9
CAMPIONAMENTO CON PROBABILITA’ VARIABILE
9.1
INTRODUZIONE
Un tipo di campionamento di largo impiego nella pratica delle indagini, è quello nel
quale si assegna ad ogni unità della popolazione una probabilità di selezione
variabile, direttamente proporzionale alla sua dimensione, supposta nota prima
della selezione del campione.
Abbiamo già incontrato nel capitolo 3 una tecnica di questo tipo, denominata
campionamento di Poisson, nella quale si è ipotizzato che le singole unità della
popolazione potessero avere una diversa probabilità di inclusione. Abbiamo inoltre
visto, in quella occasione, che lo schema di estrazione portava alla formazione di
un campione a dimensione variabile. In questo capitolo esamineremo una tecnica
analoga che consente la selezione di campioni di dimensione fissa.
Tale forma di campionamento, che in seguito chiameremo campionamento con
probabilità variabile (CPV) ed è spesso indicata con la sigla PPS (dalle iniziali dei
termini inglesi probability proportional to size) o con la sigla πPS (inclusion
probability proportional to size) può essere considerata come la più generale tra
quelle probabilistiche per campioni di dimensione fissa . Un qualsiasi metodo di
selezione equiprobabilistico può infatti essere visto come un caso particolare di
questo quando le unità della popolazione abbiano la stessa dimensione, oppure
quando questa ultima sia considerata ininfluente nella fase di estrazione del
campione.
La principale giustificazione del CPV, la stessa ricordata per il campionamento di
Poisson, sta nel fatto che nella pratica si riscontra spesso una relazione statistica più
o meno stretta tra dimensione dell’unità e caratteri oggetto di studio. Di
conseguenza, l'utilizzazione dell'informazione sulla dimensione, tradotta in termini
di probabilità di selezione, consente la costruzione di stimatori migliori di quelli
ricavabili da una selezione equiprobabilistica.
1
La selezione delle unità può essere effettuata con o senza ripetizione ma,
diversamente da quanto abbiamo osservato per il campionamento casuale semplice,
la scelta tra le due strategie non è ovvia. Possono infatti verificarsi condizioni di
indagine nelle quali la selezione senza ripetizione risulta meno vantaggiosa di
quella con ripetizione, sia per la precisione delle stime, sia per le complicazioni
teoriche e computazionali che essa presenta. Per questi motivi, la selezione con
ripetizione merita, nel CPV, un’attenzione ben maggiore di quella che riceve
nell’ambito del campionamento equiprobabilistico.
9.2
ESTRAZIONE CON RIPETIZIONE
Sia X una variabile i cui valori noti Xi (i = 1,..,N) sono interpretabili come misure
di ampiezza (o dimensione) delle unità oggetto di indagine, nell'ipotesi che esse
siano anche unità di selezione. Per fare qualche esempio, X può esprimere la
superficie di un'azienda agricola, il numero di addetti di un'azienda industriale, il
numero di studenti di una scuola, quello dei componenti di una famiglia, ecc..
Supponiamo di voler estrarre un campione di n unità in modo che la probabilità di
selezionare l'i-esima unità sia:
pi = X i
∑X
i
= Xi X
Supponiamo inoltre che i valori Xi siano interi. Qualora non lo fossero, per renderli
tali sarebbe sufficiente moltiplicare la variabile X per una potenza di 10.
La selezione del campione si realizza attraverso l'esecuzione delle seguenti fasi:
(a) si associano i primi X1 numeri naturali (da 1 a X1) alla prima unità, i secondi
X2 (da [X1 + 1] a [X1 + X2]) alla seconda e così via;
(b) si seleziona casualmente un numero compreso tra 1 e X (estremi inclusi) e si
considera selezionata nel campione l'unità cui è associato il campo di numeri
naturali che comprende quello estratto;
(c) si ripete la fase (b) n volte, considerando ogni volta ancora presente nella
popolazione l'unità precedentemente estratta.
