Méthodes d’estimation sur petits domaines avec échantillonnage défini par un seuil d’inclusion
Section 4. Estimateurs par calage
De façon classique, on applique le calage quand on
connaît les totaux vrais de certaines variables auxiliaires, susceptibles
d’être corrélées à la variable étudiée. L’intention du calage est d’ajuster les
poids de sondage
de façon à ce que les estimateurs par
dilatation correspondants des totaux vrais disponibles n’aient aucune erreur.
Si les poids ajustés fournissent des estimateurs des totaux disponibles des
variables auxiliaires qui ne comportent pas d’erreur, on s’attend à ce qu’ils
réduisent également l’erreur dans l’estimation du total de la variable étudiée,
à condition qu’il soit linéairement lié aux variables auxiliaires. Même en
présence d’un modèle linéaire sous-jacent, en l’absence d’échantillonnage
défini par un seuil d’inclusion, les estimateurs par calage sont convergents
par rapport au plan de sondage à mesure que la taille d’échantillon de domaine
augmente y compris si le modèle ne se vérifie
pas. En ce sens, ils sont assistés par un modèle et leurs propriétés sont
généralement évaluées dans le cadre de la configuration fondée sur le plan.
Toutefois, si les valeurs
sont petites, les estimations peuvent souffrir
d’un biais de petit échantillon.
Comme nous le verrons ci-dessous, les estimateurs par
calage réduisent le biais causé par l’échantillonnage défini par un seuil
d’inclusion si le modèle linéaire sous-jacent se vérifie pour l’ensemble de la
population (unités incluses et exclues). Toutefois, pour les petits domaines,
ils peuvent comporter des erreurs d’échantillonnage d’une ampleur inacceptable,
hormis un biais de petit échantillon non négligeable.
Soit
le vecteur des variables auxiliaires pour
l’unité
dans le domaine
Selon qu’on dispose des totaux de domaine ou
seulement des totaux de population de ces variables auxiliaires, on peut appliquer
différentes méthodes de calage. Tout d’abord, examinons le cas où le vecteur
des totaux de domaine
est disponible. Notons que
le total dans l’ensemble du domaine
Ensuite, une des méthodes de calage consiste à
déterminer les poids de calage
qui minimisent
Les
poids de calage qui en résultent
sont donnés par
sous
réserve de la non-singularité de
L’estimateur par calage du total du domaine
est ensuite donné par
qui
est l’estimateur par la régression généralisée (GREG) bien connu de
où
L’estimateur de Hájek
est un cas particulier de (4.3), avec
En l’absence d’échantillonnage défini par un
seuil d’inclusion, l’estimateur GREG ci-dessus est convergent par rapport au
plan de sondage quand la taille de l’échantillon de domaine
augmente, bien qu’il puisse présenter un biais
de petit échantillon. Il réduit la variance si les variables de calage sont
corrélées linéairement avec le résultat et que la corrélation est forte. Selon
un échantillonnage défini par un seuil d’inclusion, le deuxième terme du deuxième
membre de (4.3) corrige le biais de l’estimateur par dilatation de base
en tant qu’estimateur de
à l’aide des totaux du domaine connus dans
Toutefois, pour la petite taille d’échantillon
de domaine
cette réduction du biais d’échantillonnage
défini par un seuil d’inclusion pourrait être transférée sur une augmentation
de la variance.
Dans la procédure ci-dessus, un problème de calage
différent se pose pour chaque domaine. Dans le cas où l’on dispose seulement de
la population totale
on peut chercher des poids de calage pour tous
les domaines simultanément,
en résolvant un seul problème de calage :
Dans
ce cas, les poids de calage
sont donnés par
sous
réserve de la non-singularité de
L’estimateur par calage qui en résulte du
total de domaine
est ensuite obtenu sous la forme :
où
Contrairement
à l’estimateur GREG, la correction de
dans
utilise le total de la population globale
et l’estimateur par dilatation correspondant.
L’estimateur par calage linéaire LCAL (ou GREG) (4.3)
devrait avoir un biais d’échantillonnage défini par un seuil d’inclusion plus
petit que (4.6), car il utilise de l’information auxiliaire de chaque domaine
particulier
Par ailleurs, pour les domaines ayant de
petites tailles d’échantillon, sa variance (et le biais de petit échantillon)
peut être importante puisqu’elle utilise seulement des données propres à un
domaine. L’autre estimateur par calage donné dans (4.6) devrait présenter un
biais d’échantillonnage défini par un seuil d’inclusion légèrement plus grand
parce qu’il utilise seulement de l’information auxiliaire agrégée au niveau
national, mais la variance sous le plan devrait être plus petite. Nous étudions
ensuite les propriétés de (4.3). À cette fin, nous examinerons la version
théorique de l’estimateur LCAL (4.3), donnée par
Ici,
est la version du recensement de
fondée sur l’ensemble d’unités incluses du
domaine
Notons que l’échantillon
est tiré seulement de
et par conséquent
estime
Nous décomposons le biais de
comme étant
Le
terme y tend vers zéro quand
qu’on applique ou pas un échantillonnage
défini par un seuil d’inclusion, étant donné que
tend vers
Cependant, pour les petites valeurs
ce terme peut ne pas être négligeable, ce qui
signifie que l’estimateur LCAL souffre d’un biais de petit échantillon même si
En l’absence d’échantillonnage défini par un
seuil d’inclusion, le terme du biais
dans (4.8) est exactement égal à zéro. Selon
un échantillonnage défini par un seuil d’inclusion, nous savons que
et
où
En notant que
pour
nous obtenons le biais de plan de cet
estimateur théorique LCAL, donné en termes absolus et relatifs par
Ce
biais est faible quand le même modèle se vérifie pour les individus inclus et
exclus.
