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多元正态分布

多元正态分布 (MVN)

多元正态分布是单变量正态分布在多维空间的推广,描述多个连续随机变量联合概率行为。X∼N(μ,Σ)\mathbf{X}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{\mu},\boldsymbol{\Sigma}),PDF:

f(x)=1(2π)n/2∣Σ∣1/2exp⁡(−12(x−μ)TΣ−1(x−μ))f(\mathbf{x}) = \frac{1}{(2\pi)^{n/2}|\boldsymbol{\Sigma}|^{1/2}} \exp\left(-\frac{1}{2}(\mathbf{x}-\boldsymbol{\mu})^T\boldsymbol{\Sigma}^{-1}(\mathbf{x}-\boldsymbol{\mu})\right)

参数:均值向量 μ=E[X]\boldsymbol{\mu}=E[\mathbf{X}](n维列向量→中心);协方差矩阵 Σ\boldsymbol{\Sigma} 对称+正定(对角线Σii=σi2\Sigma_{ii}=\sigma_i^2方差,非对角协方差)。指数部分为平方马氏距离。

核心性质

线性变换封闭:X∼N(μ,Σ)\mathbf{X}\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{\mu},\boldsymbol{\Sigma})→Y=AX+b∼N(Aμ+b,AΣAT)\mathbf{Y}=\mathbf{A}\mathbf{X}+\mathbf{b}\sim\mathcal{N}(\mathbf{A}\boldsymbol{\mu}+\mathbf{b}, \mathbf{A}\boldsymbol{\Sigma}\mathbf{A}^T)(投资组合收益即资产收益的线性组合→重要)。边缘分布:任何子集仍正态(Xa∼N(μa,Σaa)\mathbf{X}_a\sim\mathcal{N}(\boldsymbol{\mu}_a,\boldsymbol{\Sigma}_{aa});每单独分量Xi∼N(μi,Σii)X_i\sim\mathcal{N}(\mu_i,\Sigma_{ii}))。条件分布给定子集值仍正态:Xa∣Xb∼N(μˉ,Σˉ)\mathbf{X}_a\mid\mathbf{X}_b\sim\mathcal{N}(\bar{\boldsymbol{\mu}},\bar{\boldsymbol{\Sigma}})(μˉ=μa+ΣabΣbb−1(xb−μb)\bar{\boldsymbol{\mu}}=\boldsymbol{\mu}_a+\boldsymbol{\Sigma}_{ab}\boldsymbol{\Sigma}_{bb}^{-1}(\mathbf{x}_b-\boldsymbol{\mu}_b))→线性回归+贝叶斯推断理论基础。不相关=独立(一般分布不满足,MVN特有)。

二元特例与应用

二元正态(n=2):Σ=[σ12,ρσ1σ2;ρσ1σ2,σ22]\boldsymbol{\Sigma}=[\sigma_1^2,\rho\sigma_1\sigma_2; \rho\sigma_1\sigma_2,\sigma_2^2]。ρ=0\rho=0椭圆无倾斜(独立);ρ>0\rho>0正斜率;ρ<0\rho<0负斜率。等高线为椭球(由特征向量(主轴方向)和特征值(轴长)决定)。

应用:投资组合理论(马科维茨→资产收益率MVN假设→均值方差优化;VaR计算)。线性回归(ϵ∼N(0,σ2I)\epsilon\sim\mathcal{N}(0,\sigma^2 I)→假设检验/CI基础)。线性判别分析(LDA)(各类数据点假设同协方差异均值的MVN)。

局限:金融数据肥尾(极端事件频率>正态预测)、偏度(实际不对称)、仅捕捉线性相关。扩展:多元t分布、Copula。

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