Il procedimento, piuttosto semplice, è ulteriormente illustrato dalla seguente
applicazione. I dati tella Tab. 9.1 (P. V. Sukhatme e B. V. Sukhatme 1970, p. 51) si
2
TAB. 9.1: Valori della superficie totale coltivabile e della superficie coltivata
a riso per una popolazione fittizia di 25 aziende agricole
pi = X i X
Azienda N.
Superficie totale
Cumulata valori
Xi
X ic
1
1232
1232
0,053
2
327
1559
0,014
3
1346
2905
0,058
4
1285
4190
0,055
5
428
4618
0,018
6
871
5489
0,038
7
1042
6513
0,044
8
1262
7775
0,054
9
497
8272
0,021
10
1016
9288
0,044
11
651
9939
0,028
12
1170
11109
0,051
13
2630
13739
0,114
14
515
14254
0,022
15
895
15149
0,039
16
1055
16204
0,046
17
2110
18314
0,091
18
979
19239
0,042
19
671
19964
0,029
20
120
20084
0,005
21
541
20625
0,023
22
1331
21956
0,057
23
842
22798
0,036
24
162
22960
0,007
25
206
23165
0,009
3
riferiscono ad una popolazione fittizia di 25 aziende agricole per ciascuna delle
quali si suppone nota la dimensione in termini di superficie complessiva coltivabile,
denotata con Xi per l' i-esima azienda. Nella tabella, oltre ai valori Xi, è riportata la
loro serie cumulata, i cui termini sono indicati con X ic e la loro probabilità di
selezione pi.
Utilizzando una routine informatica, si seleziona un numero casuale, r, compreso
tra 1 e il totale della variabile X, cioè 23165; quindi si confronta il valore estratto
con i valori X ic della cumulata e si seleziona l’unità i per la quale risulta realizzata
la seguente disuguaglianza:
X ic−1 < r ≤ X ic
Ad esempio, se r = 1985, è immediato osservare che tale valore è compreso tra
1559 (termine i-1) e 2905 (termine i) e pertanto viene estratta l’unità cui
corrisponde l’i-esimo valore della distribuzione della variabile X, nella fattispecie
la terza unità. Ancora, se r = 11805, abbiamo: 11109 < 11805 ≤ 13739, e
conseguentemente viene estratta la 13a unità. Il procedimento viene iterato fini al
raggiungimento della dimensione campionaria desiderata ed è evidente che la stessa
unità della popolazione può essere selezionata più di una volta.
D. B. Lahiri (1951) ha proposto un metodo alternativo di selezione che non richiede
il calcolo di alcuna cumulata. Si seleziona casualmente un numero i compreso tra 1
e N. Quindi, ancora casualmente, un numero j compreso tra 1 e il massimo tra i
valori Xi, che denotiamo con Xmax. Se quest'ultimo numero è più piccolo del valore
Xi, corrispondente all'i-esimo valore della popolazione individuato alla prima delle
due estrazioni, è definitivamente selezionata nel campione l'i-esima unità,
altrimenti si ripete il procedimento fino a che la condizione non è soddisfatta. Per
verificare che il procedimento ha termine e porta ad estrarre l'i-esima unità con
probabilità pi = X i X si può osservare che la probabilità, q, che una prova,
consistente nelle due suddette estrazioni, non porti ad alcuna selezione è:
q=
4
1
N
N
⎛
i =1
⎝
Xi ⎞
⎟⎟ ,
max ⎠
∑ ⎜⎜1 − X
mentre la probabilità di selezionare l'i-esima unità ad una qualunque estrazione è
ovviamente:
1 ⎛ Xi
⎜
N ⎜⎝ X max
⎞
⎟⎟
⎠
Pertanto, la probabilità che il procedimento abbia termine con l'estrazione dell'iesima unità è:
p
X
p i + qp i + q 2 pi + L = i = i
X
1− q
pi =
9. 3 STIMA DEL TOTALE NEL CAMPIONAMENTO PPS
Per ricavare uno stimatore del totale (o della media) adeguato al tipo di selezione
descritto, è opportuno partire da uno stimatore di carattere generale che combini
linearmente i valori campionari yj con coefficienti wj. Lo stimatore, che per il
momento denotiamo con T1, può essere scritto come segue:
N
T1 = ∑ wi Yi t i'
(9.1)
i =1
Dove t i' è una variabile casuale che assume valori interi compresi tra 0 (se l'i-esima
unità della popolazione non risulta inclusa nel campione) e n (se la stessa unità è
selezionata ripetutamente per n volte).
