news 2026/10/21 2:49:47

协方差矩阵计算

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张小明

前端开发工程师

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协方差矩阵计算

协方差矩阵的计算其实是把“一维协方差公式”推广到多维。我按「定义 → 手算公式 → 矩阵形式 → 实际例子 → 常见坑」来给你一套完整、考试/科研都通用的理解。


一、先给结论(最常用公式)

设你有

  • 样本数:(n)
  • 特征维度:(d)
  • 数据矩阵
    [
    X=
    \begin{bmatrix}
    x_{11}&x_{12}&\cdots&x_{1d}
    x_{21}&x_{22}&\cdots&x_{2d}
    \vdots&\vdots& &\vdots
    x_{n1}&x_{n2}&\cdots&x_{nd}
    \end{bmatrix}
    ]

✅ 样本协方差矩阵(最常见)

[
\boxed{
\Sigma

\frac{1}{n-1}
\sum_{i=1}^{n}
(\mathbf{x}_i-\bar{\mathbf{x}})
(\mathbf{x}_i-\bar{\mathbf{x}})^{T}
}
]


二、每个元素怎么算(最直观)

第 (j,k) 个元素是:

[
\boxed{
\text{Cov}(X_j,X_k)

\frac{1}{n-1}
\sum_{i=1}^n
(x_{ij}-\bar x_j)(x_{ik}-\bar x_k)
}
]

  • 对角线:方差
  • 非对角线:协方差

三、矩阵形式(线代最爱)

先对数据去均值:

[
\tilde X = X - \mathbf{1}\bar{\mathbf{x}}^{T}
]

协方差矩阵:

[
\boxed{
\Sigma

\frac{1}{n-1}
\tilde X^{T}\tilde X
}
]

📌 这一步在PCA、SVD、特征分析里非常重要。


四、一个完整手算例子(2 维)

样本:
[
(2,3),\ (4,5),\ (6,8)
]

1️⃣ 均值

[
\bar x=4,\quad \bar y=\frac{16}{3}
]

2️⃣ 去均值

[
\begin{array}{c|cc}
& x-\bar x & y-\bar y
\hline
1 & -2 & -\frac{7}{3}
2 & 0 & -\frac{1}{3}
3 & 2 & \frac{8}{3}
\end{array}
]

3️⃣ 协方差

[
\text{Cov}(x,y)

\frac{1}{2}
\left[
(-2)(-\tfrac{7}{3})
+
0(-\tfrac{1}{3})
+
2(\tfrac{8}{3})
\right]
=5
]

4️⃣ 协方差矩阵

[
\boxed{
\Sigma=
\begin{bmatrix}
4 & 5
5 & \tfrac{19}{3}
\end{bmatrix}
}
]


五、分母为什么是 (n-1)?

分母用途
(n)极大似然估计(MLE)
(n-1)无偏估计(统计/考试常用)

👉 考试:默认用 (n-1)
👉 深度学习里有时用 (n)


六、协方差矩阵的性质(必背)

  • 对称矩阵
  • 半正定
  • 对角线 ≥ 0
  • 特征向量正交(PCA 基础)

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