Чи відповідає дисперсія суми сумі дисперсій?


62

Чи завжди (правда), що

Var(i=1mXi)=i=1mVar(Xi)?

3
Наведені нижче відповіді надають підтвердження. Інтуїцію можна побачити у простому випадку var (x + y): якщо x і y позитивно співвідносяться, обидва мають тенденцію бути великими / малими разом, збільшуючи загальну варіацію. Якщо вони негативно співвідносяться, вони, як правило, скасовують один одного, зменшуючи загальну варіацію.
Асад Ебрагім

Відповіді:


91

Відповідь на ваше запитання - "Іноді, але не взагалі".

Щоб побачити це, нехай є випадковими змінними (з кінцевими відхиленнями). Тоді,X1,...,Xn

var(i=1nXi)=E([i=1nXi]2)[E(i=1nXi)]2

Тепер зауважте, що , що зрозуміло, якщо ви подумайте, що ви робите, коли ви обчислюєте вручну. Тому(i=1nai)2=i=1nj=1naiaj(a1+...+an)(a1+...+an)

E([i=1nXi]2)=E(i=1nj=1nXiXj)=i=1nj=1nE(XiXj)

аналогічно,

[E(i=1nXi)]2=[i=1nE(Xi)]2=i=1nj=1nE(Xi)E(Xj)

тому

var(i=1nXi)=i=1nj=1n(E(XiXj)E(Xi)E(Xj))=i=1nj=1ncov(Xi,Xj)

за визначенням коваріації.

Тепер щодо Чи дисперсія суми дорівнює сумі дисперсій? :

  • Якщо змінні некорельовані, так : тобто для , тодіcov(Xi,Xj)=0ij

    var(i=1nXi)=i=1nj=1ncov(Xi,Xj)=i=1ncov(Xi,Xi)=i=1nvar(Xi)
  • Якщо змінні співвідносяться, ні, не в цілому : Наприклад, припустимо, це дві випадкові величини, кожна з дисперсією і де . Тоді , тому ідентифікація не вдається.X1,X2σ2cov(X1,X2)=ρ0<ρ<σ2var(X1+X2)=2(σ2+ρ)2σ2

  • але можливі певні приклади : припустимо, що мають коваріаційну матрицю тоX1,X2,X3

    (10.40.60.410.20.60.21)
    var(X1+X2+X3)=3=var(X1)+var(X2)+var(X3)

Тому , якщо змінні є некоррелірованнимі , то дисперсія суми дорівнює сумі дисперсій, але зворотне НЕ вірно в цілому.


Стосовно прикладу матриці коваріації є правильним: симетрія між правою та нижньою лівою трикутниками відображає той факт, що , але симетрія між лівою верхньою та нижньою правою (у цьому випадку є лише частиною прикладу, але його можна замінити двома різними числа, що дорівнюють наприклад, і ? Ще раз спасибі.cov(Xi,Xj)=cov(Xj,Xi)cov(X1,X2)=cov(X2,X3)=0.30.6cov(X1,X2)=acov(X2,X,3)=0.6a
Абе

41

Var(i=1mXi)=i=1mVar(Xi)+2i<jCov(Xi,Xj).

Отже, якщо коваріації в середньому до , це буде наслідком, якщо змінні попарно некорельовані або якщо вони незалежні, то дисперсія суми є сумою дисперсій.0

Приклад, коли це не відповідає дійсності: Нехай . Нехай . Тоді .Var(X1)=1X2=X1Var(X1+X2)=Var(2X1)=4


Це рідко буде вірно для варіацій вибірки.
DWin

1
@DWin, "рідкісний" - це заниження - якщо має постійний розподіл, ймовірність того, що дисперсія вибірки суми дорівнює сумі дисперсій вибірки рівно 0 :)X
Макрос

15

Я просто хотів додати більш стисну версію доказу, наданого Макросом, щоб було легше зрозуміти, що відбувається.

Зауважте, що оскількиVar(X)=Cov(X,X)

Для будь-яких двох випадкових величин маємо:X,Y

Var(X+Y)=Cov(X+Y,X+Y)=E((X+Y)2)E(X+Y)E(X+Y)by expanding,=E(X2)(E(X))2+E(Y2)(E(Y))2+2(E(XY)E(X)E(Y))=Var(X)+Var(Y)+2(E(XY))E(X)E(Y))
Тому в цілому дисперсія суми двох випадкових величин не є сумою дисперсій. Однак якщо незалежні, то , і маємо .X,YE(XY)=E(X)E(Y)Var(X+Y)=Var(X)+Var(Y)

Зауважте, що ми можемо отримати результат для суми випадкових величин за допомогою простої індукції.n


Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.