期望、方差、协方差和协方差矩阵

一、期望

1.离散随机变量的X的数学期望:

E ( X ) = ∑ k = 1 ∞ x k p k E(X) = \sum_{k=1}^{\infty}x_kp_k E(X)=k=1xkpk
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2.连续型随机变量X的数学期望:

E ( X ) = ∫ − ∞ + ∞ x f ( x ) d x E(X) = \int_{-\infty}^{+\infty}xf(x)dx E(X)=+xf(x)dx
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3.常见分布的期望

1)泊松分布的期望等于 λ \lambda λ
2)均匀分布的期望位于区间的中心;
3) 高斯分布的期望为 μ \mu μ
4)二项分布的期望为 n p np np

4.期望的性质

常数的期望等于该常数;
E ( C X ) = C E ( X ) E(CX) = CE(X) E(CX)=CE(X);
E ( X + Y ) = E ( X ) + E ( Y ) E(X+Y) = E(X) + E(Y) E(X+Y)=E(X)+E(Y);
X , Y X,Y X,Y独立时, E ( X Y ) = E ( X ) E ( Y ) E(XY) = E(X)E(Y) E(XY)=E(X)E(Y)



二、 方差

研究随机变量与其均值的偏离程度,记为:
D ( X ) = E [ X − E ( X ) ] 2 D(X) = E{[X-E(X)]^2} D(X)=E[XE(X)]2

1.均方差,标准差

σ ( X ) = E [ X − E ( X ) ] 2 \sigma(X) = \sqrt{E{[X-E(X)]^2}} σ(X)=E[XE(X)]2

2.方差的计算

E [ X − E ( X ) ] 2 E{[X-E(X)]^2} E[XE(X)]2看做函数 g ( X ) g(X) g(X), 方差相当于求 g ( X ) g(X) g(X)的期望。
对于离散的: D ( X ) = ∑ k = 1 ∞ [ x k − E ( X ) ] 2 p k D(X) = \sum_{k=1}^{\infty}[x_k-E(X)]^2p_k D(X)=k=1[xkE(X)]2pk
对于连续的: D ( X ) = ∫ − ∞ + ∞ [ x k − E ( X ) ] 2 f ( x ) d x D(X) = \int_{-\infty}^{+\infty}[x_k-E(X)]^2f(x)dx D(X)=+[xkE(X)]2f(x)dx

实际中常用下面公式计算:
D ( X ) = E ( X 2 ) − [ E ( X ) ] 2 D(X) = E(X^2)-[E(X)]^2 D(X)=E(X2)[E(X)]2

3.常见分布的方差

1)高斯分布的方差 σ 2 \sigma^2 σ2
2) 0-1分布的方差为 D ( X ) = p ( 1 − p ) D(X) = p(1-p) D(X)=p(1p)
3) 泊松分布的方差为 λ \lambda λ
4) 均匀分布的方差为 ( b − a ) 2 12 \frac{(b-a)^2}{12} 12(ba)2
5)指数分布 f ( x ) = 1 θ e − x / θ f(x) = \frac{1}{\theta}e^{-x/\theta} f(x)=θ1ex/θ的方差为 θ 2 \theta^2 θ2

4. 性质

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三、协方差

描述两个变量的相关性
C o v = E [ X − E ( X ) ] [ Y − E ( Y ) ] Cov = E{[X-E(X)][Y-E(Y)]} Cov=E[XE(X)][YE(Y)]
相关系数
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)
ρ X Y = 0 \rho_{XY}=0 ρXY=0, 两个变量不相关
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四、协方差矩阵

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推广到多维:
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对于连续的情况:
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例子:
可以参考下面的博客:
详解协方差与协方差矩阵:https://blog.csdn.net/ybdesire/article/details/6270328


参考: 概率论与数理统计 浙大

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