In shape-constrained nonparametric inference, it is often necessary to perform preliminary tests to verify whether a probability mass function (p.m.f.) satisfies qualitative constraints such as monotonicity, convexity, or in general $k$-monotonicity. In this paper, we are interested in nonparametric testing of $k$-monotonicity of a finitely supported discrete distribution. We consider a unified testing framework based on a natural statistic which is directly derived from the very definition of $k$-monotonicity. The introduced framework allows us to design a new consistent method to select the unknown knot points that are required to consistently approximate the limit distribution of several test statistics based either on the empirical measure or the shape-constrained estimators of the p.m.f. We show that the resulting tests are asymptotically valid and consistent for any fixed alternative. Additionally, for the test based solely on the empirical measure, we study the asymptotic power under contiguous alternatives and derive a quantitative separation result that provides sufficient conditions to achieve a given power. We employ this test to design an estimator for the largest parameter $k \in \mathbb N_0$ such that the p.m.f. is $j$-monotone for all $j = 0, \ldots, k$, and show that the estimator is different from the true parameter with probability which is asymptotically smaller than the nominal level of the test. A detailed simulation study is performed to assess the finite sample performance of all the proposed tests, and applications to several real datasets are presented to illustrate the theory.


翻译:在形状约束的非参数推断中,通常需要进行初步检验以验证概率质量函数是否满足单调性、凸性或一般意义上的$k$-单调性等定性约束。本文研究有限支撑离散分布的$k$-单调性非参数检验问题。我们基于一个从$k$-单调性定义直接导出的自然统计量,构建了统一的检验框架。该框架使我们能够设计一种新的、一致的方法来选择未知节点,这些节点对于基于经验测度或概率质量函数的形状约束估计量的多种检验统计量的极限分布的一致逼近是必需的。我们证明所得检验对于任何固定备择假设都是渐近有效且一致的。此外,对于仅基于经验测度的检验,我们研究了在局部备择假设下的渐近功效,并推导了定量分离结果,该结果为达到给定功效提供了充分条件。我们利用该检验设计了一个估计量,用于估计使得概率质量函数对所有$j = 0, \ldots, k$均满足$j$-单调性的最大参数$k \in \mathbb N_0$,并证明该估计量偏离真实参数的概率渐近小于检验的显著性水平。通过详细的模拟研究评估了所有提出检验的有限样本性能,并通过对多个真实数据集的应用来展示理论的实际意义。

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