本文已参与「新人创作礼」活动,一起开启掘金创作之路。
X∼N(μ,Σ)=(2π)2p∣Σ∣211exp(−21(x−μ)TΣ−1(x−μ))x∈Rp,r.v.
已知
x=(xaxb),μ=(μaμb),Σ=(ΣaaΣbaΣabΣbb)xa为m×1,xb为n×1,m+n=p
求P(xa),P(xb∣xa),求得后可以由对称性得到P(xb),P(xa∣xb)
定理:
已知
X∼N(μ,Σ),x∈Rp,y=Ax+B,y∈Rp
则有
y∼N(Aμ+B,AΣAT)
先求xa的分布
xaE(xa)Var(xa)=A(ImOn)x(xaxb)=(ImO)(μaμb)=μa=(ImO)(ΣaaΣbaΣabΣbb)(ImO)=Σaa
因此xa∼N(μa,Σaa)
再求xb∣xa的分布,令
⎩⎨⎧xb⋅a=xb−ΣbaΣaa−1xaμb⋅a=μb−ΣbaΣaa−1μaΣbb⋅a=Σbb−ΣbaΣaa−1Σab
有
xb⋅aE(xb⋅a)Var(xb⋅a)=A(−ΣbaΣaa−1In)x(xaxb)=(−ΣbaΣaa−1In)(μaμb)=μb−ΣbaΣaa−1μa=μb⋅a=(−ΣbaΣaa−1In)(ΣaaΣbaΣabΣbb)(−Σaa−1ΣbaTIn)=Σbb−ΣbaΣaa−1Σab=Σbb⋅a
因此xb⋅a∼N(μb⋅a,Σbb⋅a)
这里要求xb∣xa,即
xb⋅axbxb∣xaxb∣xaxb∣xa=xb−ΣbaΣaa−1xa=xb⋅a+ΣbaΣaa−1xa=(xb⋅a+ΣbaΣaa−1xa)∣xa=xb⋅a∣xa+ΣbaΣaa−1xa∣xa=xb⋅a∣xa+ΣbaΣaa−1xa
这里如果有xb⋅a∣xa=xb⋅a,就可以有
xb∣xa=xb⋅a+ΣbaΣaa−1xa
若X∼N(μ,Σ),则Mx⊥Nx⇔MΣNT=0
证明:
因为x∼N(μ,Σ),有Mx∼N(Mμ,MΣMT),Nx∼N(Nμ,NΣNT)
cov(Mx,Nx)=E[(Mx−Mμ)(Nx−Nμ)T]=M⋅E[(x−μ)(x−μ)T]⋅NT=MΣNT
又因为Mx⊥Nx且均为高斯分布,则有Cov(Mx,Nx)=MΣNT=0
Σxb⋅axaMΣNT=(ΣaaΣbaΣabΣbb)=xb−ΣbaΣaa−1xa=M(−ΣbaΣaa−1I)(xaxb)=N(IO)(xaxb)=(−ΣbaΣaa−1I)(ΣaaΣbaΣabΣbb)(IO)=0
因此xb⋅a⊥xa⇒xb⋅a∣xa=xb⋅a,就有
xb∣xa=xb⋅a∣xa+ΣbaΣaa−1∣xa=xb⋅a+ΣbaΣaa−1xa
因此
E(xb∣xa)Var(xb∣xa)=E(xb⋅a+ΣbaΣaa−1xa)=μb⋅a+ΣbaΣaa−1xa=μb−ΣbaΣaa−1μa+ΣbaΣaa−1xa=Var(xb⋅a+ΣbaΣaa−1xa)=Var(xb⋅a)=Σbb⋅a
因此xb∣xa∼N(μb−ΣbaΣaa−1μa+ΣbaΣaa−1xa,Σbb−ΣbaΣaa−1Σab)