Étant donné que l’estimateur par calage
doit servir à estimer
(et non pas
pour la moyenne de domaine
nous examinons l’estimateur obtenu simplement
par la division de y par
(au lieu de
Le biais asymptotique de
est donné par (4.9) divisé par
Nous analysons maintenant les propriétés selon le modèle
et le mécanisme de rééchantillonnage. Notons que
dans l’estimateur GREG est l’estimateur des
moindres carrés pondérés du vecteur des coefficients de régression
dans le modèle de régression linéaire suivant
pour les unités du domaine
où
les erreurs de modèle
sont toutes mutuellement indépendantes. Nous
souhaitons connaître la valeur ajoutée par le modèle aux propriétés du plan des
estimateurs, c’est-à-dire que nous voulons savoir quel serait le gain si les
données étaient effectivement produites (au moins approximativement) par le
modèle supposé. Soit
l’espérance sous le modèle (4.10). Si le
modèle de régression linéaire (4.10) se vérifie véritablement pour toutes les
unités du domaine (incluses et exclues), alors
et si nous supposons l’espérance du terme de
biais dans (4.9) sous le modèle (4.10), nous obtenons le biais par rapport au
plan et au modèle,
En revanche, si l’on suppose exactement le même modèle de
régression, le biais de l’estimateur direct de base
selon un échantillonnage défini par un seuil
d’inclusion n’est pas nul, à moins que les moyennes des variables auxiliaires
pour les unités exclues et incluses soient égales. En effet,
Ainsi, la condition dans laquelle l’estimateur LCAL est
sans biais par rapport au plan, à savoir celle où le modèle linéaire (4.10) se
vérifie sans erreur pour toutes les unités du domaine, est beaucoup plus faible
que les conditions requises pour que l’estimateur direct de base soit sans
biais par rapport au plan. Cela signifie que les estimateurs par calage auront
tendance à être moins biaisés que l’estimateur direct de base et peuvent
réduire considérablement le biais d’échantillonnage défini par un seuil
d’inclusion si le résultat est généré par le modèle de régression linéaire
propre au domaine ci-dessus.
Passons maintenant à l’estimateur LCALN (4.6) pour définir
la version théorique correspondante
où
est la version du recensement pour les unités
incluses,
En
décomposant le biais de la même façon que dans (4.8), nous obtenons
Encore
une fois,
n’est pas nul pour les petites valeurs
mais tend vers zéro quand
y compris selon un échantillonnage défini par
un seuil d’inclusion, tandis que
seulement en l’absence de biais
d’échantillonnage défini par un seuil d’inclusion. En général, si l’on utilise
la décomposition
où
et
sont respectivement les totaux nationaux pour
les unités incluses et exclues, le biais de plan de
est donné par
Considérons maintenant le modèle linéaire avec des
coefficients de régression constante pour toutes les unités de population,
qu’on appellera modèle
où,
encore une fois, les erreurs de modèle
sont mutuellement indépendantes. Notons que,
selon ce modèle,
en général, mais si nous considérons plutôt la
somme
nous obtenons
Cela signifie que l’estimateur LCALN théorique
pour un domaine particulier,
n’est pas sans biais par rapport au plan et au
modèle, parce que
n’est
pas nécessairement égal à zéro. Cependant, l’estimateur national obtenu par
l’addition de ceux des domaines,
est en fait sans biais par rapport au plan et
au modèle, parce que
Ainsi,
selon le modèle (4.16) avec des coefficients de régression constants pour
toutes les unités de population, l’estimateur LCALN n’est pas sans biais par
rapport au plan et au modèle pour un domaine particulier, mais il est sans
biais lors de l’agrégation pour tous les domaines, à condition que le même
modèle se vérifie pour les unités incluses et exclues dans tous les domaines.
Pour la moyenne
le biais de l’estimateur théorique
est donné par (4.15) divisé par
Étudions maintenant les variances. Pour l’estimateur LCAL
théorique (4.7), la variance sous le plan est donnée par
où
Nous pouvons ensuite appliquer les estimateurs
de la variance habituels pour les estimateurs par dilatation. Dans le cas de
l’estimateur LCALN de (4.13), la variance est donnée par
Notons
que
est fondé sur les unités d’échantillon
tandis que
utilise seulement les unités
du domaine
Par conséquent, la contribution de
à la variance de LCALN doit être nettement
inférieure à la contribution de
dans (4.17). Cela signifie que, dans la mesure
où les lignes de régression nationale et de domaine sont semblables, la
variance de l’estimateur LCALN, obtenue à partir du calage au niveau national,
doit être plus petite que celle de l’estimateur par calage LCAL propre au
domaine.