I valori dei coefficienti vengono normalmente ricavati sotto la condizione che lo
stimatore sia corretto per una qualsiasi dimensione campionaria:
()
E (T1 ) = ∑ wi Yi E t i' = Y
N
i =1
e poiché E (t i ) , che esprime la frequenza attesa di inclusione dell'i-esima unità, è
pari a npi, avremo:
5
N
E (T1 ) = ∑ wi Yi np i = Y
i =1
wi =
da cui:
1
.
np i
Lo stimatore assume dunque la forma:
Yi t i'
i =1 np i
(9.2)
1 N
Z i t i' = z
∑
n i =1
(9.3)
N
y pps = ∑
oppure, posto Z i = Yi pi
:
y pps =
Dalla (9.2) o dalla (9.3) è quindi immediato ricavare, dividendo per N, lo stimatore
della media Y della popolazione, che denotiamo con la consueta notazione y pps :
y pps =
1 N
z
Z i t i' =
∑
Nn i =1
N
(9.4)
Dalla (9.3) è inoltre immediato verificare che il totale Y è stimato come media
semplice dei valori campionari zi ciascuno dei quali rappresenta una stima corretta
del totale stesso della popolazione.
9.4
VARIANZA DELLO STIMATORE DELLA MEDIA
La trasformata Zi introdotta nella (9.3) ci consente di ricavare facilmente la
varianza degli stimatori y pps e y pps . Infatti:
6
V ( y pps ) = V ( z ) =
=
V (Z i )
=
n
1 N
2
pi (Z i − Z ) =
∑
n i =1
(9.5)
2
⎞
1 N ⎛Y
= ∑ pi ⎜⎜ i − Y ⎟⎟ .
n i =1 ⎝ pi
⎠
e ovviamente:
V ( y pps ) =
1
V ( y pps ) =
N2
1
=
nN 2
⎞
⎛Y
pi ⎜⎜ i − Y ⎟⎟
∑
i =1
⎠
⎝ pi
N
2
(9.6)
Per fini computazionali la varianza del totale (e della media) può essere riscritta
nella seguente forma alternativa:
⎤
1 ⎡ N Yi 2
1 ⎡ N Yi 2
2⎤
− Y ⎥ = ⎢X ∑
−Y 2⎥.
V ( y pps ) = ⎢∑
n ⎣ i =1 pi
⎦ n ⎣ i =1 X i
⎦
(9.7)
Dalle precedenti espressioni si può osservare che se le probabilità di selezione pi
sono proporzionali ai rispettivi valori Yi, la varianza si annulla poiché ogni singola
osservazione, rapportata alla sua probabilità di selezione, stima con esattezza il
totale della popolazione. Naturalmente non è possibile definire numericamente in
tal modo le probabilità iniziali in quanto i valori Yi non sono noti se non dopo aver
osservato il campione. Ma è in genere ragionevole ritenere che se le probabilità di
selezione possono essere definite sulla base di una variabile nota che sia
ragionevole assumere approssimativamente proporzionale alla variabile di studio
Y, la varianza di stima anche se non nulla sarà ridotta rispetto a quella di stimatori
alternativi.
