par conséquent suit la même loi asymptotique que qui est plus efficace que selon le résultat de la
section 2.2.
Théorème 2 Supposons que l’on formule les mêmes hypothèses (C1) à (C4) que pour le théorème 1.
a) Quand
la condition (2.3) est vérifiée, alors quand
et les estimateurs et suivent tous une loi
asymptotiquement normale et sont équivalents au sens où
(b) Quand
et
Une étude
plus perfectionnée du comportement asymptotique des estimateurs peut être entreprise dans
l’esprit de Saleh (2006), comme dans le
cas des versions contiguës ou de Pitman pour
les modèles statistiques hors du contexte des sondages, en supposant que pour une constante Sous cette hypothèse, on peut
montrer que et, par conséquent, que les
trois estimateurs centrés et réduits et suivent tous la même loi
normale asymptotique de moyenne 0. En outre,
où est donné dans (2.4), et et sont, repectivement, le point de
pourcentage et la fonction de répartition de la loi normale centrée réduite.
Donc, possède une limite différente
de 1. En particulier, dans (2.6), la limite est égale à quand (c.-à-d. quand ).
2.2 Cadre asymptotique
assisté par modèle
À la
présente section, nous examinons le comportement des estimateurs
sous le modèle probabiliste hypothétique
selon lequel les triplets dans la population finie, sont indépendants et identiquement
distribués (iid), où les variables de taille sont utilisées pour définir
les probabilités de sélection PPT avec remise et où et suivent le modèle
avec et représentant les paramètres ordonnée
à l’origine et pente inconnus pour la régression dans la strate Nous supposons que les erreurs sont iid de moyenne 0 et de
variance finie , et qu’elles sont indépendantes de et que les variables pour ont une variance finie. En outre,
pour permettre l’échantillonnage PPT, nous supposons que avec la probabilité s’approchant de
1 quand est grand, c.-à-d. quand sont grands.
À la
présente section, les propriétés asymptotiques des estimateurs
sont considérées en regard du
modèle de régression et de l’échantillonnage répété. En vertu du théorème 1,
les estimateurs assistés par modèle et sont encore convergents et
asymptotiquement normaux pour les triplets iid à l’intérieur des strates, puisque les conditions
(C1) à (C4) sont satisfaites sous les hypothèses de moments sur , même si le modèle (2.7) est
incorrect. Cependant, les estimateurs sont efficaces quand le
modèle (2.7) est correct.
Théorème 3 Supposons que l’on a le modèle (2.7) ainsi que la
condition (C1), avec et Alors, toutes les conclusions du
théorème 1 et du théorème 2 sont encore vérifiées. En particulier,
quand la variance asymptotique de est plus grande que la variance asymptotique de En outre,
où est la limite de
Notons
que, dans (2.8), est égal à 1 quand et égal à quand
Selon le
théorème 3, sous le modèle (2.7), les trois estimateurs définis dans (1.2)
à (1.4) ont tous la même efficacité asymptotique quand et (condition (2.3)). De surcroît, est asymptotiquement pire que
quand Donc, pourquoi n’utiliserions-nous
pas systématiquement
Les
assertions du théorème 3 sont des résultats asymptotiques d’ordre un. Un
résultat asymptotique d’ordre deux, plus affiné, sous les conditions du
théorème 3 et la condition (2.3) quand les tailles sont toutes égales est que, jusqu’à
un terme d’ordre
où l’eqm est l’erreur quadratique moyenne
conditionnellement aux et
Le résultat (2.9) indique que, lorsque les poids
sont égaux et que et la performance en échantillon fini
de pourrait être meilleure que celle de
pour des valeurs modérées de et . Voir les résultats des simulations à la section 4. La preuve de
(2.9) est un cas particulier d’un résultat plus général donné dans Slud (2012)
et est donc omise.
Dans les
applications, nous ne savons pas si Donc, l’estimateur fondé sur
un test de décision est une procédure adaptative pour
sélectionner un bon estimateur. Compte tenu de (2.8), la performance de est proche (un peu moins
bonne) de celle de quand et est proche (un peu moins
bonne) de celle de quand et . Ces constatations sont
également corroborées par les résultats des simulations à la section 4.
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