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title: Bias
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# Bias

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在前面的章節中，無論是計算 mean 或 variance，我們都是假設目前發生的事件就能代表整個母體，但是我們通常沒辦法得到一個和母體分布完全相同的樣本，所以我們只能用估計值來近似。
接下來我們就要來證明，當使用過去的計算方式求得 mean 和 variance 時，mean 與母體的分佈是相同的，但是 variance 卻有所差異，也就是存在 bias，必須要做修正。

## Mean

對於抽樣樣本來說，${\mu_{MLE}\ =\ \widehat{\mu}\ =\ \frac{1}{n}\Sigma x}$
而母體的 meam 為 ${\mu}$，variance 為 ${\sigma^2}$

則 ${E(\widehat{\mu})\ =\ E(\frac{1}{n}\Sigma x)\ =\ \frac{1}{n}E(\Sigma x)\ =\ \frac{1}{n}n\mu\ =\ \mu}$
而 ${Var(\widehat{\mu})\ =\ Var(\frac{1}{n}\Sigma x)\ =\ \frac{1}{n^2}Var(\Sigma x)\ =\ \frac{1}{n^2}\Sigma Var(x)\ =\ \frac{1}{n^2}n\sigma^2\ =\ \frac{\sigma^2}{n}}$

## Variance

對於抽樣樣本來說，${\sigma^2_{MLE}\ =\ \widehat{\sigma}^2\ =\ \frac{1}{n}\Sigma (x-\widehat{\mu})^2}$
而母體的 meam 為 ${\mu}$，variance 為 ${\sigma^2}$

${\begin{split}則\ E(\sigma^2_{MLE})\ &=\ 	E(\frac{1}{n}\Sigma (x-\widehat{\mu})^2)\ =\ \frac{1}{n}E(\Sigma (x^2\ -\ 2x\widehat{\mu}\ +\ \widehat{\mu}^2)) \\
&=\ \frac{1}{n}E(\Sigma x^2\ -\ 2\widehat{\mu}\Sigma x\ +\ \Sigma\widehat{\mu}^2)\ =\ \frac{1}{n}E(\Sigma x^2\ -\ 2\widehat{\mu}n\widehat{\mu}\ +\ n\widehat{\mu}^2) \\
&=\ \frac{1}{n}E(\Sigma x^2\ -\ n\widehat{\mu}^2)\ =\ E(x^2)\ -\ E(\widehat{\mu}^2)\end{split}}$

${又已知\ Var(x)\ =\ E(x^2)\ -\ E^2(x)\ \Rightarrow\ E(x^2)\ =\ Var(x)\ +\ E^2(x)\ =\ \sigma^2\ +\ \mu^2}$
同理，${E(\widehat{\mu}^2)\ =\ Var(\widehat{\mu})\ -\ E^2(\widehat{\mu})\ =\ \frac{\sigma^2}{n}\ +\ \mu^2}$

所以，${E(\sigma^2_{MLE})\ =\ \sigma^2\ +\ \mu^2\ -\ \frac{\sigma^2}{n}\ -\ \mu^2\ =\ \sigma^2\ -\ \frac{\sigma^2}{n}}$

存在 bias!!!

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## 修正 Variance

${\sigma^{*2}\ =\ \frac{1}{n-1}\Sigma (x-\widehat{\mu})^2}$

${\begin{split}則\ E(\sigma^2_{MLE})\ &=\ 	E(\frac{1}{n-1}\Sigma (x-\widehat{\mu})^2)\ =\ \frac{1}{n-1}E(\Sigma (x^2\ -\ 2x\widehat{\mu}\ +\ \widehat{\mu}^2)) \\
&=\ \frac{1}{n-1}E(\Sigma x^2\ -\ 2\widehat{\mu}\Sigma x\ +\ \Sigma\widehat{\mu}^2)\ =\ \frac{1}{n-1}E(\Sigma x^2\ -\ 2\widehat{\mu}n\widehat{\mu}\ +\ n\widehat{\mu}^2) \\
&=\ \frac{1}{n-1}E(\Sigma x^2\ -\ n\widehat{\mu}^2)\ =\ \frac{1}{n-1}(nE(x^2)\ -\ nE(\widehat{\mu}^2)) \\
&=\ \frac{1}{n-1}(n\sigma^2\ +\ n\mu^2\ -\ n\frac{\sigma^2}{n}\ -\ n\mu^2)\ =\ \sigma^2\end{split}}$

## Bias vs. Variance

在前一章 Fully Bayesian 中，我們可以發現，當起始的 a 設得越小時，也就是 variance 很小，往往會導致結果與實際相差甚遠，也就是 bias 很大，這種情況我們稱之為 underfitting。
然而當我們將 variance 設很大時，雖然很容易且快速的接近真實結果（bias 小），但會發現每次的更新都會大幅度的改變，也就是所謂的 overfitting。

![](https://i.imgur.com/NON6Xhm.png)

也可以從前面的 rLSE 來看，當我們將 ${\lambda}$ 增大時，可以避免 overfitting 的發生，也就是降低了 variance，但卻有可能導致無法得到正確的答案（bias 大意味著最後的 error 也大）。

![](https://i.imgur.com/IN4e3FQ.png)

