Estimation polynomiale locale pour une moyenne de petit domaine sous échantillonnage informatif
Section 3. Estimateur polynomial local
3.1 Estimation d’une moyenne
de petit domaine
Le but est d’estimer la moyenne
du
petit domaine
pour
Si
nous divisons la population
en
unités observées dans l’échantillon
de
taille
et
en unités inobservées dans la partie non échantillonnée
de
taille
nous pouvons formuler
comme
Comme nous
ignorons les valeurs
des unités inobservées dans les ensembles
pour
nous devons les estimer. Si nous désignons par
l’estimateur de
pour ces unités, l’estimateur résultant de la
moyenne
est
Nous obtenons
les estimateurs
de
pour
en
nous fondant sur un modèle augmenté comprenant une fonction lisse inconnue des
probabilités de sélection
ce
que nous désignons par
Le
modèle d’échantillon semi-paramétrique augmenté que nous proposons est donné
par
où
et est indépendant de
Le vecteur
dans le modèle (3.3) représente
les covariables
sans une constante (l’ordonnée à
l’origine en l’occurrence) et
un vecteur d’effets fixes. Le
modèle (3.3) est semi-paramétrique, car la variable réponse
dépend linéairement du vecteur
de variables auxiliaires,
et la probabilité de sélection
s’ajoute non paramétriquement
par la fonction lisse
Nous posons que le modèle en (3.3) est
d’une structure des covariances semblable à celle du modèle en (1.2); les
effets de petit domaine
et
les erreurs aléatoires
sont i.i.d., à distribution normale et
indépendants les uns des autres. Toutefois, le modèle semi-paramétrique (3.3)
est plus souple que le modèle paramétrique (1.2), puisque la fonction
n’a
pas à être d’une forme particulière. Il y a un inconvénient à ce paramétrage.
Comme le modèle en (3.3) n’est pas un modèle mixte linéaire, la théorie
générale EBLUP à la section 2 ne peut directement servir à dégager des
estimateurs de
et
Nous proposons donc de procéder à l’estimation
en (3.3) en combinant la théorie EBLUP des modèles mixtes linéaires et la
technique d’estimation polynomiale locale (Fan et Gijbels, 1996).
Nous estimons (3.3) en trois étapes.
D’abord, nous obtenons des estimations de
pour toutes les unités de la population. Ces
estimations sont d’un caractère local, car elles reposent sur la technique d’estimation
polynomiale locale. En deuxième lieu, nous prenons les estimations
des
unités observées pour obtenir des estimateurs globaux de
et
Nous désignons ces estimateurs par
et
En
troisième étape, nous utilisons les estimateurs locaux
pour les unités inobservées en première étape
et les estimateurs globaux
et
en
deuxième étape afin d’estimer
pour
et
Les estimateurs de
ainsi obtenus, qui sont désignés par
sont
Nous intégrons les
à l’équation (3.2) pour dégager
l’estimateur de la moyenne de petit domaine
Il s’agit
maintenant de décrire la première étape plus en détail. À la suite de Ruppert
et Matteson (2015), nous estimons les valeurs de la fonction inconnue
pour toutes les unités
et
les petits domaines
avec
en
procédant par régression polynomiale locale. Cette régression repose sur le
principe selon lequel une fonction lisse peut être approximée localement par un
polynôme de faible degré. Nous approximons
dans le modèle en (3.3) par un polynôme de
degré, disons
par
un développement en séries de Taylor autour de
L’approximation est donnée par
où
est la
dérivée de
en évaluation à
La fonction
dépend de
mais nous écartons cette
dépendance pour simplifier la notation.
