形式陈述
一张数据表的行之间和列之间都可能相关,怎样为整个表建立一个联合分布?设随机矩阵公理库矩阵Matrix以有限行列集合为索引、取值于半环,并以中间指标求和定义乘法的函数。 ,均值矩阵为 。固定列优先向量化
若
则称 ,即矩阵正态分布。这里使用联合多元正态公理库多元正态分布Multivariate normal distribution · Multivariate Gaussian distribution · Jointly Gaussian vector以所有线性组合都正态刻画联合高斯向量,并由特征函数连接线性构造、退化支撑、全维密度与条件分布。,、 为正定矩阵; 表示第 个块为 的 Kronecker 乘积。
最不容易混淆的等价表达是逐元素协方差公理库协方差Covariance两个随机变量中心化乘积的期望,衡量线性共同变化。:
对矩阵的全部 个自由元素,其密度为
控制行方向, 控制列方向。但它们是协方差因子,而非任何情况下都各自等于实际行列协方差:第 列协方差为 ,第 行协方差为 。
直觉
把独立标准正态填进一个矩阵,再在左边乘一个行变换、右边乘一个列变换,就能生成矩阵正态。左乘让不同行混合,右乘让不同列混合。整个相关结构由两个较小矩阵协同描述。
在固定的列优先向量化表示下,这是一类协方差具有 Kronecker 结构的多元正态分布。“可分离”是一个实质模型限制:某两行之间的相关模式,必须在各列之间以相同方式复用;列方向也是如此。一般的联合高斯矩阵有一个任意 协方差,未必能拆成这两个因子的乘积。
列优先还是行优先只是一种记账约定,却会交换 Kronecker 因子的顺序。公式与代码必须采用同一个约定;逐元素协方差式可以用来检查是否放反。
例子与边界
四个元素的相关如何相乘
令 ,
按 排列,协方差为
同列不同行的相关为 ,同行不同列为 ,跨行跨列的 为 。它们不是四种独立可调的参数。
这里 、,所以 。在全部元素都为一的矩阵处,指数中的二次型为四,密度变为 。两次计算可以同时核对行列顺序与归一化幂次。
每个元素都独立,也未必满足可分离方差
考虑四个独立零均值正态元素,其方差按矩阵位置排列为
这当然构成一个联合高斯矩阵。但若能写成 ,四个方差必须满足左上乘右下等于右上乘左下;这里 ,所以不能表示为本页的矩阵正态模型。
两个协方差因子的尺度不可分别识别
对任意 ,
因此 与 给出完全相同的分布。若要分别估计两个因子,必须加一个尺度约定,例如 ;数据不能区分本来就是同一个联合协方差的两种参数写法。
若允许半正定因子,可通过线性生成定义退化版本,但上述全维密度需要两个因子都正定。奇异协方差不是靠把行列式零代入分母解决的。
推论与应用
从独立噪声构造矩阵正态
取 的全部元素独立 ,并取 、。令
逐元素展开并使用独立噪声的协方差,
所有元素又都是同一批独立正态的线性组合,所以它们联合正态。这证明了构造与定义等价,也提供了可靠的模拟方法。
密度中的行列式和迹
的特征值分别为 ,则 的特征值是全部乘积 。因此其行列式公理库行列式Determinant交换含幺环上方阵的交替多线性标量不变量。为
此外,对 ,直接按索引展开可核对
将这两式代入 维正态密度,就得到矩阵形式;无需再假设每一行或每一列独立。
线性变换与独立行特例
对固定 、,
若变换后因子奇异,就按退化联合高斯解释。该式可由逐元素协方差或 的构造直接验证。
特别地, 时,不同行交叉协方差为零,联合正态性使这些行独立,每行协方差都是 。这正是多响应回归常用的“观测行独立、响应列可以相关”模型。把列相关误当成行相关,会改变系数和残差的抽样分析。
参考资料
- SciPy 官方文档,《matrix_normal》,Notes 的矩阵密度、正定条件、列优先向量化与 约定。
- Stanford STATS305C,《Normal Theory》,Normal data matrix 与 Linear transformations of normal data matrices。