随机过程(6):高斯过程(2): 多元高斯分布

随机过程 #随机过程 #高斯过程 #高斯分布 #DDPM 约 50 分钟 · 17330 字

高斯过程是一个连续时间、连续状态的随机过程。

一个随机过程 是高斯过程,当且仅当 ,随机向量

(1)

在本文中,我们对多元高斯分布 进行详细的介绍。

一、概率密度函数

当 时, 服从一个一维高斯分布 ,其概率密度为:

(2)

当 时, 服从一个二维高斯分布 ,其概率密度为:

(3)

对于一个 维高斯分布 ,其概率密度为:

(4)

其中, 称为均值, 称为协方差矩阵 (covariance matrix):

(5)

实际上这就是中心化之后的相关矩阵。

可以看到,高斯分布的密度函数有一个非常显著的特征:指数上方是一个二次型。

在附录1中,我们证明了公式 (4) 是一个概率密度函数。这个事情看起来没有什么用,但证明过程中所用到的积分技巧则是贯穿整个高斯过程的学习的。

二、特征函数

在上一篇文章中,我们介绍了随机向量的特征函数 (characteristic function),并用它来证明了中心极限定理以及大数定律。我们已经看到,特征函数非常适合用来处理多个随机变量之和。

现在,我们将特征函数扩展一下,考虑一个 维随机向量的特征函数:

(6)

其中 。

我们希望研究一下 维高斯分布的特征函数:

(7)

观察上面的式子我们不难发现,指数上方总共有两项:一个是二次型(平方项),一个是线性项。当一个平方项和一个线性项同时出现时,一个非常重要的积分技巧就是使用【配方】,将其配成一个新的平方以及一些和积分变量无关的常数项。这样一来,里面的积分又变成高斯的形式(指数上方二次型),整个式子就只剩下了前面的常数项。

我们首先用一维的形式来做一遍,后面再直接推广到 维。我们只考虑指数上方的项:

(8)

直接扩展到 维:

(9)

代入特征函数得:

(10)

特别的,当 时, 的特征函数的形式为:

(11)

三、线性性

多元高斯分布最重要的性质是线性性 (linearity)。线性性表明,多个高斯随机变量的任意线性组合仍然是一个高斯随机变量。

考虑 维随机变量 ,对于任意的矩阵 ,我们有:

(12)

注意这里的变换矩阵 甚至不需要是个方阵。我们比较熟悉的是处理维度相同的两个随机变量之间的关系,但这里的 和 维度不同,利用一般的概率论方法根本无法处理。此时,我们需要利用特征函数来处理。

考虑 的特征函数:

(13)

这就相当于 的特征函数在 上的取值,即:

(14)

对比高斯分布的特征函数 (10),我们立刻可以发现 也是一个高斯分布,其均值为 ,协方差为 。

Note: 我们可以通过对比特征函数的形式来确定 的分布,这是因为特征函数和概率密度是一一对应的,前面我们已经证明了特征函数是概率密度的傅里叶变换。这个定理称为 Levy Inversion Theorem。

四、边缘分布与联合分布的高斯性

4.1. 联合高斯一定有边缘高斯

利用高斯分布的线性性,我们可以快速证明:高斯分布的任意边缘分布还是高斯分布。

设 服从高斯分布,从其中任取 个下标 ,则边缘分布 也服从高斯分布。

这是因为:

(15)

其中, 是一个 维单位向量,其第 个元素为 ,其他元素为 。

4.2. 反过来成立吗?

这个结论反过来是不成立的。即任意边缘分布都是高斯分布,联合分布也不一定是高斯分布。

考虑下面的反例。设两个随机变量 ,其联合分布为:

(16)

其中, 满足:

(17)

可以发现,两个边缘分布都是高斯:

(18)

但联合分布并不是一个高斯分布。

对于 的取值,我们可以取 。但这样子可能会导致 不是一个概率密度函数,因为其积分值不是 。此时只需要一些小修改即可:

(19)

4.3. 什么条件下二者等价?

那么,在什么条件下,边缘分布的高斯性能够确保联合分布的高斯性呢?

我们下面给出两个充分条件,满足任意一个都可以确保联合分布是高斯分布。

Corollary 1. 若 是相互独立的高斯随机变量:,则 ,其中:

(20)

Corollary 2. 任意线性组合都是高斯,则联合分布一定是高斯

(21)

必要性是显然的,这是高斯分布的线性性所保证的。

下面我们来证明充分性。

任取 ,考虑 的特征函数:

(22)

因此,我们可以写出 的特征函数:

(23)

其中,

(24)

和 分别是 的均值和协方差矩阵。

代入 的特征函数得:

(25)

对比高斯分布的特征函数 (10),我们可以发现 的确是服从高斯分布 ,得证。

五、高斯分布下的样本均值和样本方差

我们已经知道,对于 个 i.i.d. 的随机变量 ,我们可以定义其样本均值和样本方差分别为:

(26)

其中,这二者都是无偏的,即 和 。

当我们进一步假设随机变量服从高斯分布 ,我们能够得到更多的结论。下面的Cochran定理就是一个重要的结论:

Theorem (Cochran). 设 ,则 和 是独立的。

下面我们来证明这一点。忽略样本方差中的常数项,我们有:

(27)

为了消除上面式子中的第二项,我们希望找到一个线性变换 ,使得:

(28)

