7.1 多元正态总体的抽样分布和参数推断

1 多元正态分布

回顾一元正态分布 N1(μ,σ2) 有密度函数 f(x)=(2πσ2)−12exp⁡{−12σ2(x−μ)2}. 而如果 X1,⋯,Xp∼i.i.dN1(μ,σ2), 则 X=(X1,⋯,Xp)T 的密度函数为 f(x1,⋯,xn)=(2πσ2)−p2exp⁡{−12σ2∑i=1p(xi−μ)2}.
下面给出一般的多元正态分布的定义:

多元正态分布

如果 X=(X1,⋯,Xp)T 是 p 维随机向量, ∀a∈Rp, 都有 aTX 是正态随机变量, 则 X 是正态随机向量, 它的分布是 p 元正态分布.
记 EX=μ, CovX=Σ, 则 X∼Np(μ,Σ).

多元正态分布的基本性质

  1. (正态变量的线性函数也是正态的) 设 X∼Np(μ,Σ), A∈Rq×p, b∈Rq, 则 Y=AX+b∼Nq(Aμ+b,AΣAT).
  2. (正态分布总是存在) ∀μ∈Rp, Σ∈Rp×p, Σ≥0, ∃X∼N(μ,Σ).
  3. 任意 p 维正态向量, 可以表示为 Np(0,Ip) 的线性函数.
  4. 设 X∼Np(μ,Σ). Σ>0 时称 X 是非退化的. 此时 (1.1)f(x)=(2π)−p2(detΣ)−12exp⁡{−12(x−μ)TΣ−1(x−μ)}.
  5. 设 X∼Np(μ,Σ). 剖分为 X=(X(1)X(2)),μ=(μ(1)μ(2)),Σ=(Σ11Σ12Σ21Σ22), 其中 X(i) 是 pi 维的, p1+p2=p. 则
    1. 如果 Σ12=Σ21T=0, 则 X(1)⊥⊥X(2).
    2. 如果 Σ11 可逆, 则 X(2)|X(1)∼Np2(μ2+Σ21Σ11−1(X(1)−μ(1)),Σ22−Σ21Σ11−1Σ12).

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 p1=p−1, p2=1 在多元分析中很有用.

2 正态总体的抽样分布

设总体 G 有分布 Np(μ,Σ), x1,⋯,xn∼G: xα∼Np(μ,Σ),Cov(xα,xβ)=0,α,β=1,⋯,n,α≠β.
记 X=(x1T,⋯,xnT)T. 我们来研究 X 的分布. 容易得知 EXT=(μT,⋯,μT),CovX=(Σ0⋱0Σ), 从而 X 遵从 np 元正态分布. 设 Σ=BTB, 则由 性质2, ∃zij∼i.i.dN(0,1) 相互独立构成的矩阵 Z: X=ZB+M, 这里 M=EX.
推广到 Y=AZB+M: Z=(zij)∈Rn×p, zij∼i.i.dN(0,1), A∈Rm×n, B∈Rp×q, M∈Rm×q. 记 AAT=V=(vij), BTB=Σ=(σij). 则 Y 遵从 mq 元正态分布: Eyij=mij,Var(yij)=Var(∑α,βaiαzαβbβj)=∑α,βaiα2bβj2=∑αaiα2∑βbβj2=viiσjj,Cov(yij,ykh)=Cov(∑α,βaiαzαβbβj,∑α,βakαzαβbβh)=∑α,βaiαbβjakαbβh=vikσjh, 这里 i,k=1,⋯,m;h,j=1,⋯,q. 注意到 Y 的分布只和 M,V,Σ 有关, 因此记 (2.1)Y∼Nmq(M,V,Σ).
此时前面的 X∼Nnp(M,I,Σ).

定理 2.1

设 Y∼Nmq(M,V,Σ). 任给 C∈Rk×m, D∈Rq×r: X=CYD∼Nkr(CMD,CVCT,DTΣD).

接下来研究 W=XTX 的分布, 作为 χ2 分布的推广. 这里 X∼Nnp(M,I,Σ), MT=(μ1,⋯,μn). 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 EW=∑i=1nE(xixjT)=nΣ+MTM.
记 Δ=MTM, 则这样的矩阵仅依赖于 p,n,Σ,Δ. 称 p 是维数, n 是自由度, Σ 是协方差矩阵, Δ 是非中心矩阵. 记 W∼Wp(n,Σ,Δ). 依据 Δ 是否为 0, 区分中心/非中心 Wishart 分布.

