Una somma e un prodotto di due matrici di covarianza sono anche una matrice di covarianza?


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Supponiamo di avere covarianza matrici e . Quali di queste opzioni sono quindi anche le matrici di covarianza?YXY

  1. X+Y
  2. X2
  3. XY

Ho un po 'di problemi a capire cosa è esattamente necessario affinché qualcosa sia una matrice di covarianza. Suppongo che, ad esempio, se e che per 1 per essere vero dovremmo avere quel , dove e sono alcune altre variabili casuali. Tuttavia, non riesco a capire perché ciò valga per una delle tre opzioni. Qualsiasi intuizione sarebbe apprezzata.Y = cov ( Y 1 , Y 2 ) cov ( X 1 , X 2 ) + cov ( Y 1 , Y 2 ) = cov ( Z 1 , Z 2 ) Z 1 Z 2X=cov⁡(X1,X2)Y=cov⁡(Y1,Y2)cov⁡(X1,X2)+cov⁡(Y1,Y2)=cov⁡(Z1,Z2)Z1Z2

Risposte:


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sfondo

Una matrice di covarianza per un vettore di variabili casuali incarna una procedura per calcolare la varianza di qualsiasi combinazione lineare di tali variabili casuali. La regola è che per qualsiasi vettore di coefficienti , X = ( X 1 , X 2 , … , X n ) ′ λ = ( λ 1 , … , λ n )AX=(X1,X2,…,Xn)′λ=(λ1,…,λn)

(1)Var⁡(λX)=λAλ′.

In altre parole, le regole della moltiplicazione matriciale descrivono le regole delle varianze.

Due proprietà di sono immediate ed evidenti:A

  1. Poiché le varianze sono aspettative di valori al quadrato, non possono mai essere negative. Pertanto, per tutti i vettori ,Le matrici di covarianza devono essere definite non negative.0 ≤ Var ( λ X ) = λ A λ ′ .λ

    0≤Var⁡(λX)=λAλ′.
  2. Le varianze sono solo numeri - o, se leggi letteralmente le formule della matrice, sono matrici. Pertanto, non cambiano quando li trasponi. La trasposizione dà Dal momento che ciò vale per tutti , deve eguagliare la sua trasposizione : le matrici di covarianza devono essere simmetriche.( 1 ) λ A λ ′ = Var ( λ X ) = Var ( λ X ) ′ = ( λ A λ ′ ) ′ = λ A ′ λ ′ . λ A A ′1×1(1)

    λAλ′=Var⁡(λX)=Var⁡(λX)′=(λAλ′)′=λA′λ′.
    λAA′

Il risultato più profondo è che qualsiasi matrice simmetrica definita non negativa è una matrice di covarianza. A Ciò significa che in realtà esiste una variabile casuale valutata con vettore con come sua covarianza. Possiamo dimostrare questo con la costruzione in modo esplicito . Un modo è notare che la funzione di densità (multivariata) con la proprietà ha per la sua covarianza. (È necessaria una certa delicatezza quando non è invertibile, ma è solo un dettaglio tecnico.) A Xf( x 1 ,…, x n )log(f)∝- 1XAXf(x1,…,xn)

log⁡(f)∝−12(x1,…,xn)A−1(x1,…,xn)′
AA

soluzioni

Consenti a e essere matrici di covarianza. Ovviamente sono quadrati; e se la loro somma ha senso, devono avere le stesse dimensioni. Dobbiamo solo controllare le due proprietà.XY

  1. La somma.

    • Simmetria mostra la somma è simmetrica.
      (X+Y)′=X′+Y′=(X+Y)
    • Precisione non negativa. Sia qualsiasi vettore. Quindi dimostra il punto usando le proprietà di base della moltiplicazione di matrici.λ
      λ(X+Y)λ′=λXλ′+λYλ′≥0+0=0
  2. Lascio questo come esercizio.

  3. Questo è difficile. Un metodo che uso per pensare a problemi di matrice impegnativi è quello di fare alcuni calcoli con matrici . Esistono alcune matrici di covarianza comuni e familiari di queste dimensioni, come con e . La preoccupazione è che potrebbe non essere definito: cioè, potrebbe produrre un valore negativo quando si calcola una varianza? Se lo farà, allora avremmo meglio avere alcuni coefficienti negativi nella matrice. Ciò suggerisce di considerare per . Per ottenere qualcosa di interessante, potremmo inizialmente gravitare sulle matrici2×2

    (abba)
    a2≥b2a≥0XY
    X=(a−1−1a)
    a≥1Y con strutture di aspetto diverso. Mi vengono in mente matrici diagonali, come con . (Nota come possiamo scegliere liberamente alcuni dei coefficienti, come e , perché possiamo ridimensionare tutte le voci in qualsiasi matrice di covarianza senza modificarne le proprietà fondamentali. Ciò semplifica la ricerca di esempi interessanti.)
    Y=(b001)
    b≥0−11

    Lascio a voi per calcolare e verificare se è sempre una matrice di covarianza per tutti i valori consentiti di e .XYab


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Una matrice reale è una matrice di covarianza se e solo se è semi-definita positiva simmetrica.

suggerimenti:

1) Se e sono simmetrici, simmetrico? Se per qualsiasi e per qualsiasi , cosa puoi concludere su ?Y X + Y z T X z ≥ 0 z z T Y z ≥ 0 z z T ( X + Y ) zXYX+YzTXz≥0zzTYz≥0zzT(X+Y)z

2) Se è simmetrico, simmetrico? Se gli autovalori di non sono negativi, cosa puoi concludere sugli autovalori di ?X 2 X X 2XX2XX2

3) Se e sono simmetrici, puoi concludere che è simmetrico o puoi trovare un contro-esempio?Y X YXYXY

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