1 多元正态分布
回顾一元正态分布 有密度函数 而如果 , 则 的密度函数为
下面给出一般的多元正态分布的定义:
如果 是 维随机向量, , 都有 是正态随机变量, 则 是正态随机向量, 它的分布是 元正态分布.
记 , , 则 .
定义 的特征函数为 , 它是 的函数, 这里如果 , 特征函数为 . 这样 , 是正态随机变量, 它的特征函数是 注意到 于是在 中令 , 有 因此可以说明 的分布由 唯一决定.
- (正态变量的线性函数也是正态的) 设 , , , 则
- (正态分布总是存在) , , , .
- 任意 维正态向量, 可以表示为 的线性函数.
- 设 . 时称 是非退化的. 此时
- 设 . 剖分为 其中 是 维的, . 则
- 如果 , 则 .
- 如果 可逆, 则
- , 有 . 因为 正态, 常数, 从而 正态.
- 根据 这里第三条, 可以分解为 . 取 . 记 , 则 . 令 , 则由性质 1:
- 由上面的证明蕴含.
- 由性质 3: , . 则 作变换 , 则 Jacobi 行列式是 . 这样根据 密度变换公式 得证.
- 只证明 2. 令 , 变换 , 则 从而 , 因此给定 时, 但 , 从而得证.
性质 5 (1) 表明, 不相关的正态变量一定独立, 反之也成立.
5 (2) 的特殊情形 , 在多元分析中很有用.
2 正态总体的抽样分布
设总体 有分布 , :
记 . 我们来研究 的分布. 容易得知 从而 遵从 元正态分布. 设 , 则由 性质2, 相互独立构成的矩阵 : , 这里 .
推广到 : , , , , . 记 , . 则 遵从 元正态分布: 这里 . 注意到 的分布只和 有关, 因此记
此时前面的 .
设 . 任给 , :
接下来研究 的分布, 作为 分布的推广. 这里 , . 习惯上称为 Wishart 分布. 它的密度函数比较复杂, 这里只讨论它的一些性质.
不难验算
记 , 则这样的矩阵仅依赖于 . 称 是维数, 是自由度, 是协方差矩阵, 是非中心矩阵. 记 . 依据 是否为 , 区分中心/非中心 Wishart 分布.
设 . 则
- 如果 , 则 .
- , 有
只证明 2. 记 . 易见 , 且相互独立. 因此 .
设 , 对称, 则
- , 等价于 为正投影阵, 其中 .
- . 从而由 , , 推出 ; 由 , 推出 .
-
- "": , , 从而 为正投影阵.
- "": : , . 令 . 记 , 有 于是 , 而 .
- :
从而得证.
设 , , , 则 .
按定义, , , . 记 . 对 , 由 性质5: . 这里 , 这里 . 因此条件分布非退化, 故有 这是由于 至多 维, 而 是 维的, 从而 于是 线性相关 因此 , 从而得证.
根据定理 2.4, 当 时, 几乎可以认为 是可逆的, 称 有非退化 Wishart 分布. 当 或 时, 则为退化的 Wishart 分布.
作为 Cochran定理 的矩阵二次型的推广:
设 , , 满足 . 记 , 则
设 , , . 剖分 其中 为 阶方阵. 记 , . 则有 , 且
在 定理2.2(2) 中, 取 , 得 .
设 , , 记 , 有 列. 因 的行独立同分布, 由 性质5(2):
注意到 , , . 由 定理2.1: 知它仅依赖 . 故
而 由 定理2.3(1): (此时 ). 又由 定理2.3(2): 由 得 . 而 和 无关, 仅依赖于 , 故
设 , , . 则
- : .
- , , 有 .
- 先考虑 , 有 由 引理2.1 中 的情形: 一般地对 , 令 , 作正交阵 , 有 : 由 定理2.2: , 故得证.
- 注意到 有 . 因此实际上条件分布不依赖 , 从而 , 与 独立, 从而与 独立.
记 , 称为Hotelling 统计量.
设 , , , 令 , 称为Wilks统计量, 它的分布仅依赖于 , 记为 .
下面是关于 Wilks 统计量的一些信息. 它的分布非常复杂.
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F 分布 |
自由度 |
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3 正态总体的参数统计推断
设总体 有 , . 记 , 则有
类似一元统计分析, 令样本均值和协方差矩阵为
用矩阵记法:
是 的无偏估计, 且在 的一切线性无偏估计 中 (也即非负定).
容易验算
设 是 的任一无偏估计, 则有 又注意到
从而
顺便注意到 , 由于 得 是 的无偏估计.
如果 , 则 对于分布族 是充分完备统计量. 因此 是 的 UMVUE.
的联合密度是
由于 得 可见 是充分完备统计量 (因为是指数型分布族). 又因为是无偏估计, 所以是 UMVUE.
设 , 则 是 的极大似然估计, 这里 .
由 (3.3), 对给定的 , 为了让 达到极大, 只需要 , 从而 故
记 的特征值为 , 则 且上述不等式当且仅当 时取等号. 因此, 的极大值点是 .
下面给出 的分布.
设 , 其中 . 记 , , 则有
- .
- .
- .
4. 显然
5. 由 定理2.3(1) 得.
6. 令 , 作正交阵 , 考虑变换 . 则 其中 是 的前 行; , 这里 是 的最后一行.
注意到 , 记 , 有 由 , , 得证.
3.1 假设检验
现在讨论假设检验 .
设 已知, 取检验量 . 显然 , . 因此拒绝域为 .
如果 未知, 考虑似然比
由 定理3.2的推导:
令 . 由 这里, 从而
记 知 是 的严格单增函数, 故拒绝域为 . 由 定理2.6(2): 成立时 , 从而取 .
检验正是一元统计中 检验的推广.
设 个独立的总体分布分别为 , , 未知. 现在检验 .
从 中取 个样本: . 记 , . 有似然函数 从而得到似然比 其中 , .
记 . 注意到
显然 , , . 由 定理2.5, . 从而 成立时 , . 得拒绝域 .
现在研究特殊情形 . 此时
则 是 的严格下降函数, 得拒绝域 .
3.1.3 协方差矩阵的检验
设 容量为 . 检验 , 令似然比
根据 定理, , 因此 较大时给出渐进拒绝域 .