2025-10-23
算法
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目录

1️⃣方差与均值的基本定义
2️⃣方差的矩形式公式
3️⃣常数平移对均值和方差的影响
4️⃣常数缩放对均值和方差的影响
5️⃣独立随机变量和的方差

方差(variance)和均值(mean)之间有一些重要的数学关系公式。这些公式主要源于概率论和统计学的基本性质。在深度学习领域中,有不少公式涉及统计和概率的知识,本文将简单记录一些常用的公式,方便推导复杂公式的时候用于查询。

1️⃣方差与均值的基本定义

均值的定义:

μ=E(X)=1Nxiμ = E(X) = \frac{1}{N} \sum{x_i}

方差的定义:

σ2=Var(X)=E[(Xμ)2]σ^2 = \operatorname{V a r} ( X )=\mathbb{E} [ \left( X-\mu\right)^{2} ]

这是方差的最标准定义。它直接衡量 XX 偏离其均值 μ\mu 的平方期望。

2️⃣方差的矩形式公式

用中文表示即:方差 = 平方的期望 - 均值的平方

Var(X)=E[X2](E[X])2\operatorname{V a r} ( X )=\mathbb{E} [ X^{2} ]-\left( \mathbb{E} [ X ] \right)^{2}

根据定义推导过程:

Var(X)=1N(xiμ)2\operatorname{V a r} ( X )=\cfrac{1} {N} \sum( x_{i}-\mu)^{2}
=1N(xi22xiμ+μ2)=1Nxi22μ1Nxi+μ2=1Nxi2μ2\begin{aligned} {} & {{}=\frac{1} {N} \sum( x_{i}^{2}-2 x_{i} \mu+\mu^{2} )} \\ {} & {{}=\frac{1} {N} \sum x_{i}^{2}-2 \mu\frac{1} {N} \sum x_{i}+\mu^{2}} \\ \end{aligned} \\ = \cfrac{1} {N} \sum x_{i}^{2}-\mu^{2}

根据定义改写为:

=E[X2](E[X])2=\mathbb{E} [ X^{2} ]-\left( \mathbb{E} [ X ] \right)^{2}

3️⃣常数平移对均值和方差的影响

E[X+c]=E[X]+c=μ+c\mathbb{E} [ X+c ]=\mathbb{E} [ X ]+c=\mu+c
Var(X+c)=Var(X)\operatorname{V a r} ( X + c )= \operatorname{V a r} (X)

这个公式很好理解,有一组数据分布,统统加上一个常数,那么数据的均值也会加上常数,但是因为加的是常数,数据分布是整体偏移,所以方差不会变化。

这显示平移只改变均值,不影响方差。

4️⃣常数缩放对均值和方差的影响

E[aX]=aE[X]\mathbb{E} [ aX ] = a\mathbb{E}[X]
Var(aX)=a2Var(X)\operatorname{V a r} (aX) = a^2 \operatorname{V a r}(X)

均值缩放推导:

E[aX]=1Naxi=aNxi=aE[X]\mathbb{E} [aX] = \frac{1}{N} \sum a x_i = \frac{a}{N} \sum x_i = a \mathbb{E} [X]

方差缩放推导:

Var(aX)=E[(aXaμ)2]=a2E[X22μX+u2]=a2[E[X2]2μE[X]+μ2]\operatorname{V a r} (aX) = E[(aX - a \mu)^2] \\ = a^2E[X^2 - 2 \mu X + u^2] \\ = a^2[E[X^2] -2 \mu E[X] + \mu^2]

因为μ=E[X] \mu = E[X]Var(X)=E[(Xμ)2]\operatorname{V a r} ( X )=\mathbb{E} [ \left( X-\mu\right)^{2} ]

故:

=a2[E[X2](E[X])2] = a^2[E[X^2] - (E[X])^2]
=a2Var[X] = a^2 \operatorname{V a r}[X]

5️⃣独立随机变量和的方差

XXYY 独立:

Var(X+Y)=Var(X)+Var(Y)\operatorname{V a r} ( X+Y )=\operatorname{V a r} ( X )+\operatorname{V a r} ( Y )
E[X+Y]=μX+μY\mathbb{E} [ X+Y ]=\mu_{X}+\mu_{Y}

本文作者:James

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