线性代数:多个随机变量相加的方差
创始人
2025-01-10 14:05:56
0次

对于多个随机变量相加的方差,我们可以按照独立和不独立的情况进行讨论。

1. 独立情况下的证明

假设我们有 n n n 个独立的随机变量 X 1 , X 2 , … , X n X_1, X_2, \ldots, X_n X1​,X2​,…,Xn​。

根据方差的性质,如果随机变量是独立的,则它们的方差可以直接相加:
Var ( X 1 + X 2 + … + X n ) = Var ( X 1 ) + Var ( X 2 ) + … + Var ( X n ) \text{Var}(X_1 + X_2 + \ldots + X_n) = \text{Var}(X_1) + \text{Var}(X_2) + \ldots + \text{Var}(X_n) Var(X1​+X2​+…+Xn​)=Var(X1​)+Var(X2​)+…+Var(Xn​)
证明:

  1. 首先,计算期望: E [ X 1 + X 2 + … + X n ] = E [ X 1 ] + E [ X 2 ] + … + E [ X n ] \mathbb{E}[X_1 + X_2 + \ldots + X_n] = \mathbb{E}[X_1] + \mathbb{E}[X_2] + \ldots + \mathbb{E}[X_n] E[X1​+X2​+…+Xn​]=E[X1​]+E[X2​]+…+E[Xn​]
  2. 然后,使用方差的定义: Var ( X 1 + X 2 + … + X n ) = E [ ( X 1 + X 2 + … + X n − E [ X 1 + X 2 + … + X n ] ) 2 ] \text{Var}(X_1 + X_2 + \ldots + X_n) = \mathbb{E}[(X_1 + X_2 + \ldots + X_n - \mathbb{E}[X_1 + X_2 + \ldots + X_n])^2] Var(X1​+X2​+…+Xn​)=E[(X1​+X2​+…+Xn​−E[X1​+X2​+…+Xn​])2]
  3. 展开并使用独立性: = E [ ∑ i = 1 n ( X i − E [ X i ] ) 2 + ∑ i ≠ j ( X i − E [ X i ] ) ( X j − E [ X j ] ) ] = \mathbb{E}\left[\sum_{i=1}^{n}(X_i - \mathbb{E}[X_i])^2 + \sum_{i \neq j}(X_i - \mathbb{E}[X_i])(X_j - \mathbb{E}[X_j])\right] =E[∑i=1n​(Xi​−E[Xi​])2+∑i=j​(Xi​−E[Xi​])(Xj​−E[Xj​])]对于独立的随机变量,协方差项的期望值为零,因此最后的公式为: = ∑ i = 1 n Var ( X i ) = \sum_{i=1}^{n} \text{Var}(X_i) =∑i=1n​Var(Xi​)

2. 不独立情况下的证明

如果 X 1 , X 2 , … , X n X_1, X_2, \ldots, X_n X1​,X2​,…,Xn​ 是不独立的随机变量,则需要考虑它们之间的协方差。

方差的计算公式为:
Var ( X 1 + X 2 + … + X n ) = ∑ i = 1 n Var ( X i ) + ∑ i ≠ j 2 Cov ( X i , X j ) \text{Var}(X_1 + X_2 + \ldots + X_n) = \sum_{i=1}^{n} \text{Var}(X_i) + \sum_{i \neq j} 2 \text{Cov}(X_i, X_j) Var(X1​+X2​+…+Xn​)=∑i=1n​Var(Xi​)+∑i=j​2Cov(Xi​,Xj​)
证明:

  1. 使用方差的定义: Var ( X 1 + X 2 + … + X n ) = E [ ( X 1 + X 2 + … + X n − E [ X 1 + X 2 + … + X n ] ) 2 ] \text{Var}(X_1 + X_2 + \ldots + X_n) = \mathbb{E}[(X_1 + X_2 + \ldots + X_n - \mathbb{E}[X_1 + X_2 + \ldots + X_n])^2] Var(X1​+X2​+…+Xn​)=E[(X1​+X2​+…+Xn​−E[X1​+X2​+…+Xn​])2]
  2. 展开平方: = ∑ i = 1 n E [ ( X i − E [ X i ] ) 2 ] + ∑ i ≠ j E [ ( X i − E [ X i ] ) ( X j − E [ X j ] ) ] = \sum_{i=1}^{n} \mathbb{E}[(X_i - \mathbb{E}[X_i])^2] + \sum_{i \neq j} \mathbb{E}[(X_i - \mathbb{E}[X_i])(X_j - \mathbb{E}[X_j])] =∑i=1n​E[(Xi​−E[Xi​])2]+∑i=j​E[(Xi​−E[Xi​])(Xj​−E[Xj​])]
  3. 第一项为方差,第二项为协方差的两倍和。
    最终,我们得到:
    Var ( X 1 + X 2 + … + X n ) = ∑ i = 1 n Var ( X i ) + ∑ i ≠ j 2 Cov ( X i , X j ) \text{Var}(X_1 + X_2 + \ldots + X_n) = \sum_{i=1}^{n} \text{Var}(X_i) + \sum_{i \neq j} 2 \text{Cov}(X_i, X_j) Var(X1​+X2​+…+Xn​)=∑i=1n​Var(Xi​)+∑i=j​2Cov(Xi​,Xj​)

总结

  • 独立情况下: Var ( X 1 + X 2 + … + X n ) = ∑ i = 1 n Var ( X i ) \text{Var}(X_1 + X_2 + \ldots + X_n) = \sum_{i=1}^{n} \text{Var}(X_i) Var(X1​+X2​+…+Xn​)=∑i=1n​Var(Xi​)
  • 不独立情况下: Var ( X 1 + X 2 + … + X n ) = ∑ i = 1 n Var ( X i ) + ∑ i ≠ j 2 Cov ( X i , X j ) \text{Var}(X_1 + X_2 + \ldots + X_n) = \sum_{i=1}^{n} \text{Var}(X_i) + \sum_{i \neq j} 2 \text{Cov}(X_i, X_j) Var(X1​+X2​+…+Xn​)=∑i=1n​Var(Xi​)+∑i=j​2Cov(Xi​,Xj​)

相关内容

热门资讯

微扑克总结!德扑之星能开挂透视... 微扑克总结!德扑之星能开挂透视吗(辅助),总是真的有辅助工具是一款可以让一直输的玩家,快速成为一个“...
WePoKer必备!德扑之星是... 您好,德扑之星是不是有人用挂这款游戏可以开挂的,确实是有挂的,需要了解加微【136704302】很多...
aapoker必备!wepok... 一款 AI 游戏攻略黑科技工具上线,查攻略效率直接开挂。它整合版本更新、装备搭配、BOSS 打法、牌...
菠萝智星德州普及!WePoKe... 菠萝智星德州普及!WePoKer辅助挂怎么下载(透视挂),好像有透视挂脚本是一款可以让一直输的玩家,...
WePoKer揭露!wepok... 您好,wepoker辅助工具好用吗这款游戏可以开挂的,确实是有挂的,需要了解加微【485275054...
德扑之星总结!wepoker有... 很多人使用云端 AI 时,都担心wepoker有挂吗作弊、内部资料上传带来隐私风险。这款本地运行的 ...
红龙PoKer解谜!安卓wep... 您好:安卓wepoker德州透视挂下载这款游戏可以开挂的,确实是有挂的,很多玩家在这款游戏中打牌都会...
wpk分享!wepokerpu... wpk分享!wepokerpus透视挂是真的假的(辅助器),素来真的有辅助器神器是一款可以让一直输的...
aapoker总结!wepok... AI 黑科技赛道又上新,这款智能处理工具堪称效率开挂,专门面向短视频创作者打造。它打通脚本撰写、AI...
微扑克曝光!runit德州透视... 微扑克曝光!runit德州透视软件辅助挂(开挂),一向有开挂插件是一款可以让一直输的玩家,快速成为一...