09-第7讲-联合分布协方差与相关


1. 联合分布

设 是定义在同一样本空间上的随机变量。

离散情形的联合概率质量函数为

连续情形的联合概率密度函数为

两种情形的联合累积分布函数统一定义为

2. 离散联合 PMF

独立掷两枚公平六面骰,令 为第一枚点数、 为第二枚点数。对任意 ,

联合概率表的 36 个格子都为 。这张二维表既显示各变量的可能值,也显示每个成对结果的概率。

第一枚点数与总点数

令

则 只能取满足

的格子。在这些格子中

其他格子概率为 0。例如

3. 连续联合密度

若 、,则 位于矩形

小矩形 内的概率近似为

合法联合密度满足

密度可以大于 1,因为它本身不是概率。

处理联合密度需要把二重积分理解为二维求和。矩形区域可用迭代积分计算;若密度为常数 ,任意区域 的概率就是

4. 由区域表示事件

两枚骰子的离散事件

令

事件包含

Misplaced & \begin{aligned} A=\\{&(1,3),(1,4),(1,5),(1,6),\\ &(2,4),(2,5),(2,6),\\ &(3,5),(3,6),(4,6)\\}. \end{aligned}

共有 10 个等可能格子,因此

单位正方形中的连续事件

若 在 上均匀,联合密度为 1。事件 是对角线 下方的三角形,面积为 ,所以

边界 的面积为零,不影响结果。

5. 联合 CDF

若取值范围左下角为 ,则

在适当光滑条件下,

联合 CDF 对每个坐标均单调不减,在取值范围左下方为 0,在右上方趋于 1。

6. 边缘分布

联合表中沿行或列求和,可得到单个变量的边缘 PMF:

两枚骰子例子中,第一枚点数的边缘分布为

总点数 在 上的概率依次为

连续情形通过“积掉”另一个变量获得边缘密度:

边缘 CDF 也可由联合 CDF 得到:

7. 联合密度综合题

设 ,联合密度为

(a) 验证合法性

在单位正方形上 ,且

所以它是合法密度。

(b) 事件

(c) 联合 CDF

对 ,

范围外的 CDF 按边界截断。例如 或 时为 0, 时为 1。

(d) 的边缘 CDF

因此

连续变量在端点处的严格与非严格不等号没有区别。

(e) 的边缘密度

再次得到

(f) 离散联合 CDF

在两个公平骰子的联合表中,

可取的 有 ,可取的 有 ,共 12 个格子,因此

8. 随机变量的独立性

事件 独立的定义是

随机变量 独立,当且仅当联合分布可分解为边缘分布的乘积。

CDF 形式:

对所有

离散 PMF 形式:

对所有

连续 PDF 形式:

对所有

独立掷出的两枚骰子点数 满足

所以独立。

但第一枚点数 与总点数 不独立。例如

而两项边缘概率都为正,不能相乘得到 0。

判断密度能否分解

以下密度均定义在适当矩形上并已归一化:

(i) 可写为 ,(iii) 可写为 ,所以两者可分解。

(ii) 可写为

其中 仍耦合在 中,不能写成只含 与只含 的函数乘积。

因此独立的是 (i) 和 (iii)。

9. 协方差

协方差度量两个随机变量共同变化的线性趋势。设均值分别为 ,定义

  • 正协方差: 高于均值时, 通常也高于均值;
  • 负协方差: 高于均值时, 通常低于均值;
  • 零协方差:中心化后乘积的正负贡献相互抵消,没有净线性趋势。

常用性质:

若 独立,则

反向命题不成立。

10. 零协方差但不独立

联合概率表为

0 1
0 0 0
1 0
1

由对称性

在所有有正概率的格子中, 的正负贡献相消,所以

因此

但 不独立,因为

而

事实上这里 ,存在完全确定的二次关系。协方差只测量线性关系,可能完全漏掉二次或更高阶关系。

11. 相关系数

相关系数是去除尺度后的协方差:

它等于标准化变量之间的协方差,因此:

  1. 无量纲;
  2. ;
  3. 当且仅当 几乎必然成立且 ;
  4. 当且仅当该线性关系中 。

相关为零只表示没有线性相关,不等于独立。

12. 重叠的抛硬币计数

公平硬币独立抛 11 次。令

前次中的正面数

后次中的正面数

两组都包含第 6 次抛掷。令 为第 次是否正面的指标,则

不同次抛掷的协方差为零,唯一公共项是 ,所以

又因

故

13. 相关不代表因果

讲义给出的现实相关例子包括:

  • 冰淇淋消费量与泳池溺亡人数随时间正相关;
  • 某些历史职业的死亡平均年龄较低;
  • 致死酒吧斗殴中,挑起冲突者死亡的比例很高;
  • 激素替代疗法的观察数据曾与较低冠心病率相关。

相关可能来自共同原因、选择偏差、反向因果或混杂变量。例如炎热天气同时增加冰淇淋消费和游泳活动,并不表示冰淇淋导致溺亡。

经验上观察到共同变化是因果关系的必要证据之一,却远非充分条件。因果判断还需要研究设计、时间顺序、机制和对混杂因素的控制。

14. 重叠和的散点图

令独立同分布变量为 ,并构造两个各含 项、共有 项的和。例如

这是 的情形。若每个 的方差为 ,则

所以

原讲义散点图展示:

  • :理论相关 ,样本相关约 ;
  • :理论相关 ,样本相关约 ;
  • :理论相关 ,样本相关约 。

样本相关不会恰好等于总体相关,但样本量大时通常接近。共享项占比越大,散点云的正线性趋势越明显。

15. 一般的重叠抛硬币问题

公平硬币抛 次。令

前次中的正面数

后次中的正面数

两组只共享第 次抛掷,因此

无论 多大都不改变。

另一方面,

所以

当 时,

协方差保持不变,但相对于两个总和越来越大的自身波动,公共一次抛掷的影响变得很小,因此相关趋于零。

本讲要点

  1. 联合 PMF/PDF 描述随机变量对的完整分布;
  2. 对联合分布求和或积分可得到边缘分布;
  3. 独立性等价于联合分布分解为边缘分布乘积;
  4. 协方差度量共同线性变化,相关系数进一步消除尺度;
  5. 独立推出零协方差,但零协方差不推出独立;
  6. 相关不等于因果;
  7. 重叠随机和的协方差由公共项决定。

文章作者: Gustavo
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