形式陈述
几个坐标各自呈正态,是否就组成了一个正态向量?真正的联合条件要更强。称 p 维随机向量 公理库 随机向量 Random vector · 多维随机变量 一次随机试验同时输出有限多个实坐标所形成的可测映射。 X 服从多元正态分布,记为 N p ( μ , Σ ) ,若对每个 a ∈ R p ,
a T X ∼ N ( a T μ , a T Σ a ) . 这定义了向量空间上的一族概率分布 公理库 概率分布 Probability distribution · Law 可测空间上总质量为一的测度;随机变量的律是由样本概率推出的一类分布。 。这里使用一元正态 公理库 正态分布 Normal distribution · Gaussian distribution · 高斯分布 具有指数平方密度、在仿射变换与独立求和下封闭的概率分布族。 并允许方差为零,此时随机变量为常量。均值为 μ = E X ,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。 Σ = Cov ( X ) 必须对称半正定。
等价地,其联合特征函数 公理库 特征函数(概率) Characteristic function of a distribution 随机变量的复指数矩,也就是概率分布的 Fourier 变换。 为
φ X ( t ) = E e i t T X = exp ( i t T μ − 1 2 t T Σ t ) , t ∈ R p . 也等价于存在实矩阵 A 和独立标准正态组成的向量 Z ,使 X = d μ + A Z ,且 A A T = Σ 。
只有 Σ 正定时 ,X 才具有相对于 p 维 Lebesgue 测度的密度
f X ( x ) = 1 ( 2 π ) p / 2 ( det Σ ) 1 / 2 exp [ − 1 2 ( x − μ ) T Σ − 1 ( x − μ ) ] . 若秩为 r < p ,分布集中在 μ + range ( Σ ) 这一 r 维仿射子空间上。它仍是合法的联合正态,只是不能把奇异矩阵硬塞进上述普通密度。
直觉
从一团独立标准正态噪声出发,先拉伸不同方向,再旋转,最后平移,就得到一般多元正态。协方差的特征向量给方向,特征值给沿该方向的方差。某个特征值为零,意味着那个方向完全不随机,云团被压到低维平面上。
“每个坐标都正态”只检查坐标轴方向;定义要求每一种线性投影都正态。这个全方向要求才足以使均值和协方差唯一确定整个联合律,也才使零协方差能够升级为独立。
条件分布则把已经观测到的方向固定。剩余变量的中心会随观测移动,方差会扣掉已解释的部分;在高斯族内,这种扣除有精确的线性代数公式。
例子与边界
一个可直接生成的相关向量
取独立 Z 1 , Z 2 ∼ N ( 0 , 1 ) ,令
X 1 = 3 Z 1 + Z 2 , X 2 = Z 2 . 直接计算协方差 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。 得
μ = 0 , Σ = ( 4 1 1 1 ) , det Σ = 3. 对任意 t 1 , t 2 ,t 1 X 1 + t 2 X 2 = 3 t 1 Z 1 + ( t 1 + t 2 ) Z 2 ,所以
φ X ( t ) = exp [ − 1 2 { 3 t 1 2 + ( t 1 + t 2 ) 2 } ] . 其密度也可写成容易看懂的形式:
f ( x 1 , x 2 ) = 1 2 π 3 exp [ − 1 2 { ( x 1 − x 2 ) 2 3 + x 2 2 } ] . 固定 X 2 = y 后,只剩独立的 3 Z 1 未知,故 X 1 ∣ X 2 = y ∼ N ( y , 3 ) 。反向条件分布不同:X 2 ∣ X 1 = x ∼ N ( x / 4 , 3 / 4 ) 。条件方向不能互换系数。
正态分布也能没有二维密度
取 Y = ( Z , 2 Z ) ,其中 Z ∼ N ( 0 , 1 ) 。其协方差为
( 1 2 2 4 ) , 秩为一,全部概率位于 y 2 = 2 y 1 。任何线性组合仍是一元正态,但平面上的这条直线面积为零,不可能承载一个普通二维密度的全部质量。
图片加载失败 “零协方差推出独立”也必须带上联合正态 条件。仅有两个正态边缘不够;随机改变一个正态变量的符号,就可以保留边缘形状却留下绝对值完全相等的依赖。这里的区别是联合律,不是单个直方图看起来像不像钟形。
推论与应用
三种刻画为何等价
由全方向定义,对标量 t T X 使用一元正态特征函数,立即得到联合特征函数公式。反过来,把联合公式限制在直线 s a 上,就得到 a T X 的一元正态特征函数。
再用对称矩阵的谱分解 公理库 有限维谱定理 Finite-dimensional spectral theorem 有限维复正规算子存在正交规范特征基;实数情形对应自伴算子。 写
Σ = Q diag ( λ 1 , … , λ p ) Q T , λ j ≥ 0. 取 A = Q diag ( λ 1 , … , λ p ) 。独立标准正态的特征函数相乘,说明 μ + A Z 恰具有前述联合特征函数;唯一性便给出同分布表示,连零特征值也包括在内。
正定时 A 可逆,变量替换 z = A − 1 ( x − μ ) 的Jacobian 公理库 Jacobian 矩阵 Jacobian matrix 多元映射各偏导数组成并表示其导数的矩阵。 绝对值为 1 / | det A | = ( det Σ ) − 1 / 2 。把独立标准正态密度代入,得到全维密度公式。若 A 不可逆,这一步变量替换不成立,必须保留低维构造。
仿射变换与独立性
对固定矩阵 L 和向量 b ,任意 a T ( L X + b ) 仍是 X 的线性组合加常量,因此
L X + b ∼ N ( L μ + b , L Σ L T ) . 将 X 分成两个坐标块。若交叉协方差为零,特征函数指数中没有混合项,联合特征函数分解成两个边缘特征函数之积,于是两块独立。这个论证对退化块同样成立,不依赖密度存在。
条件公式来自独立残差
设联合正态向量分块为 ( X A , X B ) ,均值为 ( μ A , μ B ) ,协方差块为 Σ A A , Σ A B , Σ B B ,并假定 Σ B B 正定。定义
R = X A − μ A − Σ A B Σ B B − 1 ( X B − μ B ) . R 与 X B 联合正态,且交叉协方差为零,所以独立。展开 R 的协方差得到
Σ R = Σ A A − Σ A B Σ B B − 1 Σ B A . 故一个正则条件分布 公理库 条件分布 Conditional distribution · Regular conditional distribution 给定观测值后随机量的概率律,以及它与原联合分布相容的核表示。 版本为
X A ∣ X B = b ∼ N ( μ A + Σ A B Σ B B − 1 ( b − μ B ) , Σ R ) . 这不是对概率零事件随意作除法,而是由独立残差直接构造的条件概率核。Σ R 可以奇异;例如 Y = ( Z , 2 Z ) 在给定 Y 2 后,Y 1 = Y 2 / 2 已完全确定。若被观测块本身奇异,应先选其独立支撑坐标,不能直接写不存在的普通逆。
参考资料