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比起阳光,我更需要阳菜!比起阳光,我更需要阳菜!

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)\eta=(X_1,X_2,...,X_n)服从n元正态分布,若η\eta有以下的联合分布:

p(x)=1(2π)n2Σ12exp(12(xμ)Σ1(xμ)T)\Large p(x)=\frac{1}{(2\pi)^{\frac{n}{2}}|\Sigma|^{\frac{1}{2}}}exp(-\frac{1}{2}(x-\mu)\Sigma^{-1}(x-\mu)^T)

其中x,μx,\mu为n维行向量,Σ\Sigma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\Large\int_{x_1=-\infty}^{+\infty}\int_{x_2=-\infty}^{+\infty}...\int_{x_n=-\infty}^{+\infty}p(x_1,x_2,...x_n)dx_1dx_2...dx_n=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=1(2π)n2Σ12+...+exp(12(xμ)Σ1(xμ)T)dx1...dxn\begin{align} & \int_{-\infty}^{+\infty}...\int_{-\infty}^{+\infty}p(x_1,x_2,...x_n)dx_1...dx_n\\ =&\frac{1}{(2\pi)^{\frac{n}{2}}|\Sigma|^{\frac{1}{2}}}\int_{-\infty}^{+\infty}...\int_{-\infty}^{+\infty}exp(-\frac{1}{2}(x-\mu)\Sigma^{-1}(x-\mu)^T)dx_1...dx_n\\ \end{align}

Σ1=(Σn11ααTc),x=(xxn)\Sigma^{-1}=\begin{pmatrix} \Sigma_{n-1}^{-1} & \alpha \\ \alpha^T & c \end{pmatrix},x=\begin{pmatrix}x^{\prime} & x_n\end{pmatrix},并不妨令μ=0\mu=0

于是

原式=1(2π)n2Σ12+...+exp(12xΣ1xT)[+exp(12(cxn2+2xα))dxn]dx1...dxn1原式=\frac{1}{(2\pi)^{\frac{n}{2}}|\Sigma|^{\frac{1}{2}}}\int_{-\infty}^{+\infty}...\int_{-\infty}^{+\infty}exp(-\frac{1}{2}x^{\prime}\Sigma^{\prime -1}x^{\prime T})[\int_{-\infty}^{+\infty}exp(-\frac{1}{2}(cx_n^2+2x^{\prime}\alpha ))dx_n] dx_1...dx_{n-1}\\

其中

+exp(12(cxn2+2xα))dxn=+exp(12c(xn2+21cxα+(1cxα)2))×exp(12c(xα)2)dxn=+exp(12c(xn+1cxα)2)×exp(12cxααTxT))dxn=2πc×exp(12cxααTxT))\begin{align} &\int_{-\infty}^{+\infty}exp(-\frac{1}{2}(cx_n^2+2x^{\prime}\alpha ))dx_n\\ =&\int_{-\infty}^{+\infty}exp(-\frac{1}{2}c(x_n^2+2\frac{1}{c}x^{\prime}\alpha +(\frac{1}{c}x^{\prime}\alpha )^2))\times exp(\frac{1}{2c}(x^{\prime}\alpha )^2)dx_n\\ =&\int_{-\infty}^{+\infty}exp(-\frac{1}{2}c(x_n+\frac{1}{c}x^{\prime}\alpha )^2)\times exp(\frac{1}{2c}x^{\prime}\alpha\alpha^Tx^{\prime T}))dx_n\\ =&\sqrt{\frac{2\pi}{c}}\times exp(\frac{1}{2c}x^{\prime}\alpha\alpha^Tx^{\prime T}))\\ \end{align}

原式=2πc(2π)n2Σ12+...+exp(12xΣ1xT+12cxααTxT)dx1...dxn1=2πc(2π)n2Σ12+...+exp(12x(Σ1+ααTc)xT)dx1...dxn1\begin{align}原式 &=\frac{\sqrt{\frac{2\pi}{c}}}{(2\pi)^{\frac{n}{2}}|\Sigma|^{\frac{1}{2}}}\int_{-\infty}^{+\infty}...\int_{-\infty}^{+\infty}exp(-\frac{1}{2}x^{\prime}\Sigma^{\prime -1}x^{\prime T}+\frac{1}{2c}x^{\prime}\alpha\alpha^Tx^{\prime T})dx_1...dx_{n-1}\\ &=\frac{\sqrt{\frac{2\pi}{c}}}{(2\pi)^{\frac{n}{2}}|\Sigma|^{\frac{1}{2}}}\int_{-\infty}^{+\infty}...\int_{-\infty}^{+\infty}exp(-\frac{1}{2}x^{\prime}(\Sigma^{\prime -1}+\frac{\alpha\alpha^T}{c})x^{\prime T})dx_1...dx_{n-1}\\ \end{align}

