第十一部分:基础统计——均值、方差与协方差
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本部分内容
- 11.1 实际均值、期望与方差
- 11.2 二项、Poisson 与正态分布
- 11.3 协方差矩阵与联合概率
- 11.4 统计学的三个基本不等式
- 11.5 Markov 矩阵与 Markov 链
11.1 均值、期望与方差
样本均值与期望
进行
若随机变量可能取值
大数定律说明,在适当条件下,当独立同分布试验次数
样本方差与总体方差
样本方差衡量观测值围绕样本均值的离散程度:
分母使用
总体方差定义为:
展开可得常用的第二公式:
公平硬币示例
令
则
连续分布
对连续随机变量,概率质量的求和变成对概率密度
11.2 二项、Poisson 与正态分布
1. 二项分布
进行
其中
二项随机变量的均值和方差为
2. Poisson 分布
考虑稀有事件极限:
保持不变。
零次成功的二项概率为
一般地,恰有
Poisson 分布的均值和方差相同:
它们分别是二项分布均值
3. 正态分布
均值为
其概率密度为
图像是以
标准正态分布为
标准化变量为
中心极限定理说明:对具有有限方差的独立同分布样本,其标准化样本和或样本均值的分布随着样本量增加趋近标准正态分布。
更准确地,若
的分布在
多元正态分布
对
协方差矩阵为
指数中的二次型给出从
11.3 协方差矩阵与联合概率
考虑两个随机量,例如年龄
设联合概率
边缘概率为
即允许
协方差矩阵为
离散形式为
每一项都是正半定秩一矩阵,因此
如果不存在某个非零线性组合几乎必然为常数,则
如果
两枚硬币
若两枚硬币粘在一起,总是同时出现相同结果,则
这是相关的奇异情形,
若两枚公平硬币相互独立,则
协方差为零,
11.4 统计学的三个基本不等式
Markov 不等式
若随机变量
例如
把后三项的一部分提出:
所有省略项都非负,所以
因此:
Chebyshev 不等式
若
证明只需把 Markov 不等式应用于非负随机变量
因为
且
所以
Chernoff 界
设
是独立随机变量之和,记其均值为
对典型的独立 Bernoulli 变量和,乘法形式的 Chernoff 界给出:
与 Markov、Chebyshev 的多项式衰减不同,这些概率随偏离程度呈指数衰减。直观上,一大批独立变量的总和若要显著偏离均值,通常需要多个变量同时出现不寻常取值,因此概率很小。
11.5 Markov 矩阵与 Markov 链
按本书的列向量约定,Markov 矩阵
并且每一列元素之和为
因此概率向量
Perron-Frobenius 理论说明:
的最大模特征值为 若所有元素严格为正,则其余特征值满足
若只要求元素非负,则其余特征值满足
考虑
它的特征值为
因此
租车分布示例
令状态向量表示 Chicago 和 Denver 两地的车辆数量:
下一时刻:
如果最初 100 辆车全在 Chicago:
如果最初全在 Denver:
无论从哪种初始分布开始,系统都趋于稳态:
稳态是
另一个特征值为
这正是特征值控制长期动态的一个直接例子。