第四节矩`协方差矩阵.
矩阵的方差 协方差
矩阵的方差协方差矩阵方差与协方差是统计学中常用的两个概念，用于衡量变量之间的相关性以及数据的离散程度。
在数据分析和机器学习等领域中，矩阵方差与协方差的概念被广泛运用，成为了测量和建模数据之间关系的重要工具。
一、方差(Variance)方差是用来度量随机变量离其期望值的平均距离，衡量数据的离散程度和分布的散布程度。
对于一个样本集合X={X1,X2,...,Xn}，其方差定义为：Var(X) = E（(X-EX)²）其中，E表示期望值运算符，EX表示X的期望值。
方差越大，数据的分散程度越大。
对于一个n×d的矩阵X，如果将其看作是包含n个样本的d维向量，我们可以通过求解X在每个维度上的方差来得到矩阵的方差。
即，对于每个维度i，我们可以计算矩阵X在该维度上的样本方差：Var(X[:,i]) = Var([X₁,i; X₂,i; ...; Xn,i])其中，Var表示方差运算符，X[:,i]表示X矩阵中的第i列。
将每个维度上的样本方差组成一个向量Var(X)=[Var(X[:,1]),Var(X[:,2]),...,Var(X[:,d])]，即可得到矩阵X的方差。
二、协方差(Covariance)协方差用于度量两个变量之间的线性关系。
对于两个随机变量X和Y，其协方差定义为：Cov(X,Y) = E（(X-EX)*(Y-EY)）其中，EX和EY分别表示X和Y的期望值。
协方差可正可负，正值表示两个变量正相关，负值表示两个变量负相关，数值的绝对值表示相关程度的强弱。
对于一个n×d的矩阵X，我们可以通过协方差矩阵来度量各个维度之间的相关性。
协方差矩阵的定义如下：Cov(X) = E（(X-EX)(X-EX)ᵀ）其中，(X-EX)(X-EX)ᵀ是一个n×n的矩阵，表示X中每个样本向量与其均值向量之间的差值，ᵀ表示转置运算符。
协方差矩阵的对角线元素为各个维度上的方差，非对角线元素为不同维度之间的协方差。
概率论-4.4 矩和协方差矩阵
3
目录
上页
下页
返回
对n维随机变量来说，可作类似推广：
其中
c11 c12 L c1n
C
c21
c22
L
c2n
M M
M
Байду номын сангаас
cn1 cn2 L cnn
cij Cov(Xi , X j ) E Xi E(Xi ) X j E(X j ) ,i, j 1, 2,L , n
称C为n维随机变量 (X1, X 2,L , X n ) 的协方差矩阵。
2020年4月26日星期日
2
目录
上页
下页
返回
令
X1 X2
它的转置为
E( )
X1, X2 这时ξ的数学期望为
E(X1)
E
(
X
2
)
类似于一维随机变量，可以对ξ定义二阶中心矩：
E[
E(
)][
E(
)]
E
X1 X2
E(X1) E(X2)
(
X1
E(
X1),
X
2
E(
X
2
))
E
X
2020年4月26日星期日
1
目录
上页
下页
返回
注意到
D(X ) E X E(X )2
自然地推广到
E X E(X )k
称上式为X的k阶中心矩。
E(X kY l ), E X E(X )k Y E(Y )l
分别称为X的k+l阶混合矩和k+l阶混合中心矩。 特别地，当k=1，l=1时，二阶混合中心矩就是协方差。
第四节 矩和协方差矩阵
由于
4.3 协方差与相关系数及矩与协方差矩阵
由f ( x , y ) f X ( x ) fY ( y )可得X与Y不独立.
注意 1、设有随机变量X,Y，下列事实是等价的：
(1) cov( X ,Y ) 0
( 2) X与Y不相关
( 3) E ( XY ) E ( X ) E (Y ) (4) D( X Y ) D( X ) D(Y )
性质6 若X ,Y相互独立, 则cov( X ,Y ) 0;
性质7 若U ,V为随机变量, 且E (U 2 ), E (V 2 )都存在, 则
[ E (UV )]2 E (U 2 ) E (V 2 );
取U X E ( X ),V Y E (Y ), 则有 [cov( X ,Y )]2 D( X ) D(Y ).
定义3 若 cov( X ,Y ) 0或 XY 0,
则称随机变量X与Y不相关.
几点说明:
(1) cov( X ,Y ) E ( XY ) E ( X ) E (Y ), cov( X , X ) D( X ).
( 2)离散型 : cov( X ,Y ) [ xi E ( X )][ y j E (Y )] pij .
