Varian kombinasi linear dari variabel acak berkorelasi


10

Saya mengerti bukti bahwa tapi saya tidak mengerti bagaimana membuktikan generalisasi untuk kombinasi linear yang sewenang-wenang.

Var(aX+bY)=a2Var(X)+b2Var(Y)+2abCov(X,Y),

Biarkan menjadi skalar untuk sehingga kita memiliki vektor , dan menjadi vektor dari variabel acak berkorelasi. Kemudian Bagaimana kita membuktikan ini? Saya membayangkan ada bukti dalam notasi penjumlahan dan dalam notasi vektor?aii1,,na_X_=Xi,,Xn

Var(a1X1+anXn)=i=1nai2σi2+2i=1nj>inaiaj Cov(Xi,Xj)

Jawaban:


18

Ini hanya latihan dalam menerapkan sifat dasar penjumlahan, linieritas harapan, dan definisi varian dan kovarian

var(i=1naiXi)=E[(i=1naiXi)2](E[i=1naiXi])2one definition of variance=E[i=1nj=1naiajXiXj](E[i=1naiXi])2basic properties of sums=i=1nj=1naiajE[XiXj](i=1naiE[Xi])2linearity of expectation=i=1nj=1naiajE[XiXj]i=1nj=1naiajE[Xi]E[Xj]basic properties of sums=i=1nj=1naiaj(E[XiXj]E[Xi]E[Xj])combine the sums=i=1nj=1naiajcov(Xi,Xj)apply a definition of covariance=i=1nai2var(Xi)+2i=1nj:j>inaiajcov(Xi,Xj)re-arrange sum
Perhatikan bahwa pada langkah terakhir itu, kami juga mengidentifikasi sebagai varians .cov(Xi,Xi)var(Xi)

6

Anda benar-benar dapat melakukannya dengan rekursi tanpa menggunakan matriks:

Ambil hasilnya untuk dan biarkan .Var(a1X1+Y1)Y1=a2X2+Y2

Var(a1X1+Y1)

=a12Var(X1)+2a1Cov(X1,Y1)+Var(Y1)

=a12Var(X1)+2a1Cov(X1,a2X2+Y2)+Var(a2X2+Y2)

=a12Var(X1)+2a1a2Cov(X1,X2)+2a1Cov(X1,Y2)+Var(a2X2+Y2)

Kemudian teruslah mengganti dan menggunakan hasil dasar yang sama, kemudian pada langkah terakhir gunakanYi1=aiXi+YiYn1=anXn

Dengan vektor (jadi hasilnya harus skalar):

Var(aX)=aVar(X)a

Atau dengan matriks (hasilnya akan menjadi matriks varians-kovarians):

Var(AX)=AVar(X)A

Ini memiliki keuntungan memberikan kovarian dari berbagai kombinasi linier yang koefisiennya adalah deretan pada elemen off-diagonal dalam hasilnya.A

Bahkan jika Anda hanya mengetahui hasil univariat, Anda dapat mengonfirmasi ini dengan memeriksa elemen demi elemen.


2

Pada dasarnya, buktinya sama dengan rumus pertama. Saya akan membuktikannya menggunakan metode yang sangat brutal.

Var(a1X1+...+anXn)=E[(a1X1+..anXn)2][E(a1X1+...+anXn)]2=E[(a1X1)2+...+(anXn)2+2a1a2X1X2+2a1a3X1X3+...+2a1anX1Xn+...+2an1anXn1Xn][a1E(X1)+...anE(Xn)]2

=a12E(X12)+...+an2E(Xn2)+2a1a2E(X1X2)+...+2an1anE(Xn1Xn)a12[E(X1)]2...an2[E(Xn)]22a1a2E(X1)E(X2)...2an1anE(Xn1)E(Xn)

=a12E(X12)a12[E(X1)]2+...+an2E(Xn2)an2[E(Xn)]2+2a1a2E(X1X2)2a1a2E(X1)E(X2)+...+2an1anE(Xn1Xn)2an1anE(Xn1)E(Xn)

Catatan selanjutnya:

an2E(Xn2)an2[E(Xn)]2=anσn2

dan

2an1anE(Xn1Xn)2an1anE(Xn1)E(Xn)=2an1anCov(Xn1,Xn)


2

Hanya untuk bersenang-senang, buktikan dengan induksi!

Misalkan adalah pernyataan bahwaP(k)Var[i=1kaiXi]=i=1kai2σi2+2i=1kj>ikaiajCov[Xi,Xj]

Maka benar (sepele) benar (Anda bilang Anda senang dengan itu dalam pertanyaan).P(2)

Anggaplah P (k) benar. Jadi,

Var[i=1k+1aiXi]=Var[i=1kaiXi+ak+1Xk+1]

=Var[i=1kaiXi]+Var[ak+1Xk+1]+2Cov[i=1kaiXi,ak+1Xk+1]

=i=1kai2σi2+2i=1kj>ikaiajCov[Xi,Xj]+ak+12σk+12+2Cov[i=1kaiXi,ak+1Xk+1]

=i=1k+1ai2σi2+2i=1kj>ikaiajCov[Xi,Xj]+2i=1kaiak+1Cov[Xi,Xk+1]

=i=1k+1ai2σi2+2i=1k+1j>ik+1aiajCov[Xi,Xj]

Jadi benar.P(k+1)

Jadi, dengan induksi,

Var[i=1naiXi]=i=1nai2σi2+2i=1nj>inaiajCov[Xi,Xj] untuk semua bilangan bulat .n2

Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.