Pour chaque
point
dans le modèle en (3.3), nous remplaçons
par
son approximation
en
(3.5). Le modèle résultant est donné par
Le modèle (3.6) est un modèle à
approximation locale pour (3.3) qui dépend du point
de la population. Nous
désignerons par
et
les estimations de
et
en (3.6). Il convient de noter
que (3.6) permet l’estimation de
la valeur de la fonction lisse
en un point
Nous formulons (3.6) sous la
forme
où
pour
Le modèle en (3.7) est un modèle
mixte linéaire avec paramètres fixes
et effets aléatoires de petit
domaine
Soit
un
estimateur de
obtenu par ajustement de modèle en (3.7). Un
estimateur approximé de
est
donné par
Comme nous voulons des estimateurs de
pour
et
nous utilisons
modèles (3.7). Comme l’a fait remarquer un
corédacteur, si
est grand, l’estimation des valeurs de
pour tous les points de la population peut
être vorace en calcul.
Il est plus commode de travailler en
notation matricielle. C’est pourquoi nous définissons
et
Le
modèle en (3.3) peut s’exprimer sous une forme
matricielle par empilement des observations. L’équation résultante est
où
et
Pour l’unité
du
petit domaine
nous définissons la
matrice :
où
est la taille totale
d’échantillon. Soit
représentant le vecteur des
dérivées de la fonction
en évaluation à
Les termes
et
dépendent de l’unité
où la localisation se fait. Nous
n’avons pas parlé de la dépendance à l’égard de l’unité
du petit domaine
pour ne pas alourdir la notation.
Nous définissons le vecteur
obtenu par empilement des
valeurs de la fonction
en (3.5). Ainsi,
avec
Cela permet d’approximer
par
Le vecteur
est donné par
Il s’ensuit qu’une approximation
en (3.8) dans un voisinage de
est
Les équations (3.8) et (3.9) sont les équivalents en
forme matricielle des équations (3.3) et (3.7) respectivement. La matrice
en (3.9) ne comprend pas le
terme constant représentant l’ordonnée à l’origine, puisque ce terme est déjà
contenu dans
L’équation (3.9) est un modèle
mixte linéaire type avec des paramètres fixes
et des effets aléatoires de
petit domaine
Nous employons
et
comme matrices respectives des covariances
de
et
La matrice des covariances de
est donnée par
Les matrices
et
sont les matrices identité
d’ordre
et
respectivement, tandis que
est la matrice carrée d’ordre
dont tous les éléments sont
égaux à 1. Il s’ensuit que
Posons que
est
connu et que
et
sont en distribution normale. Par la théorie
EBLUP classique, nous pouvons obtenir des estimateurs de
et
en
minimisant
À noter que toutes les observations
comprises dans
sont en équipondération. Il nous
faut toutefois modifier
pour nous aligner sur la façon
dont se fait l’estimation polynomiale locale. Nous nous reportons à cette fin à
l’équation en (3.7) et estimons ses paramètres en associant des poids noyau
à chaque unité échantillonnée
Nous choisissons des valeurs de
pondération noyau qui sont plus grandes pour les points d’échantillon proches
de
et plus petites pour les points
d’échantillon qui s’en éloignent. Le poids
est une fonction de densité de
probabilité et
est une largeur de bande qui
tient compte de la taille du voisinage local. Nous expliquons à la section 3.2
comment on peut en arriver à une largeur de bande optimale. Soit
la matrice diagonale
de poids noyau par
La matrice
dépend de l’unité
du petit domaine
et de la largeur de bande
Nous excluons les indices
et
de la définition de la matrice
pour ne pas alourdir la notation.
