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Probability

Random variables

statistics

从随机变量到随机向量再到随机矩阵:那个你不一定知道的矩阵高斯分布 - 知乎

统计不相关:互协方差矩阵是 0 矩阵 \(C_{xy} = O_{m\times n}\) 正交:互相关矩阵式零矩阵 \(R_{xy} = O_{m\times n}\)

均值向量 (Mean Vector)

对于随机向量 \(\mathbf{x}\),其均值向量 \(\mu_x\) 定义为:

\[ \mu_x = E\{\mathbf{x}(\xi)\} = \begin{bmatrix} E\{x_1(\xi)\} \\ E\{x_2(\xi)\} \\ \vdots \\ E\{x_m(\xi)\} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \mu_1 \\ \mu_2 \\ \vdots \\ \mu_m \end{bmatrix} \]

correlation 相关矩阵

自相关矩阵 \(R_x\) 定义为:

\[ R_x = E\{\mathbf{x}(\xi)\mathbf{x}^H(\xi)\} = \begin{bmatrix} r_{11} & r_{12} & \cdots & r_{1m} \\ r_{21} & r_{22} & \cdots & r_{2m} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ r_{m1} & r_{m2} & \cdots & r_{mm} \end{bmatrix} \]

其中,\(\mathbf{x}^H(\xi)\) 表示 \(\mathbf{x}(\xi)\) 的共轭转置,\(r_{ij}\) 表示 \(x_i(\xi)\) \(x_j(\xi)\) 之间的自相关函数。自相关矩阵是复共轭对称矩阵,即 Hermitian 矩阵。

互相关

\[ R_{xy} = E\{\mathbf{x}(\xi)\mathbf{y}^H(\xi)\} = \begin{bmatrix} r_{x_1,y_1} & r_{x_1,y_2} & \cdots & r_{x_1,y_n} \\ r_{x_2,y_1} & r_{x_2,y_2} & \cdots & r_{x_2,y_n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ r_{x_m,y_1} & r_{x_m,y_2} & \cdots & r_{x_m,y_n} \end{bmatrix} \]

其中,\(r_{x_i,y_j}\) 表示 \(x_i(\xi)\) \(y_j(\xi)\) 之间的互相关函数。

Covariance 协方差矩阵

如何通俗地解释协方差|马同学图解数学

【什么是自相关矩阵,自协方差矩阵,互相关矩阵,互协方差矩阵- 知乎 自协方差矩阵 \(C_x\) 定义为:

\[ C_x = E\{\left[\mathbf{x}(\xi) - \mu_x\right]\left[\mathbf{x}(\xi) - \mu_x\right]^H\} = \begin{bmatrix} c_{11} & c_{12} & \cdots & c_{1m} \\ c_{21} & c_{22} & \cdots & c_{2m} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ c_{m1} & c_{m2} & \cdots & c_{mm} \end{bmatrix} \]

其中,\(c_{ij}\) 表示 \(x_i(\xi)\) \(x_j(\xi)\) 之间的协方差。自协方差矩阵也是复共轭对称矩阵。

\[ \mathbf{C_x} = \mathbf{R_x} - \mathbf{\mu_x} \mathbf{\mu_x}^H \]

互协方差矩阵 \(C_{xy}\) 定义为:

\[ C_{xy} = E\{\left[\mathbf{x}(\xi) - \mu_x\right]\left[\mathbf{y}(\xi) - \mu_y\right]^H\} = \begin{bmatrix} c_{x_1,y_1} & c_{x_1,y_2} & \cdots & c_{x_1,y_n} \\ c_{x_2,y_1} & c_{x_2,y_2} & \cdots & c_{x_2,y_n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ c_{x_m,y_1} & c_{x_m,y_2} & \cdots & c_{x_m,y_n} \end{bmatrix} \]

其中,\(c_{x_i,y_j}\) 表示 \(x_i(\xi)\) \(y_j(\xi)\) 之间的协方差。

相关系数

相关系数矩阵(Correlation Matrix)用于衡量随机向量中各个分量之间的线性相关程度。对于随机向量 \(\mathbf{x}\),其相关系数矩阵 \(\mathbf{R}_x\) 定义为:

\[\mathbf{R}_x = \begin{bmatrix} 1 & \rho_{12} & \rho_{13} & \cdots & \rho_{1m} \\ \rho_{21} & 1 & \rho_{23} & \cdots & \rho_{2m} \\ \rho_{31} & \rho_{32} & 1 & \cdots & \rho_{3m} \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ \rho_{m1} & \rho_{m2} & \rho_{m3} & \cdots & 1 \end{bmatrix}\]

其中,\(\rho_{ij}\) 表示 \(x_i(\xi)\) \(x_j(\xi)\) 之间的相关系数,其取值范围为 \([-1, 1]\)。具体来说,相关系数 \(\rho_{ij}\) 定义为:

\[\rho_{ij} = \frac{E\{[x_i(\xi) - \mu_i][x_j(\xi) - \mu_j]^*\}}{\sqrt{E\{[x_i(\xi) - \mu_i]^2\}}\sqrt{E\{[x_j(\xi) - \mu_j]^2\}}}\]

其中,\(\mu_i = E\{x_i(\xi)\}\) \(\mu_j = E\{x_j(\xi)\}\) 分别表示 \(x_i(\xi)\) \(x_j(\xi)\) 的均值,\(E\{\cdot\}\) 表示期望操作,\([\cdot]^*\) 表示复共轭。

相关系数矩阵具有以下性质: 1. 对角线上的元素全为1,即 \(\rho_{ii} = 1\)。 2. 相关系数矩阵是复共轭对称矩阵,即 \(\mathbf{R}_x = \mathbf{R}_x^H\)。 3. 相关系数矩阵的行列式为1,即 \(\det(\mathbf{R}_x) = 1\)

高斯随机变量

为什么噪声一般建模为高斯

中心极限定理:独立同分布的随机变量的和,其分布趋近于高斯分布

complex normal

Probability distributions

Bayes’ Theorem(todo)

Probability Distributions

Information theory

Entropy

不确定性函数 \(f\) 是概率 \(P\) 的减函数;两个独立符号所产生的不确定性应等于各自不确定性之和,即 \(f(P1,P2)=f(P1)+f(P2)\),这称为可加性。同时满足这两个条件的函数 \(f\) 是对数函数,即 \(f(P)=\log\frac{1}{P} = -\log P\)

Kullback–Leibler Divergence(todo)

Cross-entropy(todo)

概率

概率与统计

中文名 英文名
概率密度函数 Probability Density Function (pdf)
累计分布函数 Cumulative Distribution Function (cdf)
均值向量 Mean Vector
相关矩阵 Correlation Matrix
协方差矩阵 Covariance Matrix

信息论

中文名 英文名
Entropy
Kullback–Leibler 散度 Kullback–Leibler Divergence
交叉熵 Cross-entropy

优化算法

中文名 英文名
梯度下降 Gradient Descent
牛顿法 Newton's Method
共轭梯度法 Conjugate Gradient Method
拉格朗日乘数法 Lagrange Multipliers
约束优化 Constrained Optimization
无约束优化 Unconstrained Optimization