事实上,这个矩阵 不难构造。

我们只需要令 的第一行全部为 ,就能够满足第二个条件。而第一个条件意味着 是一个正交矩阵(正交变换不改变长度),因此我们只需要构造 剩下的行,使其变为正交矩阵。比如说,其中一种构造结果是:

(29)

由于 ,根据高斯分布的线性性,我们立马能够知道 。也就是说, 也是独立的(方差是对角矩阵)。

这样一来,我们就有:

(30)

因此,样本方差与 是无关的,由于 恰好就是样本均值,因此我们证明了高斯分布下的样本均值和样本方差是独立的。

从这里也能看出为什么样本方差的分母是 。虽然定义是 个随机变量相加,但这些随机变量都是具有相关性的,真正无关的就只有 个自由度。

六、条件高斯分布

考虑随机变量 ,其中 和 。

若 ,其中:

(31)

分别对应 和 的均值与协方差矩阵。注意 ,而 。

6.1. 条件分布的概率密度函数

我们希望研究条件分布 的高斯性。考虑这个条件分布的概率密度函数:

(32)

6.1.1. 协方差矩阵分块对角化

和前面的方法类似,我们需要将两个指数项相减之后,试图配方来得到一个新的二次型,以此来分析其高斯性。但这里是一个高维的配方,比较复杂。问题主要集中在协方差矩阵的逆上。当我们对矩阵求逆之后,它的形式就会变得非常复杂,导致配方的难度较大。

为此,我们的想法是对协方差矩阵进行分块对角化,把非对角线矩阵全部变为0,并保留 不变。这样一来就能与分母直接抵消,大大降低复杂度。

事实上,由于

(33)

因此:

(34)

6.1.2. 对分子进行配方

至此,我们就可以写出公式 (32) 中的分子:

(35)

我们注意到,分子正好是两个二次型相加(都是形如 的形式),且第二个二次型正好就是公式 (32) 中的分母,二者直接抵消,只剩下第一个二次型。这恰好证明了条件分布的高斯性。

6.1.3. 最终形式

观察上式中第一个二次型,由于我们研究的变量是 ,因此我们可以看出条件分布的均值为:

(36)

协方差矩阵为:

(37)

至此,我们就可以写出条件分布概率密度 (32) 的最终形式:

(38)

6.2. 对条件期望的深入讨论

从公式 (38) 中我们可以看到,条件分布的均值实际上是 的均值 加上一个修正项 。我们来解释一下这个修正项的含义。

我们用一维的形式来做解释:

(39)

可以看到,分子是互相关,分母是自相关,这正好是一个投影的形式。这是因为 在 上的投影系数为:

(40)

因此,条件期望的均值实际上就是原来 的均值 加上条件 的一些信息,这些信息就是变量 投影到条件 上的结果。

此外,在 前面的内容 中,我们证明了条件期望 是均方距离意义下的最优估计(optimal estimator),即:

(41)

其中, 是所有可测函数的集合。

同时,投影是均方距离意义下的最优线性估计 (optimal linear estimator),即:

(42)

其中, 是所有仿射函数的集合,即形如 的函数。证明见 附录2。

因此,在高斯分布的条件下,最优估计就是最优线性估计,这二者是等价的。这是高斯分布所独有的性质,线性的就是最好的。

6.3. 对条件协方差的深入讨论

我们同样对条件协方差 进行一些讨论:

(43)

同样的,这个条件协方差也是在原来的协方差矩阵 上减去一个修正项 。

直观上,当我们增加了条件 之后,协方差应当变小。这是因为条件相当于引入了先验知识 ,就会使得随机变量的随机性变小,因此协方差也应变小。

我们可以证明这一点。为了表示一个协方差矩阵是变大还是变小,我们来分析其半正定性。

容易看出, 和 都是半正定的,而二者相减后仍然是半正定的。我们考虑一维情况:,根据柯西不等式,这个一定非负。

这样一来,当我们减去修正项之后,我们就可以说协方差矩阵“变小”了。

Appendix

Apd.1. 证明 (4) 是概率密度函数

下面我们证明 维高斯分布 的密度函数 (4) 是合法的。

因此,我们只需要证明两件事情:

  1. 非负性:。
  2. 归一性:。

其中,非负性是显然的。因为协方差矩阵 是半正定的,其行列式一定非负,因此 一定非负。

下面我们来证明归一性。

(44)

这里问题的核心在于被积函数中的协方差矩阵 。如果 是一个对角阵,我们就能够这 个积分变量解耦开来,变为 个独立的一维高斯分布的乘积。

这是可以做到的。注意到协方差矩阵是一个对称且半正定的矩阵,因此我们可以对其进行特征值分解:

(45)

其中, 是一个正交矩阵, 是一个对角矩阵,其对角线上的元素就是 的特征值。由于 是半正定的,其特征值都是非负的,因此我们可以记:

(46)

此时,我们有:

(47)

下面我们进行积分换元。令 ,因此 。由于 是正交矩阵,其行列式为 ,因此积分换元的雅可比为:

(48)

由此:

(49)

连乘中的每一项都是一个高斯分布 ,因此其积分一定为1,因此:

(50)

得证。

Apd.2. 证明投影是均方距离意义下的最优线性估计

下面我们证明:

投影是均方距离意义下的最优线性估计,即优化问题

(51)

的最优解为:

(52)

定义均方损失函数:

(53)

对 求偏导得:

(54)

令上式为0,解得:

(55)

即 。

代入 得:

(56)

对 求偏导得:

(57)

令上式为0,解得:

(58)

得证。