Una stima corretta da campione della (9.5) si può ricavare facilmente utilizzando la
trasformazione di variabile già introdotta nella (9.3): v( y pps ) = v( z ) . Infatti
essendo:
v ( z ) = v (Z i ) n
(9.8)
7
è sufficiente ricavare uno stimatore corretto di V(Zi) da inserire al numeratore della
(9.8). Tale stimatore ha la seguente espressione:
v (Z i ) =
1
2
∑ (z i − z ) ,
n − 1 i∈s
che si traduce nella seguente:
⎞
⎛ yi
1
⎜⎜ − y pps ⎟⎟
v( y pps ) =
∑
n(n − 1) i∈s ⎝ pi
⎠
9.5
2
UN METODO ALTERNATIVO PER RICAVARE LA VARIANZA DEGLI
STIMATORI
La varianza dello stimatore (9.2) può essere ricavata anche seguendo il
procedimento già introdotto nel Cap.2 per il campionamento casuale semplice
senza ripetizione. Ricordando che nello stimatore (9.2) l’unico termine aleatorio è
rappresentato da t i' , possiamo scrivere:
⎡1 N Y t ' ⎤ 1 ⎡ N ⎛ Y
V ( y pps ) = V ⎢ ∑ i i ⎥ = 2 ⎢∑ ⎜⎜ i
⎣ n i =1 pi ⎦ n ⎢⎣ i =1 ⎝ pi
2
⎞
Y Y
⎟⎟ V t i' + 2∑∑ i j Cov t i' t 'j
i j >i p i p j
⎠
()
e quindi, tenendo presente che:
()
( )
V t i' = np i (1 − p i ) e Cov t i' t 'j = − pi p j
dopo ovvie semplificazioni si ottiene:
⎤ 1 ⎡ N Yi 2
⎤
1 ⎡ N Yi 2 N 2
− ∑ Yi − 2∑ Yi Yi ⎥ = ⎢∑
−Y 2⎥
V ( y pps ) = ⎢∑
n ⎣ 1=1 pi i =1
i< j
⎦
⎦ n ⎣ i =1 pi
8
⎤
( )⎥
⎥⎦
come volevasi dimostrare (cfr. espressione 9.7)
9.6
SELEZIONE SENZA RIPETIZIONE
La selezione senza ripetizione si “potrebbe” realizzare in modo analogo a quella
con ripetizione già descritta nel paragrafo 9.2, avendo cura di togliere dalla lista
della popolazione le unità di volta in volta estratte nel campione. Questa ultima
operazione implica che ad ogni fase del processo di estrazione debbano essere
ricalcolate le probabilità associate alle unità non ancora estratte.
Per chiarire il procedimento, consideriamo la probabilità di inclusione, πi dell'iesima unità della popolazione in un campione di n = 2 unità. Tale probabilità è data
dalla somma della probabilità di selezionare l’i-esima unità alla prima prova e della
probabilità di selezionarla alla seconda data la mancata estrazione alla prima;
ovvero, dopo che per prima sia stata estratta una qualunque altra unità. In termini
formali:
= probabilità di estrazione alla prima prova;
pi
N
pi p j
∑1− p
j ≠ i =1
=
j
probabilità di estrazione alla seconda prova, condizionata all’estrazione
della j-esima unità (j ≠ i ; j = 1,..,N), alla prima estrazione.
e quindi:
π i = pi +
pi p j
N
∑1− p
j ≠ i =1
j
⎡
= pi ⎢1 +
⎣⎢
pj ⎤
⎥
⎥
j ⎦
N
∑1− p
j ≠ i =1
Inoltre, la probabilità di inclusione del secondo ordine, cioè la probabilità che le
unità i e j siano congiuntamente incluse nel campione è:
π ij = pi p j (1 − pi )−1 + pi p j (1 − p j )−1
[
= pi p j (1 − pi ) + (1 − p )
−1
−1
]
9
I problemi, come si può facilmente intuire, sorgono quando n > 2, Infatti, il
computo delle probabilità di inclusione del primo e soprattutto del secondo ordine,
già complesso per n = 3, diventa proibitivo per dimensioni campionarie appena
maggiori.
Il procedimento appena descritto per n = 2 è sufficientemente semplice, tuttavia
vedremo tra breve che le probabilità di inclusione del primo e del secondo ordine
che da esso scaturiscono non risultano ottimali in rapporto all’obiettivo principale
di questa strategia campionaria che è quello di ottenere stimatori con un elevato
grado di precisione in rapporto alle alternative possibili, a parità di informazioni
disponibili a priori.
