对数学期望、方差、协方差、协方差矩阵的理解

2023-11-01

参考《概率论与数理统计》(浙大)

关键词:
数学期望,数学期望的性质,方差,标准差,方差的性质,协方差,相关系数,协方差矩阵

数学期望

变量分布的中心

数学期望也叫期望,或者均值,E(X)完全由X的概率分布决定,若X服从某一分布,也成E(X)是该分布的数学期望。

理解:X的数学期望是E(X)>>指的是多次采样,指标X的平均值是E(X)。

例如:
新生儿健康得分X的数学期望E(X)是7.15——每一次观察新生儿,平均的健康分数是7.15
电子产品的寿命N的数学期望是θ/2——取电子产品观察多次,平均的寿命是θ/2
候车时间的数学期望是27.22min——平均的候车时间是27.22min
家电收费Y的数学期望是2732.15——平均一台家电收费2732.15

数学期望的几个重要性质(设以下随机变量的数学期望存在):
  1. 设C是常数,则有

E ( C ) = C E(C)=C E(C)=C

  1. 设X是一个随机变量,C是常数,则有 E ( C X ) = C E ( X ) E(CX)=CE(X) E(CX)=CE(X)
  2. 设X,Y是两个随机变量,则有 E ( X + Y ) = E ( X ) + E ( Y ) E(X+Y)=E(X)+E(Y) E(X+Y)=E(X)+E(Y)可推广到任意有限个变量之和
  3. 设X,Y是两个独立的随机变量,则有 E ( X Y ) = E ( X ) E ( Y ) E(XY)=E(X)E(Y) E(XY)=E(X)E(Y)可推广到任意有限个独立变量之积

方差

变量分布的离散程度

知道了数学期望,也就知道了一批样本中某一指标的均值,方差在此基础上反映的是真实的样本据此均值的偏离程度,方差小,偏离程度就小,这一指标的出现的值就越稳定。

偏离程度的表示没有正负之分,所以用绝对值表示,为了方便起见,通常用平方来代替绝对值,用 E [ X − E ( X ) ] ² E{[X-E(X)]²} E[XE(X)]²表示偏离程度,记作D(X)或Var(X)

在应用上取其根号
D ( X ) \sqrt{D(X)} D(X)
记作
σ ( X ) \sigma(X) σ(X)
称为标准差或者方差

方差的几个重要性质(设以下随机变量的数学期望存在):
  1. 设C是常数,则 D ( C ) = 0 D(C)=0 D(C)=0
  2. 设X是随机变量,C是常数,则有 D ( C X ) = C ² ( X ) D(CX)=C²(X) D(CX)=C²(X)
  3. 设X,Y是两个随机变量,则有:
    D ( X + Y ) = D ( X ) + D ( Y ) + 2 E [ X − E ( X ) ] [ Y − E ( Y ) ] D(X+Y)=D(X)+D(Y)+2E{[X-E(X)][Y-E(Y)]} D(X+Y)=D(X)+D(Y)+2E[XE(X)][YE(Y)]
    特别地,当X和Y相互独立,则有 D ( X + Y ) = D ( X ) + D ( Y ) D(X+Y)=D(X)+D(Y) D(X+Y)=D(X)+D(Y)
    这一性质可以推广到任意有限个相互独立的随机变量之和
  4. D(X)=0的充要条件是X以概率1取常数E(X),即 P X = E ( X ) = 1 P{X=E(X)}=1 PX=E(X)=1

协方差

变量之间的相关程度

数学期望和方差都是针对样本中的某一个指标而言的,而对于二维随机变量(X,Y),协方差描述了随机变量X和Y的相互关系。
量: E [ X − E ( X ) ] ² [ Y − E ( Y ) ] ² E{[X-E(X)]²[Y-E(Y)]²} E[XE(X)]²[YE(Y)]² 称为样本X和Y的协方差,记作 C o v ( X , Y ) Cov(X,Y) Cov(X,Y)

ρ X Y = C o v ( X , Y ) D ( X ) D ( Y ) \rho_{XY}=\frac{Cov(X,Y)}{\sqrt{D(X)} \sqrt{D(Y)}} ρXY=D(X) D(Y) Cov(X,Y)
称为随机变量X和Y的相关系数

相关系数也称作线性相关系数,描述随机变量(X,Y)两个分量X,Y之间线性关系之间的紧密程度,相关系数小,线性相关程度差,ρXY=0,说明不相关或存在线性相关之外的关系。X,Y相互独立则X,Y一定不相关,若X,Y不相关则X,Y不一定相互独立。

C o v ( X , Y ) = C o v ( Y , X ) Cov(X,Y) = Cov(Y,X) Cov(X,Y)=Cov(Y,X) C o v ( X , X ) = D ( X ) Cov(X,X) = D(X) Cov(X,X)=D(X)

协方差矩阵

包含了方差和协方差的信息

协方差矩阵是一个对称矩阵。
有n维随机变量 ( X 1 , X 2 , . . . , X m ) (X1,X2,...,Xm) (X1,X2,...,Xm)其协方差矩阵的主对角线元素为各个元素的方差
其余的第i行第j列元素对应第i个元素和第j个元素的协方差。

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