方差、协方差、协方差矩阵

方差是用来度量随机变量X 与其均值E(X) 的偏离程度。

 

【随机变量的协方差】

在概率论和统计中，协方差是对两个随机变量联合分布线性相关程度的一种度量。两个随机变量越线性相关，协方差越大，完全线性无关，协方差为零。定义如下：

当X，Y是同一个随机变量时，XX与其自身的协方差就是XX的方差，可以说方差是协方差的一个特例：

  或者  

定义相关系数η为：

 

通过X的方差var⁡(X)与Y的方差var⁡(Y)对协方差cov⁡(X,Y)归一化，得到相关系数η，η的取值范围是[−1,1]。1表示完全线性相关，−1表示完全线性负相关，0表示线性无关。线性无关并不代表完全无关，更不代表相互独立。

 

【样本的协方差】

在实际中，通常我们手头会有一些样本，样本有多个属性，每个样本可以看成一个多维随机变量的样本点，我们需要分析两个维度之间的线性关系。协方差及相关系数是度量随机变量间线性关系的参数，由于不知道具体的分布，只能通过样本来进行估计。

设样本对应的多维随机变量为，样本集合为，m为样本数量。与样本方差的计算相似，a和b两个维度样本的协方差公式为，其中1⩽a⩽n，1⩽b⩽n，n为样本维度：

 

 

 

这里分母为m−1是因为随机变量的数学期望未知，以样本均值代替，自由度减一。

 

 

【多维随机变量的协方差矩阵】对多维随机变量，我们往往需要计算各维度两两之间的协方差，这样各协方差组成了一个n×n 的矩阵，称为协方差矩阵。协方差矩阵是个对称矩阵，对角线上的元素是各维度上随机变量的方差。我们定义协方差矩阵为 Σ，这个符号与求和 ∑相同，需要根据上下文区分。矩阵内的元素Σij为：

这样这个矩阵为：

 

 

 

【样本的协方差矩阵】

与上面的协方差矩阵相同，只是矩阵内各元素以样本的协方差替换。样本集合为，m为样本数量，所有样本可以表示成一个n×m 的矩阵。我们以表示样本的协方差矩阵，与Σ区分。

公式中m 为样本数量，x¯为样本的均值，是一个列向量，x⋅j 为第 j 个样本，也是一个列向量。

 

在写程序计算样本的协方差矩阵时，我们通常用后一种向量形式计算。一个原因是代码更紧凑清晰，另一个原因是计算机对矩阵及向量运算有大量的优化，效率高于在代码中计算每个元素。

需要注意的是，协方差矩阵是计算样本不同维度之间的协方差，而不是对不同样本计算，所以协方差矩阵的大小与维度相同。

 

【Reference】

1. https://www.cnblogs.com/terencezhou/p/6235974.html