D’après Wu et Zhang (2002), l’intégration de la pondération noyau dans
nous amène à minimiser
où
et où
est la racine carrée de la
matrice
Estimer les
paramètres en (3.9) en minimisant
équivaut à estimer les paramètres donnés par
L’estimation EBLUP pondérée en (3.9) avec
la matrice de pondération donnée par
correspond à une estimation EBLUP
classique venant du modèle en (3.10). Définissons
et
L’équation (3.10) peut se
reformuler comme
Soit
et
les
estimateurs EBLUP des effets fixes et aléatoires en (3.11). Les estimateurs
et
sont fondés sur les estimateurs
locaux des composantes de la variance
Les estimateurs de ces
composantes, désignés par
s’obtiennent par la méthode HFC ou
MVC avec le modèle en (3.11). Comme
un estimateur
de
est la première composante
de
Notons que
et
pourraient servir à l’obtention d’estimations
locales
pour la valeur inconnue
où
pour
Toutefois, un examinateur a signalé que, dans
la pratique, ce cadre méthodologique ne serait sans doute pas d’un bon
comportement, parce qu’il faut un solide équilibre des petits domaines sur tout
l’éventail des probabilités
Si
l’équilibre n’est pas sauvegardé, l’estimation obtenue souffrirait grandement
de cette localisation. C’est pourquoi nous avons opté pour une estimation
globale de
et
Expliquons maintenant la deuxième étape de
notre procédure. Il est possible d’estimer globalement les paramètres
et
selon les estimations
et
les données auxiliaires
liées aux unités de l’échantillon. Pour
et
définissons une nouvelle variable, disons
comme
Les
valeurs
représentent les différences
entre les
observés et leurs estimateurs
locaux
Avec le modèle en (3.3),
satisfait le modèle suivant
où
et
La mention glo en indice indique
que (3.12) est un modèle global.
Comme (3.12) représente un modèle mixte
linéaire paramétrique, nous pouvons prendre l’estimation EBLUP classique (hors
pondération) pour estimer ses paramètres. Soit
et
les
meilleurs estimateurs linéaires sans biais empiriques de
et
Soit
les
estimateurs des composantes de la variance
où
la méthode HFC ou MVC peut servir à l’estimation de ces mêmes paramètres. Nous
estimons
du
modèle en (3.3) par
et
le modèle en (3.12). Les estimateurs globaux
et
sont exempts de tout biais causé par un plan
de sondage informatif, parce que
n’est plus lié aux
après conditionnement par
En troisième étape, nous estimons les
valeurs
inobservées pour
et
par
insertion dans l’équation (3.4); il s’agit i. des estimateurs locaux
pour
en
première étape et ii. des estimateurs globaux
et
en
deuxième étape. Les
dégagés pour
sont insérés dans (3.2) pour le calcul de
l’estimateur
À
noter que
demande que
et
soient connus pour toutes les unités de la
population. Un examinateur a fait observer que, dans la pratique, cette
hypothèse pourrait venir limiter l’applicabilité de la méthode proposée, ce qui
pourrait se résoudre comme problème si les organismes statistiques nationaux
donnaient accès aux probabilités de sélection de toutes les unités, de telles
valeurs pouvant être nécessaires à des applications comme la nôtre.
3.2 Sélection
de largeur de bande
Les polynômes locaux exigent que soient
spécifiés le noyau
l’ordre de l’ajustement polynomial
et
la largeur de bande
Fan
et Gijbels (1996) indiquent que les valeurs de
supérieures à l’unité n’apportent pas une
amélioration significative par rapport à l’ajustement linéaire
Fan et Gijbels (1996) indiquent en outre que le choix de
est
bien plus important que le degré du polynôme. Dans ce qui suit, nous
emploierons un noyau de densité normale avec
égal à un, puisque cela mène à des résultats satisfaisants dans la plupart
des applications.
Nous établissons le
optimal par la méthode de validation croisée (CV). Pour un
donné, calculons l’estimateur de
en
(3.4) à l’aide de l’échantillon qui reste une fois la
unité retranchée de
Si
nous désignons l’estimateur résultant de
par
nous définissons à la suite de Wu et Zhang
(2002) le critère CV comme
Le terme
tient compte du nombre
d’observations dans le petit domaine
Nous obtenons la largeur de
bande optimale
en minimisant le
Étant donné
l’estimateur polynomial local de
la moyenne de petit domaine
en (3.2) est désigné par