定义2
设( X ,Y )是二维随机变量 若 cov( X ,Y ), D( X ), D(Y )都 , cov( X ,Y ) 存在, 且D( X ) 0, D(Y ) 0, 则称 为随 D( X ) D(Y ) 机变量X与Y的相关系数或标准协方 , 记为 XY ,即 差
XY
cov( X ,Y ) . D( X ) D(Y )
ex3.设随机变量X的概率分布密度为 1 x f ( x) e x , 2 (1)求X的数学期望E(X)和方差D(X). (2)求cov(X,|X|)，并问X与|X|是否不相关？ (3)问X与|X|是否相互独立？为什么？ 1 x 解 (1) EX xf ( x )dx x e dx 0, 2 DX E[ X E ( X )]2 E ( X 2 )
《概率论》第4章矩、协方差矩阵
为 k l 阶混合中心矩
E假(定X )其中各数学1 阶期原望点都矩存在
D“矩(X”) 是来自于2物阶理中学心中矩力矩的概念
Cov(X y,Y )
2 阶混合中心矩
y f (x)
O
x d第x 四章 随机x变量的数字特征
§4 矩、协方差矩阵
2/8
对于二维r.v ( X1,，X记2 )
c11 E[( X1 E( X1))2 ] D( X1) c12 E[(X1 E(X1))(X2 E(X2 ))] Cov(X1, X 2 )
7/8
(X1, X2 ,L , Xn ) ~ N(,C) X1, X2,, Xn 的任一线性
组合 l1X1 l2 X2 ln Xn 服从一维正态分布 正态r.v的线性变换不变性：设
(X1, X2 ,, Xn ) ~ N(,C) 令
Y1 a11 X1 a12 X2 a1n Xn
Y2
§4 矩、协方差矩阵
1/8
对于 r.v X ,Y , 称
E( X k ) ( k 1, 2,)
为 k阶原点矩，简称 k阶矩 .称
E[( X E( X ))k ] ( k 2,3,)
为 k阶中心矩 .称
E( X kY l ) (k,l 1, 2,)
为 k l 阶混合矩 .称
E[( X E(X ))k (Y E(Y ))l ] (k,l 1, 2,)
)e2 xp2{
12(x(X1)1( y)2TC21)(X
(y
)}2
2 2
)2
]}
与一维记再正记C态Xr.vcc12密11xyf度c(c,1x222)函数比11211较2, e2则xp{122(x2
)
2
}
矩协方差矩阵
26 12
设(X1, X2,…, Xn) 是n 维随机变量, Xi与Xj的相关系数 ρij ( i , j =1,2,…,n )存在,
11 12 1n
则称矩阵
R
...2.1........2.2...............2
n
n1 n2 nn
为该随机变量的相关矩阵.
X+Y 与3X –Y 的相关系数为
Cov( X Y ,3X Y ) 2 1
D( X Y ) D(3X Y ) 4 16 4
(X+Y ,3X –Y)的协方差矩阵
C
4 2
2 16
(X+Y ,3X –Y)的相关矩阵
R
1 0.25
C C11 C21
C12 C22
2 1
1
2
1
2 2
2
例1 若 D( X ) 1, D(Y ) 4, XY 1 4,
求(X+Y ,3X –Y)的协方差矩阵和相关矩阵.
解:
Cov(X ,Y ) XY
D( X )
D(Y )
思考题答案：
协方差矩阵的主对角线上的元素Cii是相应的第i个 随机变量的方差;
相关矩阵的主对角线上的元素ρii都为1.
练习题：
1.已知随机变量X,Y 的联合分布为
XY 2 0 1 1 0.30 0.12 0.18
1 0.10 0.18分布随机变量 (X,Y) 的期望向量μ和协 方差矩阵V,分别是
C22 E{[X2 E( X2 )]2} D( X2 )
协方差矩阵的矩阵公式
协方差矩阵的矩阵公式协方差矩阵是统计学中常用的一种矩阵，用于衡量两个随机变量之间的线性关系。
在统计学和金融领域中，协方差矩阵被广泛应用于风险分析、资产组合优化和相关性分析等方面。
本文将介绍协方差矩阵的矩阵公式以及其在实际应用中的意义。
我们来看一下协方差的定义。
协方差是衡量两个随机变量之间关系的统计量，它描述了这两个变量的变化趋势是否一致。
协方差的计算公式如下：cov(X,Y) = E[(X-μX)(Y-μY)]其中，X和Y分别是两个随机变量，μX和μY分别是X和Y的均值，E表示期望值。
协方差的值可以为正、负或零，分别表示正相关、负相关和无相关。
协方差矩阵是由多个随机变量的协方差组成的矩阵。
假设有n个随机变量，我们可以用一个n×n的矩阵来表示它们之间的协方差关系。
协方差矩阵的计算公式如下：Cov(X) = [cov(X1,X1) cov(X1,X2) ... cov(X1,Xn)cov(X2,X1) cov(X2,X2) ... cov(X2,Xn)...cov(Xn,X1) cov(Xn,X2) ... cov(Xn,Xn)]其中，Cov(X)表示协方差矩阵，cov(Xi,Xj)表示随机变量Xi和Xj之间的协方差。
协方差矩阵具有以下几个重要的性质和应用：1. 对称性：协方差矩阵是对称矩阵，即cov(Xi,Xj) = cov(Xj,Xi)。
这意味着随机变量之间的协方差是相互关联的，而且关联的程度是相等的。
2. 正定性：协方差矩阵是一个正定矩阵，即对于任意非零向量a，有a^T Cov(X) a > 0。
这表示协方差矩阵具有良好的性质，可以用来描述随机变量之间的方差和相关性。
3. 主成分分析：协方差矩阵在主成分分析中起着重要的作用。
主成分分析是一种降维技术，可以通过对协方差矩阵进行特征值分解，找到数据集中最重要的主成分。
4. 风险分析：在金融领域中，协方差矩阵被广泛应用于风险分析。
通过计算资产收益率的协方差矩阵，可以评估不同资产之间的风险敞口，帮助投资者进行风险管理和资产配置。
第四节矩与协方差矩阵
例
相互独立, 设随机变量 X 和 Y 相互独立,且 X ~ N ( 1, 2 ), Y ~ N (0, 1 ).