定理 2.2

设 W∼Wp(n,Σ,Δ). 则

  1. 如果 p=1,Σ=σ2, 则 W∼σ2χn2(Δ12σ).
  2. ∀A∈Rk×p, 有 AWAT∼Wk(n,AΣAT,AΔAT).
定理 2.3

设 X∼Nnp(M,I,Σ), C 对称, 则

  1. W=XTCX∼Wp(k,Σ,MTCM), 等价于 C 为正投影阵, 其中 k=rankC.
  2. AX⊥⊥BX⟺ABT=0. 从而由 B≥0, AB=0, 推出 AX⊥⊥XTBX; 由 A≥0,B≥0, AB=0 推出 XTAX⊥⊥XTBX.
定理 2.4

设 W∼Wp(n,Σ,Δ), n≥p, Σ>0, 则 P(W>0)=1.

根据定理 2.4, 当 n≥p,Σ>0 时, 几乎可以认为 W 是可逆的, 称 W 有非退化 Wishart 分布. 当 n<p 或 detΣ=0 时, 则为退化的 Wishart 分布.
作为 Cochran定理 的矩阵二次型的推广:

定理 2.5

设 X∼Nnp(M,I,Σ), A1,⋯,An≥0, 满足 XTX=∑i=1kXTAiX. 记 rankAi=ni, 则 XTAiX∼Wp(ni,Σ,MTAiM)⟺n=∑i=1kni.

引理 2.1

设 W∼Wp(n,Σ), n≥p, Σ>0. 剖分 W=(W11W12W21W22),Σ=(Σ11Σ12Σ21Σ22), 其中 W11,Σ11 为 q 阶方阵. 记 W11,2=W11−W12W22−1W21, Σ11,2=Σ11−Σ12Σ22−1Σ21. 则有 W22∼Wp−q(n,Σ22), 且(W22−1W21|W22)∼Np−q,q(Σ22−1Σ21,W22−1,Σ11,2),(W11,2|(W22−1W21,W22))∼Wq(n−p+q,Σ11,2).

定理 2.6

设 W∼Wp(n,Σ), n≥p, Σ>0. 则

  1. ∀a∈Rp: aTΣ−1aaTW−1a∼χn−p+12.
  2. ∀x∼Np(0,Σ), x⊥⊥W, 有 xTW−1x⋅n−p+1p∼Fp,n−p+1.

记 T2=xTW−1x, 称为Hotelling T2 统计量.
设 W1∼Wp(k1,Σ), W2∼Wp(k2,Σ), W1⊥⊥W2, 令 Λ=detW1det(W1+W2), 称为Wilks统计量, 它的分布仅依赖于 p,k1,k2, 记为 Λ(p,k1,k2).
下面是关于 Wilks 统计量的一些信息. 它的分布非常复杂.

p k2 F 分布 自由度
1 1−ΛΛ⋅k1−p+1p p,k1−p+1
2 1−ΛΛ⋅k1−pp p,k1−p
1 1−ΛΛ⋅k1k2 k2,k1
2 1−ΛΛ⋅k1−1k2 2k2,2(k1−1)

3 正态总体的参数统计推断

设总体 G 有 Np(μ,Σ), y1,⋯,yn∼i.i.dG. 记 YT=(y1,⋯,yn), 则有 Y∼Nnp(M,I,Σ),M=(μ,⋯,μ)T.
类似一元统计分析, 令样本均值和协方差矩阵为 (3.1)y―=1n∑α=1nyα,S=1n−1∑α=1n(yα−y―)(yα−y―)T.
用矩阵记法: (3.2)y―=YT1n1n,S=YTP1n⊥Y1n−1.

定理 3.1

y―,S 是 μ,Σ 的无偏估计, 且在 μ 的一切线性无偏估计 {YTa} 中 Cov(YTa)−Cov(y―)≥0 (也即非负定).

定理 3.2

如果 Σ>0, 则 (y―,S) 对于分布族 {Nnp(μ,I,Σ)} 是充分完备统计量. 因此 (y―,S) 是 (μ,Σ) 的 UMVUE.

定理 3.3

设 Σ>0, 则 (y―,Wn) 是 (μ,Σ) 的极大似然估计, 这里 W=YTP1Y.

下面给出 y―,W 的分布.

定理 3.4

设 Y∼Nnp(M,I,Σ), 其中 MT=(μ,⋯,μ). 记 y―=YT1n1n, W=YTP1⊥Y, 则有

  1. y―∼Np(μ,Σn).
  2. W∼Wp(n−1,Σ).
  3. y―⊥⊥W.