A questo fine è opportuno prescindere inizialmente dalla procedura di calcolo delle
probabilità di inclusione sia del primo che del secondo ordine e passare a definire lo
stimatore di Horvitz e Thompson del totale Y (o della media Y ), la sua varianza e
lo stimatore campionario della varianza dello stesso stimatore.
Lo stimatore di HT del totale, che indichiamo con yπ, assume l’espressione generale
già introdotta del Cap. 1, e cioè:
N
yπ = ∑
i =1
Yi t i
πi
La varianza dello stimatore si ricava facilmente come segue:
⎡ N Yt ⎤ N Y2
Y Yj
V ( y ) = V ⎢∑ i i ⎥ = ∑ i 2 V (t i ) + 2∑∑ i
Cov(t i , t j )
π
π
π
π
=
1
=
1
>
i
i
i
j
i
j
i
i ⎦
i
⎣
N
(1 − π i )
Y Yj
(π ij − π iπ j )
= ∑ Yi 2
+ 2∑∑ i
πi
i =1
i
j >i
(9.9)
πi π j
Questa espressione può essere espressa in termini più semplici; infatti,
considerando che: πii = πi, gli ultimi due termini possono essere riunificati in un
unico termine come segue:
V ( yπ ) = ∑∑
i
10
j
Yi Y j
πi π j
(π
ij
− π iπ j )
E posto Yi π i = Y i e (π ij − π i π j ) = ∆ ij , si ottiene infine la notazione molto
∨
compatta:
∨
∨
V ( yπ ) = ∑∑ Yi Y j ∆ ij
i
(9.10)
j
E’ infine agevole ricavare uno stima corretta della varianza dello stimatore:
∨
∨
v( yπ ) = ∑∑ Yi t i Y j t j
i
j
∆ ij
π ij
∨
∨
∨
= ∑∑ Yi t i Y j t j ∆ ij
i
(9.11)
j
Dalla quale è immediato rilevare che la condizione di stimabilità della varianza
dello stimatore yπ è subordinata alla disponibilità di valori positivi della probabilità
congiunta πij per ogni possibile coppia di unità i e j nella popolazione.
Yates e Grundy (1953), hanno dimostrato che la (9.10) può essere espressa in una
forma diversa, ma equivalente, che consente di ricavare uno stimatore alternativo di
quello nella (9.11). Indichiamo questa diversa forma della varianza con la
notazione VYG:
⎛Y
Yj ⎞
1
⎟
VYG ( yπ ) = − ∑∑ ∆ ij ⎜ i −
⎟
⎜π
2 i j
π
i
j
⎠
⎝
2
(9.12)
Dalla quale è possibile ricavare il seguente stimatore alternativo della varianza di
yπ :
∆ ij ⎛ y i y j ⎞
1
⎜ −
⎟
vYG ( yπ ) = − ∑∑
2 i j π ij ⎜⎝ π i π j ⎟⎠
La (9.12) ci consente di sviluppare due importanti considerazioni:
(i) Perchè la varianza sia positiva il termine ∆ ij deve essere negativo e quindi
deve valere la condizione π ij < π i π j ;
(ii) La differenza tra parentesi può ridursi a zero nel caso in cui le probabilità di
inclusione del primo ordine siano proporzionali ai rispettivi valori della
variabile Y.
11
Riguardo a questa ultima considerazione è evidente che, come si è già osservato in
precedenza per le probabilità di selezione iniziali, non è possibile fissare le
probabilità di inclusione πi proporzionali ai rispettivi valori Yi dato che questi non
sono noti a priori. Tuttavia, se se sono disponibili da lista i valori Xi di una variabile
ausiliaria, normalmente interpretabile come “dimensione” dell’unità i, tali che sia
ipotizzabile un rapporto di approssimata proporzionalità con quelli della variabile
di studio: Yi X i ≅ c (con c = costante), allora è intuitivo che il riuscire a stabilire
per le probabilità di inclusione del primo ordine valori proporzionali a quelli della
variabile ausiliaria: π i X i = c si tradurrà in una notevole riduzione della varianza
dello stimatore.
