Чи завжди матриця коваріації вибірки симетрична і позитивна?


33

При обчисленні коваріаційної матриці вибірки гарантується тоді отримання симетричної та визначеної позитивної матриці?

Наразі моя проблема має вибірку з 4600 векторів спостереження та 24 виміри.


Для вибірки матриці коваріації я використовую формулу: де - кількість вибірок, а - середня вибірка. п ˉ хQn=1n∑i=1n(xi−x¯)(xi−x¯)⊤nx¯
— Мортен

4
Це зазвичай називається "обчислення матриці коваріації вибірки", або "оцінка матриці коваріації", а не "вибірка матриці коваріації".
— Glen_b -Встановіть Моніку

1
Поширена ситуація, в якій матриця коваріації не є визначеною, коли 24 "розміри" записують склад суміші, який становить 100%.
— whuber

Відповіді:


41

Для вибірки векторів , з , середній вектор вибірки і матриця зразкової коваріації дорівнює Для ненульового вектора , маємо Тому завжди позитивний напіввизначений .xi=(xi1,…,xik)⊤i=1,…,n

x¯=1n∑i=1nxi,
Q=1n∑i=1n(xi−x¯)(xi−x¯)⊤.
y∈Rk
y⊤Qy=y⊤(1n∑i=1n(xi−x¯)(xi−x¯)⊤)y
=1n∑i=1ny⊤(xi−x¯)(xi−x¯)⊤y
=1n∑i=1n((xi−x¯)⊤y)2≥0.(∗)
Q

Додаткова умова, щоб було позитивним, визначено нижче в коментарях Ваубера. Виходить так.Q

Визначте , для . Для будь-якого ненульового значення , дорівнює нулю, якщо і лише тоді, коли , для кожного . Припустимо, набір прольоти . Тоді є дійсні числа такі, що . Але тоді маємо , даючи, що , суперечність. Отже, якщо 'span , тоzi=(xi−x¯)i=1,…,n n y = 0 y = 0 z i R k Qy∈Rk(∗)zi⊤y=0i=1,…,n{z1,…,zn}Rkα1,…,αny=α1z1+⋯+αnzny⊤y=α1z1⊤y+⋯+αnzn⊤y=0y=0ziRkQє позитивним певним . Ця умова еквівалентна .rank[z1…zn]=k


2
Мені подобається такий підхід, але я б порадив трохи дбати: не обов'язково є позитивним. (Необхідні та достатні) умови для цього описані в моєму коментарі до відповіді Костянтина. Q
— whuber

1
Оскільки ранг менший або дорівнює , умова може бути спрощена до рангу, рівного k. k[z1,z2,⋯,zn]k
— пропозиція не може відмовити

13

Правильна ковариационная матриця завжди симетрична і позитивно * підлозі * визначена.

Коваріація між двома змінними зазначається як .σ(x,y)=E[(x−E(x))(y−E(y))]

Це рівняння не змінюється, якщо ви переключите положення і . Отже, матриця повинна бути симетричною.xy

Він також повинен бути позитивним * напів- * певним, тому що:

Ви завжди можете знайти перетворення змінних таким чином, що матриця коваріації стає діагональною. На діагоналі ви знаходите відхилення ваших перетворених змінних, які є нульовими або позитивними, легко помітити, що це робить позитивний перетворений матричний напівдефініт. Однак, оскільки визначення визначеності є інваріантним перетворенням, то випливає, що матриця коваріації є позитивною напівдефінітом у будь-якій обраній системі координат.

Коли ви оціните матрицю коваріації (тобто під час обчислення вашої вибіркової коваріації ) за формулою, яку ви вказали вище, вона буде непридатною. як і раніше бути симетричними. Це також повинно бути позитивним напівдефінітом (я думаю), тому що для кожного зразка pdf, що дає кожній вибірковій точці рівну ймовірність, зразок коваріації є його коваріацією (хтось, будь ласка, перевірте це), тому все, що зазначено вище, все ще застосовується.


1
PS: Я починаю думати, що це не ваше питання ...
— Костянтин Шуберт

Але якщо ви хочете знати, чи гарантує це ваш алгоритм вибірки, вам доведеться вказати, як ви здійснюєте вибірку.
— Костянтин Шуберт

1
Мортен, симетрія безпосередньо від формули. Щоб показати , вам потрібно встановити, що для будь-якого вектора . Але в разів перевищує суму (де , звідки - це сума = , яка - довжина квадрата вектора . Оскільки і сума квадратів ніколи не можуть бути негативними, , QED . Це також показує, що саме для цих векторівu Q n 1 / n v i v ′ i Q n u ′ ≥ 0uQnu′≥0uQn1/nvivi′п у Q п у ' у ( v я v ' я ) у ' ( U V я ) ( U v i ) ′ u v i n > 0 uvi=xi−x¯)nuQnu′u(vivi′)u′(uvi)(uvi)′uvin>0uQnu′≥0u v i u v i = 0 i v i u = 0 Q nuQnu′=0uякі є ортогональними для всіх ( тобто , для всіх ). Коли проміжок , то і є визначеним. viuvi=0iviu=0Qn
— whuber

