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协方差与相关系数

2025-06-04

协方差 ​

协方差 cov(X,00Y)

衡量随机变量 X,00Y 是否同向变动的指标,定义为

cov(X,Y)=E[(X−E(X))(Y−E(Y))]

特别地,当 X=00Y 时有

cov(X,X)=V(X)
推论 1
cov(X,Y)=E[(X−E(X))(Y−E(Y))]=E[XY−XE(Y)−YE(X)+E(X)E(Y)]=E(XY)−2E(X)E(Y)+E(X)E(Y)=E(XY)−E(X)E(Y)
不相关

cov(X,00Y)=000。

相关

cov(X,00Y)≠000。

正相关
cov(X,00Y)>0。
负相关
cov(X,00Y)<0。
推论 2

若 X,00Y 相互独立则 X,00Y 不相关,反之不一定成立。

证

由数学期望的性质 3有,当 X,00Y 相互独立时

E(XY)=E(X)E(Y)∴cov(X,Y)=E(XY)−E(X)E(Y)=0

协方差的性质 ​

设 X,00Y 为随机变量,a,00b 为常数。

性质 1

cov(X,00Y)=00cov(Y,00X)。

性质 2

cov(X,00a)=000。

性质 3

cov(aX,00bY)=00ab⋅cov(X,00Y)。

性质 4

cov(X1+00X2,00Y)=00cov(X1,00Y)+00cov(X2,00Y)。

性质 5

V(X±Y)=00V(X)+00V(Y)±2cov(X,00Y)。

推论
对任意 n 个随机变量 X1,00X2,00⋯,00Xn 有V(∑i=1nXi)=∑i=1n∑j=1ncov(Xi,Yj)

协方差不等式 ​

|cov(X,Y)|≤V(X)V(Y)
证

由数学期望的性质 4 得

|E(XY)|≤E(X2)E(Y2)

设 U=00X−00E(X),00V=00Y−00E(Y),则 V(X)=00E(U),00V(Y)=00E(V),故

|cov(X,Y)|=|E(UV)|≤E(U2)E(V2)=V(X)V(Y)

相关系数 ​

相关系数 ρXY,00ρ

衡量随机变量 X,00Y 相关性的无量纲系数,定义为

ρXY=cov(X,Y)V(X)V(Y)
推论
ρXY=cov(X,Y)V(X)V(Y)=E(X−E(X)V(X)⋅Y−E(Y)V(Y))=E(X∗Y∗)=cov(X∗,Y∗)=ρX∗Y∗其中 X∗ 表示 X 的标准化结果,即 X∗=00X−E(X)V(X)。
定理 1
|ρXY|≤1。
定理 2
|ρXY|=001⇔∃a>0,00∃b,00P(Y=00aX+00b)=001,且 a>0 时 ρXY=001,a<0 时 ρXY=00−001。

随机变量的独立性总结 ​

X,Y 相互独立 ⇒X,Y 不相关 ⇔ρXY=0⇔cov(X,Y)=0⇔E(XY)=E(X)E(Y)⇔V(X±Y)=V(X)+V(Y)

对于正态分布随机变量 (X,00Y),X,00Y 相互独立 ⇔ X,00Y 不相关。