一般高斯情况下CRLB求解时Fisher信息阵公式推导

目录

一般高斯情况下Fisher信息阵公式

公式推导前需要整理的公式和性质

性质1:自相关矩阵和其逆矩阵都是对称矩阵

性质2:行列式求导公式

性质3:逆矩阵求导公式

性质4:向量求迹(Tr)

性质5:对称阵的计算公式

性质6:正态分布的奇数阶矩为0

证明过程

第一步:写出包含待估计量的似然函数

第二步:对似然函数求对数

第三步:求一阶导数

第四步:求Fisher矩阵



一般高斯情况下Fisher信息阵公式

一般高斯情况时,即:

 那么x的概率密度函数可以表示为: 

其中:

一般高斯情况下CRLB求解时Fisher信息阵公式推导_第1张图片

 其中μ(θ)和C(θ)都存在待估计的参数,且C(θ)是对称矩阵

 那么一般高斯情况时,Fisher信息矩阵的第i,j个元素,可以表示为:


公式推导前需要整理的公式和性质

性质1:自相关矩阵和其逆矩阵都是对称矩阵

是对称矩阵,且也是对称矩阵

 具体可以参考:

https://blog.csdn.net/weixin_43270276/article/details/120560885?spm=1001.2014.3001.5501

性质2:行列式求导公式

一般高斯情况下CRLB求解时Fisher信息阵公式推导_第2张图片

性质3:逆矩阵求导公式

一般高斯情况下CRLB求解时Fisher信息阵公式推导_第3张图片

 具体参考:

笔记:矩阵行列式求导以及矩阵的逆的求导_DengTseng的博客-CSDN博客_矩阵行列式求导

性质4:向量求迹(Tr)

对于相同长度的矢量m和n,那么存在:

性质5:对称阵的计算公式

 其中:

性质6:正态分布的奇数阶矩为0

参考

标准正态分布k阶原点矩公式_犹有傲霜枝的博客-CSDN博客_正态分布的k阶原点矩


证明过程

第一步:写出包含待估计量的似然函数

第二步:对似然函数求对数

第三步:求一阶导数

上式计算时,分三部分,显然第一项不包含待估计参数θ,所以该项对所有待估计参数的一阶导数都为0。因此重点要求第二和第三项对待估计参数的一阶导数。

第二项对待估计参数的一阶导数:

由于是N*N维矩阵,因此也是N*N维矩阵,根据上述性质2,得到:

一般高斯情况下CRLB求解时Fisher信息阵公式推导_第4张图片

 第三项对待估计参数的一阶导数:

一般高斯情况下CRLB求解时Fisher信息阵公式推导_第5张图片

一般高斯情况下CRLB求解时Fisher信息阵公式推导_第6张图片

 而其中:

一般高斯情况下CRLB求解时Fisher信息阵公式推导_第7张图片

 因此第三项对待估计参数的一阶导数可以表示为:

一般高斯情况下CRLB求解时Fisher信息阵公式推导_第8张图片

 因此,最终一阶导数可以表示为:

一般高斯情况下CRLB求解时Fisher信息阵公式推导_第9张图片

第四步:求Fisher矩阵

 利用统计信号处理基础(3-23)性质,得到:

一般高斯情况下CRLB求解时Fisher信息阵公式推导_第10张图片

 为了简化运算过程,令:

 因此:

一般高斯情况下CRLB求解时Fisher信息阵公式推导_第11张图片

 于是可以得到:

一般高斯情况下CRLB求解时Fisher信息阵公式推导_第12张图片

 利用性质6,可以得到上式中:

一般高斯情况下CRLB求解时Fisher信息阵公式推导_第13张图片

 因此,可以稍微简化为:

一般高斯情况下CRLB求解时Fisher信息阵公式推导_第14张图片

 上式中的第一项不需要化简,而第二第三项的化简,需要用到性质3和性质4,具体为:

一般高斯情况下CRLB求解时Fisher信息阵公式推导_第15张图片

 同理:

一般高斯情况下CRLB求解时Fisher信息阵公式推导_第16张图片

 因此,第二第三项可以化简为:

一般高斯情况下CRLB求解时Fisher信息阵公式推导_第17张图片

 第四项的化简,需要用到性质5

一般高斯情况下CRLB求解时Fisher信息阵公式推导_第18张图片

 第五项的化简:

由于:一般高斯情况下CRLB求解时Fisher信息阵公式推导_第19张图片都是1*1的元素,因此:

一般高斯情况下CRLB求解时Fisher信息阵公式推导_第20张图片

于是:

一般高斯情况下CRLB求解时Fisher信息阵公式推导_第21张图片

 上述化简代入后,最终可以得到:

一般高斯情况下CRLB求解时Fisher信息阵公式推导_第22张图片

证明完毕。 

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