向量的期望和方差

对于向量而言它的期望和方差公式如下:
设有一个向量 x \mathbf{x} x:
x = [ x 1 x 2 ⋮ x n ] \mathbf{x} = \begin{bmatrix} x_1 \\ x_2 \\ \vdots \\ x_n \end{bmatrix} x=x1x2xn
它的期望为:
E ( x ) = [ E ( x 1 ) E ( x 2 ) ⋮ E ( x n ) ] E(\mathbf{x}) = \begin{bmatrix} E(x_1) \\ E(x_2) \\ \vdots \\ E(x_n) \end{bmatrix} E(x)=E(x1)E(x2)E(xn)
它的属性有:
E ( x 1 + x 2 ) = E ( x 1 ) + E ( x 2 ) E ( A x ) = A E ( x ) E ( a x ) = a E ( x ) E(\mathbf{x}_1 + \mathbf{x}_2) = E(\mathbf{x}_1) + E(\mathbf{x}_2) \\E(\mathbf{A}\mathbf{x}) = AE(\mathbf{x}) \\ E(a\mathbf{x}) = aE(\mathbf{x}) E(x1+x2)=E(x1)+E(x2)E(Ax)=AE(x)E(ax)=aE(x)
它的方差为:

var ( x ) = E [ ( x − μ ) ( x − μ ) T ] = [ var ( x 1 ) c o v ( x 1 , x 2 ) … c o v ( x 1 , x n ) c o v ( x 2 , x 1 ) v a r ( x 2 ) … c o v ( x 2 , x n ) … … … … c o v ( x 1 , x n ) … … v a r ( x n ) ] = [ ( x 1 − μ ) 2 ( x 1 − μ ) ( x 2 − μ ) … ( x 1 − μ ) ( x n − μ ) ( x 2 − μ ) ( x 1 − μ ) ( x 2 − μ ) 2 … ( x 2 − μ ) ( x n − μ ) … … … … ( x n − μ ) ( x 1 − μ ) … … ( x n − μ ) 2 ] \text{var}(\mathbf{x}) =\text{E}[(x-\mu)(x-\mu)^T] \\= \begin{bmatrix} \text{var}(x_1) & cov(x_1, x_2) & \dots & cov(x_1, x_n) \\ cov(x_2, x_1) & var(x_2) & \dots & cov(x_2, x_n) \\ \dots & \dots & \dots & \dots \\ cov(x_1, x_n) & \dots & \dots & var(x_n) \end{bmatrix} \\= \begin{bmatrix}(x_1-\mu)^2 & (x_1 -\mu)(x_2-\mu) & \dots & (x_1 -\mu)(x_n - \mu) \\ (x_2-\mu)(x_1-\mu) & (x_2 -\mu)^2 & \dots &(x_2 - \mu)(x_n-\mu) \\ \dots & \dots & \dots &\dots \\ (x_n-\mu)(x_1-\mu) & \dots & \dots & (x_n-\mu)^2\end{bmatrix} var(x)=E[(xμ)(xμ)T]=var(x1)cov(x2,x1)cov(x1,xn)cov(x1,x2)var(x2)cov(x1,xn)cov(x2,xn)var(xn)=(x1μ)2(x2μ)(x1μ)(xnμ)(x1μ)(x1μ)(x2μ)(x2μ)2(x1μ)(xnμ)(x2μ)(xnμ)(xnμ)2
方差的属性有:
var ( A x ) = E [ ( A x − A μ ) ( A x − A μ ) T ] = E [ A ( x − μ ) ( x − μ ) T A T ] = A E [ ( x − μ ) ( x − μ ) T ] A T = A var ( x ) A T \text{var}(\mathbf{Ax}) = \text{E}[(\mathbf{Ax} -\mathbf{A\mu})(\mathbf{Ax} -\mathbf{A\mu})^T] \\= \text{E}[\mathbf{A}(\mathbf{x} -\mathbf{\mu})(\mathbf{x} -\mathbf{\mu})^T\mathbf{A}^T] \\= \mathbf{A}\text{E}[(\mathbf{x} -\mathbf{\mu})(\mathbf{x} -\mathbf{\mu})^T]\mathbf{A}^T \\ = \mathbf{A}\text{var}(\mathbf{x})\mathbf{A}^T var(Ax)=E[(AxAμ)(AxAμ)T]=E[A(xμ)(xμ)TAT]=AE[(xμ)(xμ)T]AT=Avar(x)AT

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