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第18讲 高斯过程1
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第六章 高斯(Gauss)过程(一) 多元正态(Gauss)分布1.n 元正态分布的定义定 义 : 设是 n 元 随 机 向 量 , 其 均 值 为,其中,令:
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中国科学院大学 2021~2022 第一学期 随机过程讲稿 孙应飞
第六章 高斯(Gauss)过程
(一) 多元正态(Gauss)分布
1.
n
元正态分布的定义
定 义 : 设
T
n
),,,(
21
是
n
元 随 机 向 量 , 其 均 值 为
T
n
),,,(
21
,其中
niE
ii
,,2,1},{
,令:
nkiEb
kkiikiik
,,2,1,)},)({(),cov(
则可得
的协方差矩阵为:
nnik
bB
)(
,注意矩阵
B
为一非负定对称矩阵,我
们有如下的定义:
(1) 如果
B
是一正定矩阵,则
n
元随机向量
T
n
),,,(
21
服从正态分布
时的概率分布密度为:
)}()(
2
1
exp{
)2(
1
)(),,,(
1
2/1
2/
21
xBx
B
xfxxxf
T
n
T
n
其特征函数为:
}
2
1
exp{)(),,,(
21
tBttjtttt
TTT
n
(A)
n
元随机向量服从正态分布记为:
),(~ BN
。
(2) 如果
B
不是一正定矩阵,则由(A)可以定义一特征函数,由此特征函数
对应的分布函数我们定义为
n
元正态分布,仍记为
),(~ BN
。
2.
n
元正态分布的边缘分布
定理:设
T
n
),,,(
21
为服从
n
元正态分布 的 随 机 向 量 , 即
),(~ BN
,则
的任意一个子向量
nm
m
kkk
),,,,(
11
仍服从正态分布。
中国科学院大学 2021~2022 第一学期 随机过程讲稿 孙应飞
3.
n
元正态分布的独立性
定理:
n
元正态分布的随机变量
n
,,,
21
相互独立的充分必要条件是它
们两两不相关。
定理:设
),,,(
21 n
T
为正态分布的随机向量,且
T
T
),(
21
2221
1211
BB
BB
B
其中:
2211
,BB
分别是
21
,
的协方差矩阵,
12
B
是由
1
及
2
的相应分量的协方
差构成的矩阵,
T
BB
2112
,则
1
与
2
相互独立的充分必要条件是
0
12
B
。
4.正态随机变量线性变换后的性质
( 1 )设
),(~),,,(
21
BN
T
n
T
,
),,,(
21 n
T
,
T
n
k
kk
aa
1
,
),,,(
21 n
T
aaaa
, 则 有
T
aE }{
,
aBaD
T
}{
。
(2)令
nmjk
cC
)(
,
C
,则有:
T
CBCDCE }{,}{
(3)
),(~),,,(
21
BN
T
n
T
的充分必要条件是:
),(),(~
1 111
aBaaNbaaaNaa
TT
n
k
n
i
kiik
n
k
kk
T
n
k
kk
(4)若
),(~),,,(
21
BN
T
n
T
,
nmjk
cC
)(
为任意的矩阵,则
有:
C
为服从
m
元正态分布,即
),(~
T
CBCCNC
。
( 5)若
),(~),,,(
21
BN
T
n
T
,则存在一正交矩阵
U
, 使得
T
U
是一独立正态分布的随机向量,它的均值为
T
U
,方差为矩阵
B
的特
征值。
(6)
n
维正态随机变量
),,,(
21 n
XXX
的每一个分量都是正态变量;反
中国科学院大学 2021~2022 第一学期 随机过程讲稿 孙应飞
之,若
n
XXX ,,,
21
都是正态随机变量,且相互独立,则
),,,(
21 n
XXX
是
n
维正态随机变量。
5.例子
设
),,,(
4321
XXXX
为服从正态分布的随机向量,且
4,3,2,1,0}{ iXE
i
,
试证明:
}{}{}{}{}{}{
}{
324142314321
4321
XXEXXEXXEXXEXXEXXE
XXXXE
证明:见教材 P466。
注意:此结论非常重要,经常会被应用。
设
YX ,
是服从均值为零的正态分布二维随机变量,其联合概率密度为:
2
2
2
21
2
1
2
2
2
21
2
)1(2
1
exp
12
1
),(
yrxyx
r
r
yxf
则
2
2
2
1
22
2
2
1
22
21
2}{,}{
rYXErXYE
cossin
2
21
XYE
其中:
22
,sin
r
。
证明:由联合分布可以求得边缘分布和条件分布为:
2
1
2
1
2
exp
2
1
)(
x
xf
X
2
1
2
2
2
2
2
2
)1(2
1
exp
12
1
)(
),(
)(
xr
y
r
r
xf
yxf
xyf
X
XY
由此可得:
2
2
1
2
2
2
2
2
22
1
2
)1(, X
r
rXYEX
r
XYE
中国科学院大学 2021~2022 第一学期 随机过程讲稿 孙应飞
因此,我们有:
21
2
1
2
rXE
r
XYXEEXXYEEXYE
2
222
1
2
2
22
1
2
2
4
1
2
1
2
2
2
2
1
2
2
24
2
1
2
2
2
22
2
2
222222
22
3)1()1(
XYEYEXEr
r
rXE
r
XEr
XYEXEXYXEEYXE
另外
0
00
0
21
0
00
),(),(2
),(2}{
),(),(
),(
dxdyyxxyfdxdyyxxyfr
dxdyyxxyfXYE
dxdyyxxyfdxdyyxxyf
dxdyyxfxyXYE
xy
xyxy
令:
2
1
y
v
x
u
则有:
0
0
2
2
22
21
21
0
0
22
2
2
21
21
1
2
1
exp
1
2
2
)1(2
1
exp
1
2
dudvv
r
rvu
uv
r
r
dudvvruvu
r
uv
r
rXYE
令:
vR
r
rvu
R
sin
1
cos
2
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张匡龙
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