由归纳假设

原式=2πc(2π)n2Σ12(2π)n12Σ1+ααTc12=Σ1cΣ1+ααT\begin{align}原式 &= \frac{\sqrt{\frac{2\pi}{c}}}{(2\pi)^{\frac{n}{2}}|\Sigma|^{\frac{1}{2}}}(2\pi)^{\frac{n-1}{2}}|\Sigma^{\prime -1}+\frac{\alpha\alpha^T}{c}|^{-\frac{1}{2}}\\ &= \sqrt{\frac{|\Sigma^{-1}|}{c|\Sigma^{\prime -1}+\alpha\alpha^T|}}\\ \end{align}

由基本初等行变换可知Σ1=cΣ1+ααT|\Sigma^{-1}|=c|\Sigma^{\prime -1}+\alpha\alpha^T|。于是原式=1原式=1\square

期望值#

我们证明E(x)=μE(x)=\mu

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\mu=0.于是就只需要证明E(x)=0E(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(x_n)

E(xn)=+...infty+p(x1,x2,...xn)xndx1...dxn=1(2π)n2Σ12+...+exp(12xΣ1xT)[+xnexp(12(cxn2+2xα))dxn]dx1...dxn1\begin{align}E(x_n)&= \int_{-\infty}^{+\infty}...\int_{-infty}^{+\infty}p(x_1,x_2,...x_n)x_ndx_1...dx_n\\ &=\frac{1}{(2\pi)^{\frac{n}{2}}|\Sigma|^{\frac{1}{2}}}\int_{-\infty}^{+\infty}...\int_{-\infty}^{+\infty}exp(-\frac{1}{2}x^{\prime}\Sigma^{\prime -1}x^{\prime T})[\int_{-\infty}^{+\infty}x_nexp(-\frac{1}{2}(cx_n^2+2x^{\prime}\alpha ))dx_n] dx_1...dx_{n-1}\\ \end{align}

其中,

+xnexp(12(cxn2+2xα))dxn=+xnexp(12c(xn+1cxα)2)×exp(12cxααTxT))dxn=xαc×exp(12cxααTxT))\begin{align} &\int_{-\infty}^{+\infty}x_nexp(-\frac{1}{2}(cx_n^2+2x^{\prime}\alpha ))dx_n\\ =&\int_{-\infty}^{+\infty}x_nexp(-\frac{1}{2}c(x_n+\frac{1}{c}x^{\prime}\alpha )^2)\times exp(\frac{1}{2c}x^{\prime}\alpha\alpha^Tx^{\prime T}))dx_n\\ =&-\frac{x^{\prime}\alpha}{c}\times exp(\frac{1}{2c}x^{\prime}\alpha\alpha^Tx^{\prime T}))\\ \end{align}

故由归纳假设,有

原式=1(2π)n2Σ12+...+xαcexp(12xΣ1xT+12cxααTxT)dx1...dxn1=0\begin{align}原式 &=\frac{1}{(2\pi)^{\frac{n}{2}}|\Sigma|^{\frac{1}{2}}}\int_{-\infty}^{+\infty}...\int_{-\infty}^{+\infty}-\frac{x^{\prime}\alpha}{c}exp(-\frac{1}{2}x^{\prime}\Sigma^{\prime -1}x^{\prime T}+\frac{1}{2c}x^{\prime}\alpha\alpha^Tx^{\prime T})dx_1...dx_{n-1}\\ &=0\quad \quad \quad \square\\ \end{align}
Prove some properties of n-variable Gaussian distribution
https://trpuppy.github.io/blog/ai%E6%95%B0/n%E5%85%83%E9%AB%98%E6%96%AF
Author TRpuppy
Published at 2025年11月13日
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