关于N元高斯分布的一些性质证明#
N元高斯分布的定义#
称n维度随机向量η=(X1,X2,...,Xn)服从n元正态分布,若η有以下的联合分布:
p(x)=(2π)2n∣Σ∣211exp(−21(x−μ)Σ−1(x−μ)T)
其中x,μ为n维行向量,Σ为n*n的正定矩阵。
下面来证明该定义的合理性与其性质。
定义的合理性#
所谓定义的合理性,就是证明概率的归一化性质。即需要证明:
∫x1=−∞+∞∫x2=−∞+∞...∫xn=−∞+∞p(x1,x2,...xn)dx1dx2...dxn=1
证明:我们来作归纳证明。奠基是显然的。假设对于n-1维的正态分布,结论成立,则对于n元正态分布:
=∫−∞+∞...∫−∞+∞p(x1,x2,...xn)dx1...dxn(2π)2n∣Σ∣211∫−∞+∞...∫−∞+∞exp(−21(x−μ)Σ−1(x−μ)T)dx1...dxn
设Σ−1=(Σn−1−1αTαc),x=(x′xn),并不妨令μ=0
于是
原式=(2π)2n∣Σ∣211∫−∞+∞...∫−∞+∞exp(−21x′Σ′−1x′T)[∫−∞+∞exp(−21(cxn2+2x′α))dxn]dx1...dxn−1
其中
===∫−∞+∞exp(−21(cxn2+2x′α))dxn∫−∞+∞exp(−21c(xn2+2c1x′α+(c1x′α)2))×exp(2c1(x′α)2)dxn∫−∞+∞exp(−21c(xn+c1x′α)2)×exp(2c1x′ααTx′T))dxnc2π×exp(2c1x′ααTx′T))
故
原式=(2π)2n∣Σ∣21c2π∫−∞+∞...∫−∞+∞exp(−21x′Σ′−1x′T+2c1x′ααTx′T)dx1...dxn−1=(2π)2n∣Σ∣21c2π∫−∞+∞...∫−∞+∞exp(−21x′(Σ′−1+cααT)x′T)dx1...dxn−1
由归纳假设
原式=(2π)2n∣Σ∣21c2π(2π)2n−1∣Σ′−1+cααT∣−21=c∣Σ′−1+ααT∣∣Σ−1∣
由基本初等行变换可知∣Σ−1∣=c∣Σ′−1+ααT∣。于是原式=1。□
期望值#
我们证明E(x)=μ。
相似地,我们使用归纳法证明,采用与上面相同的记号,并依然不妨设μ=0.于是就只需要证明E(x)=0
奠基是显然的。假设对于n-1维的正态分布,结论成立,则对于n元正态分布,不失一般性地,我们去求E(xn)。
E(xn)=∫−∞+∞...∫−infty+∞p(x1,x2,...xn)xndx1...dxn=(2π)2n∣Σ∣211∫−∞+∞...∫−∞+∞exp(−21x′Σ′−1x′T)[∫−∞+∞xnexp(−21(cxn2+2x′α))dxn]dx1...dxn−1
其中,
==∫−∞+∞xnexp(−21(cxn2+2x′α))dxn∫−∞+∞xnexp(−21c(xn+c1x′α)2)×exp(2c1x′ααTx′T))dxn−cx′α×exp(2c1x′ααTx′T))
故由归纳假设,有
原式=(2π)2n∣Σ∣211∫−∞+∞...∫−∞+∞−cx′αexp(−21x′Σ′−1x′T+2c1x′ααTx′T)dx1...dxn−1=0□