试求: 试求:Z = 2X – Y + 3 的概率密度 解: 因为:X ~ N ( 1, 2 ), Y ~ N ( 0, 1 ),且 X 与 Y 独立 因为: , 的联合分布为正态分布, 故: X 和 Y 的联合分布为正态分布,X 和 Y 的任 意线性组合是正态分布. 意线性组合是正态分布 即: Z ~ N ( E(Z),D(Z) ) , 而: E( Z ) = 2E( X ) - E( Y ) + 3 = 2 + 3 = 5 D( Z ) = 4D( X ) + D( Y ) = 8 + 1 = 9
概率统计
所以: 所以: Z ~ N ( 5, 32 ) 的概率密度为: 故: Z 的概率密度为:
fZ (z) =
1 3 2π
e
( z5)2 18
∞< z < ∞
概率统计
�
2
c22 = E{[ X2 E( X2 )] }
2
c11 c12 将它们排成矩阵的形式: 将它们排成矩阵的形式 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ c21 c22
称此矩阵为( 协方差矩阵. 称此矩阵为(X1, X2)的协方差矩阵
概率统计
这是 一个 对称 矩阵
▲ 类似可 注: 类似可定义 n 维随机变量 X1, X2, …, Xn ) 的 维随机变量( 协方差矩阵. 协方差矩阵 若 ci j = Cov( Xi , X j ) i, j = 1, 2,…, n 都存在, 都存在,则称矩阵 : c11 c12 L c21 c22 L C= M M L cn1 cn2 L
概率论课件矩、协方差矩阵
中心矩是相对于均值（期望值）的矩，用于描述随机变量分布的形状和离散程 度。
标准化矩
标准化矩是对中心矩进行标准化处理后的矩，用于比较不同随机变量的分布特 性。
样本矩与总体矩
பைடு நூலகம்样本矩
样本矩是从总体中抽取样本后计算得到的矩，用于估计总体矩。
总体矩
总体矩是描述总体分布特性的矩，是样本矩的极限值。
03 协方差矩阵
详细描述
分析矩和协方差矩阵需要使用相关的统计方 法和技巧，如主成分分析、因子分析、聚类 分析等。通过对矩和协方差矩阵的分析，可 以提取数据集中的主要特征、发现变量之间 的潜在关系、对数据进行分类或聚类等。
实例三：数据集的矩和协方差矩阵应用
总结词
数据集的矩和协方差矩阵在概率论中有着广泛的应用 ，如统计推断、假设检验、回归分析等。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
VS
第二阶原点矩（即方差）
协方差矩阵的对角线元素是各个随机变量 的方差，非对角线元素是各个随机变量的 协方差。
协方差矩阵与方差-协方差矩阵的关系
方差-协方差矩阵是一个包含各个随机 变量的方差和协方差信息的矩阵，而 协方差矩阵只包含各个随机变量的协 方差信息。
方差-协方差矩阵是协方差矩阵的一个 扩展，它同时包含了随机变量的方差 信息，而协方差矩阵只包含随机变量 的协方差信息。
详细描述
在统计推断中，矩和协方差矩阵可用于估计总体参数和 进行假设检验。例如，利用样本矩估计总体矩，然后使 用这些估计值进行假设检验或置信区间的计算。在回归 分析中，矩和协方差矩阵可用于估计回归系数和进行模 型诊断。通过分析回归模型的矩和协方差矩阵，可以检 验模型的假设是否成立、诊断模型的问题等。此外，在 时间序列分析和金融数据分析等领域，矩和协方差矩阵 也具有重要的应用价值。