Da tutto questo discende l’esigenza di fissare i valori delle probabilità di inclusione
proporzionali a quelli della variabile X. In altri termini è necessario che: π i X i = c
e poiché per la definizione:
N
∑π
i =1
i
=n
Si ricava immediatamente che:
πi =
nX i
nX i
=
= npi ;
X
∑ Xi
(i = 1, 2,...,N),
(9.13)
i
dove i valori pi corrispondono alle probabilità iniziali introdotte nel precedente
paragrafo 9.2.
A questo riguardo, due considerazioni della massima importanza. La prima è che i
termini npi non possono essere maggiori di 1, se come in questo caso assumono non
più il significato di frequenze attese di inclusione (cfr § 9.2 ) bensì quello di
probabilità di inclusione. Qualora, quindi, per una o più unità della popolazione
dovesse verificarsi che npi > 1 , si dovrebbe enucleare tali unità dalla popolazione
inserendole con certezza (probabilità pari a 1) nel campione o in una strato dal
quale selezionarle separatamente dalle altre.
La seconda è che solo per n = 1 è immediato soddisfare la condizione in (9.13)
anche se in questo caso si ha che πij = 0 per ogni coppia di valori i e j (i ≠ j).
Per n = 2, il procedimento descritto all’inizio di questo paragrafo non consente di
soddisfarla, se non in modo approssimato, e per n > 2 le difficoltà aumentano
esponenzialmente.
Il soddisfacimento della (9.13) richiede che si riesca ad individuare un insieme
opportuno di probabilità iniziali ed uno opportuno schema ad hoc di selezione ad
12
esse combinato. Brewer e Hanif (1983) riportano una numerosa serie di schemi che
soddisfano la condizione citata per n = 2; alcuni di questi schemi sono semplici altri
piuttosto complessi. Qui, a titolo di esempio, ne riportiamo uno per n = 2
relativamente semplice, dovuto a Brewer (1975).
Lo schema di Brewer prevede che si calcolino in via prioritaria le quantità:
ci =
X i (X − X i )
,
X (X − 2 X i )
quindi, lo schema è definito dai seguenti due passi:
(i) si estrae la prima unità con probabilità:
N
pi* = ci ∑ ci .
i =1
(ii) Senza rimpiazzare nella popolazione l’unità estratta per prima, che indichiamo
con i1, si estrae una seconda unità, diciamo j|i1, con probabilità:
p *j i1 = X i X − X i1 .
E’ possibile verificare che, con questo schema, per i = 1,..., N :
π i = 2X i X ,
come richiesto dalla (9.13) e che per ogni coppia i ≠ j:
π ij =
2X i X j
X − Xi − X j
X (∑i ci ) ( X − 2 X i )(X − 2 X j )
.
Inoltre, lo schema descritto garantisce che ∆ ij < 0 per ogni coppia i ≠ j e,
conseguentemente, che esista uno stimatore non negativo della varianza dello
stimatore yπ , almeno nella versione di Yates e Grundy.
Riguardo al caso n > 2, ci limitiamo a riportare uno schema relativamente semplice,
applicabile nei casi in cui il campione sia di dimensione piuttosto elevata: il
campionamento sistematico con probabilità variabile.
13
La selezione sistematica con probabilità variabile è stata originariamente proposta
da Madow (1949), e successivamente riesaminata da diversi AA. Tra questi Rao e
Hartley (1962) cui si deve la sistemazione che segue.