3.1 假设检验

3.1.1 μ=μ0 的检验

现在讨论假设检验 H0:μ=μ0.
设 Σ>0 已知, 取检验量 T=n(y―−μ0)TΣ−1(y―−μ0). 显然 T∼χn2(δ), δ2=n(μ−μ0)TΣ−1(μ−μ0). 因此拒绝域为 {T≥χn,α2}.
如果 Σ>0 未知, 考虑似然比 λ=MMH=max{L(Y;μ,Σ)|μ,Σ}max{L(Y;μ0,Σ)|Σ},
由 定理3.2的推导: λ=(detnW−1)n2exp⁡(−n2){detn[W+n(y―−μ0)(y―−μ0)T]−1}n2exp⁡(−n2)={det[W+n(y―−μ0)(y―−μ0)T]detW}n2.
令 D=(Wy―−μ0(y―−μ0)T−1n). 由 这里, detD=detW⋅(−1n−(y―−μ0)TW−1(y―−μ0))=−1ndet[W+n(y―−μ0)(y―−μ0)T], 从而 λ=[1+n(y―−μ0)TW−1(y―−μ0)]n2.
记 (3.4)T2=n(y―−μ0)TW−1(y―−μ0), 知 λ 是 T2 的严格单增函数, 故拒绝域为 {T2≥C}. 由 定理2.6(2): H0 成立时 T2⋅n−pp∼Fp,n−p, 从而取 C=pn−pFp,n−p,α.

T2 检验正是一元统计中 t 检验的推广.

3.1.2 μi 全部相等的检验

设 k 个独立的总体分布分别为 Np(μi,Σ), i=1,⋯,k, Σ>0 未知. 现在检验 H0:μ1=⋯=μk.
从 i 中取 ni 个样本: Y(i)=(y1(i)T,⋯,yni(i)T). 记 Y=(Y(1),⋯,Y(k))T, n=∑i=1kni. 有似然函数L(Y,μ1,⋯,μk,Σ)=C(detΣ)−n2exp⁡{−12∑i=1k∑α=1ni(yα(i)−μi)TΣ−1(yα(i)−μi)}, 从而得到似然比 λ=max{L|μ1,⋯,μk,Σ}max{L|μ1=⋯=μk,Σ}=[det(W1+⋯+Wk)detW]−n2. 其中 Wi=Y(i)TP1n⊥Y(i), W=YTP1n⊥Y.
记 Λ=det(W1+⋯+Wk)detW. 注意到 W=∑i=1k∑α=1ni(yα(i)−y―)(yα(i)−y―)T=∑i=1k∑α=1ni(yα(i)−y―(i))(yα(i)−y―(i))T+∑i=1kni(y―(i)−y―)(y―(i)−y―)T=∑i=1kWi+B.
显然 ∑i=1kWi⊥⊥B, W∼Wp(n−1,Σ,Δ), Wi∼Wp(ni−1,Σ). 由 定理2.5, B∼Wp(k−1,Σ,Δ). 从而 H0 成立时 Δ=0, Λ∼Λ(p,n−k,k−1). 得拒绝域 {Λ≤λα}.

现在研究特殊情形 k=2. 此时B=∑i=12ni(y―(i)−y―)(y―(i)−y―)T=∑i=12ni(y―(i)−nin−n3−iny―(3−i))(y―(i)−nin−n3−iny―(3−i))T=∑i=12ni2n3−in2(y―(i)−y―(3−i))(y―(i)−y―(3−i))T=n1n2n(y―(1)−y―(2))(y―(1)−y―(2))T.
则 Λ 是 T2=n1n2n(y―(1)−y―(2))TW−1(y―(1)−y―(2)) 的严格下降函数, 得拒绝域 {T2≥pn−p−1Fp,n−p−1,α}.

3.1.3 协方差矩阵的检验

设 Y 容量为 n. 检验 H0:Σ=Σ0>0, 令似然比λ=max{L(Y,μ,Σ)|μ,Σ>0}max{L(Y,μ,Σ0)|μ}=(detWn)−n2exp⁡{−n2}(detΣ0)−n2exp⁡{−12tr(Σ0−1W)}=exp⁡{−n2}nnp2[det(WΣ0−1)]−n2exp⁡{12tr(Σ0−1W)}.
根据 定理, 2ln⁡λ→χp(p+1)22, 因此 n 较大时给出渐进拒绝域 {2ln⁡λ≥χp(p+1)2,α2}.