好的,我们来一步步推导两个随机向量 X 和 Y 的协方差矩阵。
1. 定义与设定
设
X=(X1,X2,…,Xp)T∈Rp
Y=(Y1,Y2,…,Yq)T∈Rq
为两个随机向量,期望分别为
E[X]=μX,E[Y]=μY
2. 向量并排成大向量
令
Z=[XY]
它是 (p+q) 维随机向量,其期望为:
E[Z]=[μXμY]
3. 协方差矩阵定义
随机向量 Z 的协方差矩阵定义为:
Cov(Z)=E[(Z−E[Z])(Z−E[Z])T]
代入 Z 的形式:
Z−E[Z]=[X−μXY−μY]
于是:
=
\begin{bmatrix}
\mathbf{X} - \boldsymbol{\mu}_X \\
\mathbf{Y} - \boldsymbol{\mu}_Y
\end{bmatrix}
\begin{bmatrix} (\mathbf{X} - \boldsymbol{\mu}_X)^T & (\mathbf{Y} - \boldsymbol{\mu}_Y)^T \end{bmatrix}$$
做矩阵乘法,得:
$$=
\begin{bmatrix}
(\mathbf{X} - \boldsymbol{\mu}_X)(\mathbf{X} - \boldsymbol{\mu}_X)^T & (\mathbf{X} - \boldsymbol{\mu}_X)(\mathbf{Y} - \boldsymbol{\mu}_Y)^T \\
(\mathbf{Y} - \boldsymbol{\mu}_Y)(\mathbf{X} - \boldsymbol{\mu}_X)^T & (\mathbf{Y} - \boldsymbol{\mu}_Y)(\mathbf{Y} - \boldsymbol{\mu}_Y)^T
\end{bmatrix}$$
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## **4. 分块协方差矩阵**
取期望后,得到:
$$\operatorname{Cov}(\mathbf{Z}) =
\begin{bmatrix}
\mathbb{E}[(\mathbf{X} - \boldsymbol{\mu}_X)(\mathbf{X} - \boldsymbol{\mu}_X)^T] &
\mathbb{E}[(\mathbf{X} - \boldsymbol{\mu}_X)(\mathbf{Y} - \boldsymbol{\mu}_Y)^T] \\
\mathbb{E}[(\mathbf{Y} - \boldsymbol{\mu}_Y)(\mathbf{X} - \boldsymbol{\mu}_X)^T] &
\mathbb{E}[(\mathbf{Y} - \boldsymbol{\mu}_Y)(\mathbf{Y} - \boldsymbol{\mu}_Y)^T]
\end{bmatrix}$$
根据协方差矩阵的定义:
- 左上 $p\times p$ 块:$\operatorname{Cov}(\mathbf{X}, \mathbf{X}) = \Sigma_{XX}$
- 右上 $p\times q$ 块:$\operatorname{Cov}(\mathbf{X}, \mathbf{Y}) = \Sigma_{XY}$
- 左下 $q\times p$ 块:$\operatorname{Cov}(\mathbf{Y}, \mathbf{X}) = \Sigma_{YX}$
- 右下 $q\times q$ 块:$\operatorname{Cov}(\mathbf{Y}, \mathbf{Y}) = \Sigma_{YY}$
其中:
$$\Sigma_{XY} = \mathbb{E}[(\mathbf{X} - \boldsymbol{\mu}_X)(\mathbf{Y} - \boldsymbol{\mu}_Y)^T]$$
注意 $(\mathbf{X} - \boldsymbol{\mu}_X)(\mathbf{Y} - \boldsymbol{\mu}_Y)^T$ 是 $p \times q$ 矩阵,其第 $i,j$ 元素是 $\operatorname{Cov}(X_i, Y_j)$。
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## **5. 最终分块矩阵**
所以:
$$\operatorname{Cov}\begin{pmatrix} \mathbf{X} \\ \mathbf{Y} \end{pmatrix}
=
\begin{bmatrix}
\Sigma_{XX} & \Sigma_{XY} \\
\Sigma_{YX} & \Sigma_{YY}
\end{bmatrix}$$
其中 $\Sigma_{YX} = \Sigma_{XY}^T$。
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## **6. 进一步观察**
如果你只问“X 和 Y 的协方差矩阵”,这个表述有二义性,可能指:
1. **$\operatorname{Cov}(\mathbf{X}, \mathbf{Y})$**(交叉协方差矩阵):
$$\Sigma_{XY} \in \mathbb{R}^{p \times q}, \quad [\Sigma_{XY}]_{ij} = \operatorname{Cov}(X_i, Y_j)$$
它不是一个方阵(除非 $p=q$),不是对称的,也不是通常意义上的“协方差矩阵”那种半正定方阵,它只是一个交叉协方差矩阵。
2. **$\operatorname{Cov}\begin{pmatrix} \mathbf{X} \\ \mathbf{Y} \end{pmatrix}$**(联合协方差矩阵):
这是上面推导的 $(p+q) \times (p+q)$ 分块对称半正定矩阵。
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**最终答案**(根据通常多元统计的定义):
$$\boxed{
\begin{bmatrix}
\Sigma_{XX} & \Sigma_{XY} \\
\Sigma_{YX} & \Sigma_{YY}
\end{bmatrix}
}$$
其中
$$\Sigma_{XY} = \mathbb{E}[(\mathbf{X} - \boldsymbol{\mu}_X)(\mathbf{Y} - \boldsymbol{\mu}_Y)^T]$$