Le unità della popolazione sono in via preliminare disposte secondo un ordine
casuale. Quindi, calcolata la distribuzione cumulativa X Cj delle misure di ampiezza
note Xi’ (utilizziamo l’indice i’ per identificare le unità della popolazione nel nuovo
ordine in cui si dispongono):
j
X Cj = ∑ X i ' ; ( j = 1,..., N ) ,
i '=1
e il rapporto K:
K = X /n
;
N
X = ∑ X i'
i '=1
(con gli opportuni provvedimenti per rendere K intero), si seleziona casualmente un
numero b compreso tra 1 e K e si include nel campione l’unità associata al termine
j, della serie cumulata, che soddisfa la disuguaglianza:
X Cj−1 < b + tK ≤ X Cj .
Si può osservare che in questo schema ogni unità non può essere selezionata più di
una volta se, per ogni i’, Xi’ ≤ K o, il che è equivalente, se npi’ ≤ 1. E’ inoltre facile
verificare che la probabilità di inclusione dell’i’-esima unità è esattamente npi’.
Relativamente complesso il procedimento per determinare la varianza. Rao e
Hartley, ricorrendo ad un approccio di tipo asintotico, hanno ricavato la seguente
espressione valida per valori abbastanza elevati di N in rapporto alla dimensione
campionaria n.
V HR ( y ) ≅
14
⎞
⎛ Yi '
1
⎟⎟[1 − (n − 1) pi ' ]
⎜
p
Y
−
∑
i
'
N 2 n i ' ⎜⎝ pi '
⎠
L’espressione mostra che questa varianza è inferiore alla corrispondente nel
campionamento con ripetizione in virtù del fattore [1 − (n − 1) pi ' ] .
Una stima campionaria della precedente varianza, anch’essa ricavata da Rao e
Hartley, è la seguente:
N N ⎡
N
y j' ⎞
1
⎤⎛ y
v HR ( y ) = 2
∑ ∑ ⎢1 − n( pi ' + p j ' ) + ∑ p 2j ' ⎥⎜⎜ i ' − ⎟⎟
N (n − 1) i '=1 j '>i '⎣
j '=1
⎦⎝ pi ' p j ' ⎠
9.7
2
CONFRONTO TRA SELEZIONE CON E SENZA RIPETIZIONE
Concludiamo, con un confronto tra selezione con probabilità variabile con e senza
ripetizione. Nel campionamento casuale semplice, l’estrazione senza ripetizione
risulta sempre vantaggiosa rispetto a quella con ripetizione, almeno in termini di
precisione delle stime. E’ possibile oltretutto dimostrare che stime basate sulle sole
unità distinte di un campione casuale semplice con ripetizione risultano più precise
di quelle basate sull’intero campione (Raj e Kamis, 1958).
La relazione tra selezione con e senza ripetizione valida per il campionamento
casuale semplice non è generalizzabile al CPV. Per mettere a confronto i due tipi di
selezione occorre in primo luogo fissare dei parallelismi tra i procedimenti. Oltre a
quello consueto relativo alla uguale dimensione campionaria, si assume
normalmente che sia soddisfatta l’uguaglianza πi = npi. Tale uguaglianza risponde
alla logica aspettativa che le probabilità di inclusione del primo ordine siano
proporzionali alle probabilità iniziali di selezione, ma allo stesso tempo restringe il
confronto alle situazioni nelle quali la frequenza attesa di inclusione non superà il
valore 1.
Sotto queste assunzioni, D. Raj (1966) ha dimostrato che, indipendentemente dai
valori osservabili yi (i = 1,..., N), una condizione sufficiente affinché lo stimatore
di Horvitz e Thompson del totale Y abbia varianza inferiore allo stimatore (9.2), è
che:
π ij >
(n − 1) π π
n
i
j
(9.14)
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per ogni i e j.
Lo stesso autore ha dimostrato che una condizione necessaria affinché, sotto le
stesse assunzioni, la selezione senza ripetizione sia migliore di quella con
ripetizione è la seguente:
π ij ≤
2(n − 1)
π iπ j
n
(9.15)
Dalla disuguaglianza è inoltre immediato ricavare che, per n = 2, lo stimatore della
varianza di stima (9.12) sarà positivo soltanto se risulterà soddisfatta la (9.15).
16