1
@Morten Інваріантність перетворень досить чітка, якщо ви розумієте множення матриць геометрично. Подумайте про свій вектор як про стрілку. Числа, що описують ваш вектор, змінюються за допомогою системи координат, але напрямок і довжина вектора не роблять. Тепер множення на матрицю означає, що ви змінюєте довжину та напрямок цієї стрілки, але знову ж таки ефект геометрично однаковий у кожній системі координат. Те саме відбувається зі скалярним твором: він визначається геометрично, а Геометрій є інваріантним перетворенням. Отже, ваше рівняння має однаковий результат у всіх системах.
— Костянтин Шуберт

1
@Morten Коли ви думаєте про координати, аргумент іде так: Коли - ваша матриця перетворення, тоді: з як перетворений вектор координат, , тому коли ви перетворюєте кожен елемент у рівняння , ви отримуєте , що дорівнює , і, оскільки A є ортогональним, - одинична матриця, і ми знову отримуємо , а це означає, що перетворене і неперетворене рівняння мають однаковий скалярний результат, тому їхні або обидва, і обидва не більше нуля. v ′ = A v v ′ M > 0Av′=Avv′v T M v > 0 v ′ T M ′ v ′ = ( A v ) T A M A T A v > 0 v T A T A M A T A v > 0 A T A v T M vM′=AMATvTMv>0v′TM′v′=(Av)TAMATAv>0vTATAMATAv>0ATAvTMv>0
— Костянтин Шуберт

0

Варіантно-коваріаційні матриці завжди симетричні, як це можна довести з фактичного рівняння для обчислення кожного члена зазначеної матриці.

Також матриці Variance-Covariance - це завжди квадратні матриці розміру n, де n - кількість змінних у вашому експерименті.

Власні вектори симетричних матриць завжди ортогональні.

За допомогою PCA ви визначаєте власні значення матриці, щоб побачити, чи зможете ви зменшити кількість змінних, використаних у вашому експерименті.


1
Зауважте, генерал. Зверніть увагу, що ваше ім'я користувача, ідентифікатор та посилання на вашу сторінку користувача автоматично додаються до кожної публікації, яку ви створюєте, тому немає необхідності підписувати свої повідомлення.
— Антуан Вернет

3
Цю відповідь можна було б покращити, вирішивши питання позитивної визначеності
— Silverfish

Це насправді не відповідає на питання: це лише сукупність непідтримуваних тверджень, які можуть бути або не бути актуальними. Чи могли б ви переробити це таким чином, що показує, як відповіли на запитання та пояснює міркування?
— whuber

0

До приємного аргументу Дзен я додам наступне, що пояснює, чому ми часто кажемо, що коваріаційна матриця є позитивно визначеною, якщо .n−1≥k

Якщо являють собою випадкову вибірку з безперервного розподілу ймовірностей , то х 1 , х 2 , . . . , x n майже напевно (в сенсі теорії ймовірностей) лінійно незалежні. Тепер, г 1 , г 2 , . . . , z n не є лінійно незалежними, оскільки ∑ n i = 1 z i =x1,x2,...,xnx1,x2,...,xnz1,z2,...,zn , але через те, щоє лінійно незалежними,як span. Якщо, вони також охоплюють.∑i=1nzi=0г 1 , г 2 , . . . , z n R n - 1 n - 1 ≥ k R kx1,x2,...,xnz1,z2,...,znRn−1n−1≥kRk

На закінчення, якщо є випадковою вибіркою безперервного розподілу ймовірностей і , матриця коваріації є певною позитивною. n - 1 ≥ kx1,x2,...,xnn−1≥k


0

Для тих, хто не має математичного походження, як я, які не швидко вловлюють абстрактні математичні формули, це відпрацьований приклад відмінного варіанту для найбільш прийнятної відповіді. Матриця коваріації може бути отримана і іншими способами.

введіть тут опис зображення

введіть тут опис зображення


Чи можете ви пояснити, як ця електронна таблиця демонструє позитивну визначеність матриці коваріації?
— whuber

Це не. Мені важко було візуалізувати матрицю коваріації в її нотаційній формі. Тому я створив цей аркуш для себе і подумав, що він може комусь допомогти.
— Парикшит Бхінде

Потім відредагуйте його, щоб включити відповідь на запитання.
— whuber

Готово :) Дякую за пропозицію.
— Парикшит Бхінде

Питання в тому, "чи гарантовано тоді отримати симетричну і визначену позитивом матрицю?" Я не в змозі сприймати жоден елемент вашої публікації, який стосується цього, оскільки (1) він ніколи не ідентифікує коваріаційну матрицю; (2) вона не демонструє позитивної визначеності нічого.
— whuber
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.