协方差矩阵推导

article/2025/11/10 18:58:38

协方差定义:cov({\bf{x}},{\bf{y}}) = E[({\bf{x}} - {u_x}){({\bf{y}} - {u_y})^T}] = E({\bf{x}}{​{\bf{y}}^T}) - E({\bf{x}})E({\bf{y}}),其中${u_x},{u_y}$分别为向量${\rm{x}},{\bf{y}}$的均值。  

 

设已知矩阵% MathType!MTEF!2!1!+- % feaagKart1ev2aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLn % hiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqr1ngB % PrgifHhDYfgatCvAUfeBSn0BKvguHDwzZbqegSSZmxoasaacH8srps % 0lbbf9q8WrFfeuY-Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0-yr % 0RYxir-Jbba9q8aq0-yq-He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeqabaqaci % GacaGaaeqabaWaaeaaeaqbbOqaaiaadogacaWGVbGaamODaiaacIca % caWH4bGaaiilaiaahMhacaGGPaGaeyypa0JaamyraiaacUfacaGGOa % GaaCiEaiabgkHiTiaadwhadaWgaaWcbaGaamiEaaqabaGccaGGPaGa % aiikaiaahMhacqGHsislcaWG1bWaaSbaaSqaaiaadMhaaeqaaOGaai % ykamaaCaaaleqabaGaamivaaaakiaac2facqGH9aqpcaWGfbGaaiik % aiaahIhacaWH5bWaaWbaaSqabeaacaWGubaaaOGaaiykaiaam2caca % WGfbGaaiikaiaahIhacaGGPaGaamyraiaacIcacaWH5bGaaiykaaaa % !6485! \[cov({\bf{x}},{\bf{y}}) = E[({\bf{x}} - {u_x}){({\bf{y}} - {u_y})^T}] = E({\bf{x}}{​{\bf{y}}^T}) - E({\bf{x}})E({\bf{y}})\]

X = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {​{x_{11}}}&{​{x_{12}}}& \cdots &{​{x_{1n}}}\\ {​{x_{21}}}&{​{x_{22}}}& \cdots &{​{x_{2n}}}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ {​{x_{m1}}}&{​{x_{m2}}}& \cdots &{​{x_{mn}}} \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {​{​{\bf{x}}_{\bf{1}}}}&{​{​{\bf{x}}_{\bf{2}}}}& \cdots &{​{​{\bf{x}}_{\bf{n}}}} \end{array}} \right]

cov(X) = cov(\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {​{​{\bf{x}}_{\bf{1}}}}&{​{​{\bf{x}}_{\bf{2}}}}& \cdots &{​{​{\bf{x}}_{\bf{n}}}} \end{array}} \right])

= \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {cov({​{\bf{x}}_1},{​{\bf{x}}_1})}&{cov({​{\bf{x}}_1},{​{\bf{x}}_2})}& \cdots &{cov({​{\bf{x}}_1},{​{\bf{x}}_n})}\\ {cov({​{\bf{x}}_2},{​{\bf{x}}_1})}&{cov({​{\bf{x}}_2},{​{\bf{x}}_2})}& \cdots &{cov({​{\bf{x}}_2},{​{\bf{x}}_n})}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ {cov({​{\bf{x}}_n},{​{\bf{x}}_1})}&{cov({​{\bf{x}}_n},{​{\bf{x}}_2})}& \cdots &{cov({​{\bf{x}}_n},{​{\bf{x}}_n})} \end{array}} \right]

= \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {E[{​{({​{\bf{x}}_1} - {u_{​{x_1}}})}^T}({​{\bf{x}}_1} - {u_{​{x_1}}})]}&{E[{​{({​{\bf{x}}_1} - {u_{​{x_1}}})}^T}({​{\bf{x}}_2} - {u_{​{x_2}}})]}& \cdots &{E[{​{({​{\bf{x}}_1} - {u_{​{x_1}}})}^T}({​{\bf{x}}_n} - {u_{​{x_n}}})]}\\ {E[{​{({​{\bf{x}}_2} - {u_{​{x_2}}})}^T}({​{\bf{x}}_1} - {u_{​{x_1}}})]}&{E[{​{({​{\bf{x}}_2} - {u_{​{x_2}}})}^T}({​{\bf{x}}_2} - {u_{​{x_2}}})]}& \cdots &{E[{​{({​{\bf{x}}_2} - {u_{​{x_2}}})}^T}({​{\bf{x}}_n} - {u_{​{x_n}}})]}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ {E[{​{({​{\bf{x}}_n} - {u_{​{x_n}}})}^T}({​{\bf{x}}_1} - {u_{​{x_1}}})]}&{E[{​{({​{\bf{x}}_n} - {u_{​{x_n}}})}^T}({​{\bf{x}}_2} - {u_{​{x_2}}})]}& \cdots &{E[{​{({​{\bf{x}}_n} - {u_{​{x_n}}})}^T}({​{\bf{x}}_n} - {u_{​{x_n}}})]} \end{array}} \right]

= \frac{1}{​{m - 1}}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {​{​{({​{\bf{x}}_1} - {u_{​{x_1}}})}^T}({​{\bf{x}}_1} - {u_{​{x_1}}})}&{​{​{({​{\bf{x}}_1} - {u_{​{x_1}}})}^T}({​{\bf{x}}_2} - {u_{​{x_2}}})}& \cdots &{​{​{({​{\bf{x}}_1} - {u_{​{x_1}}})}^T}({​{\bf{x}}_n} - {u_{​{x_n}}})}\\ {​{​{({​{\bf{x}}_2} - {u_{​{x_2}}})}^T}({​{\bf{x}}_1} - {u_{​{x_1}}})}&{​{​{({​{\bf{x}}_2} - {u_{​{x_2}}})}^T}({​{\bf{x}}_2} - {u_{​{x_2}}})}& \cdots &{​{​{({​{\bf{x}}_2} - {u_{​{x_2}}})}^T}({​{\bf{x}}_n} - {u_{​{x_n}}})}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ {​{​{({​{\bf{x}}_n} - {u_{​{x_n}}})}^T}({​{\bf{x}}_1} - {u_{​{x_1}}})}&{​{​{({​{\bf{x}}_n} - {u_{​{x_n}}})}^T}({​{\bf{x}}_2} - {u_{​{x_2}}})}& \cdots &{​{​{({​{\bf{x}}_n} - {u_{​{x_n}}})}^T}({​{\bf{x}}_n} - {u_{​{x_n}}})} \end{array}} \right]

样本自由度m-1,设{​{\bf{\tilde x}}_i} = {​{\bf{x}}_i} - {u_{​{x_i}}}\tilde X = [\begin{array}{*{20}{c}} {​{​{​{\bf{\tilde x}}}_1}}&{​{​{​{\bf{\tilde x}}}_2}}& \cdots &{​{​{​{\bf{\tilde x}}}_n}} \end{array}],则  cov(X) = \frac{1}{​{m - 1}}{\tilde X^T}\tilde X

 


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