#线性代数:两个随机变量相乘的方差

假设 X X X 和 Y Y Y 是两个随机变量,我们需要求 X Y XY XY 的方差。

方差公式:
Var ( X ) = E ( X − E ( X ) ) 2 = E ( X 2 − 2 X E ( X ) + E ( X ) ) 2 = E X 2 − ( E X ) 2 \text{Var}(X) = \mathbb{E}(X - E(X))\^2 = \mathbb{E}(X\^2 - 2XE(X) + E(X))\^2 = \mathbb{E}X\^2 - (\mathbb{E}X)^2 Var(X)=E(X−E(X))2=E(X2−2XE(X)+E(X))2=EX2−(EX)2

根据方差的定义,方差是平方值的期望减去期望值的平方,即
Var ( X Y ) = E ( X Y ) 2 − ( E X Y ) 2 \text{Var}(XY) = \mathbb{E}(XY)\^2 - (\mathbb{E}XY)^2 Var(XY)=E(XY)2−(EXY)2

求 E X Y \mathbb{E}XY EXY:

根据协方差定义:
Cov ( X , Y ) = E ( X − E \[ X ) ( Y − E Y ) ] \text{Cov}(X, Y) = \mathbb{E}(X - \\mathbb{E}\[X)(Y - \mathbb{E}Y)] Cov(X,Y)=E(X−E\[X)(Y−EY)]
= E X Y − X E \[ Y − E X Y + E X E Y ] = \mathbb{E}XY - X\\mathbb{E}\[Y - \mathbb{E}XY + \mathbb{E}X\mathbb{E}Y] =EXY−XE\[Y−EXY+EXEY]
= E X Y − E X E Y − E X E Y + E X E Y = \mathbb{E}XY - \mathbb{E}X\mathbb{E}Y - \mathbb{E}X\mathbb{E}Y + \mathbb{E}X\mathbb{E}Y =EXY−EXEY−EXEY+EXEY
= E X Y − E X E Y = \mathbb{E}XY - \mathbb{E}X\mathbb{E}Y =EXY−EXEY

有: E X Y = E X E Y + Cov ( X , Y ) \mathbb{E}XY = \mathbb{E}X \mathbb{E}Y + \text{Cov}(X,Y) EXY=EXEY+Cov(X,Y)

求 E ( X Y ) 2 \mathbb{E}(XY)\^2 E(XY)2:

E ( X Y ) 2 = E X 2 Y 2 \mathbb{E}(XY)\^2 = \mathbb{E}X\^2 Y\^2 E(XY)2=EX2Y2

同样我们可以利用协方差公式得到:

E X 2 Y 2 = E X 2 E Y 2 + Cov ( X 2 , Y 2 ) \mathbb{E}X\^2 Y\^2 = \mathbb{E}X\^2 \mathbb{E}Y\^2 + \text{Cov}(X^2, Y^2) EX2Y2=EX2EY2+Cov(X2,Y2)

将其代入:
E ( X Y ) 2 = E X 2 Y 2 \mathbb{E}(XY)\^2 = \mathbb{E}X\^2 Y\^2 E(XY)2=EX2Y2

有:
E ( X Y ) 2 = E X 2 E Y 2 + Cov ( X 2 , Y 2 ) \mathbb{E}(XY)\^2 = \mathbb{E}X\^2 \mathbb{E}Y\^2 + \text{Cov}(X^2, Y^2) E(XY)2=EX2EY2+Cov(X2,Y2)

求 Var ( X Y ) \text{Var}(XY) Var(XY) :

Var ( X Y ) = E X 2 E Y 2 + Cov ( X 2 , Y 2 ) − ( E X E Y + Cov ( X , Y ) ) 2 \text{Var}(XY) = \mathbb{E}X\^2 \mathbb{E}Y\^2 + \text{Cov}(X^2, Y^2) - (\mathbb{E}X \mathbb{E}Y + \text{Cov}(X,Y))^2 Var(XY)=EX2EY2+Cov(X2,Y2)−(EXEY+Cov(X,Y))2

如果两个变量独立,进一步简化

假设 X X X 和 Y Y Y 是两个独立的随机变量,可以推导出 X 2 X^2 X2和 Y 2 Y^2 Y2也是独立的。

推导 X 2 X^2 X2和 Y 2 Y^2 Y2独立:

如果 X X X 和 Y Y Y 是独立的,则 X X X 和 Y Y Y 的联合概率密度函数可以分解为各自的概率密度函数的乘积:

f X , Y ( x , y ) = f X ( x ) f Y ( y ) f_{X,Y}(x, y) = f_X(x) f_Y(y) fX,Y(x,y)=fX(x)fY(y)

在这种情况下,我们有:

E X Y = E X E Y \mathbb{E}XY = \mathbb{E}X \mathbb{E}Y EXY=EXEY

但这并不直接意味着 E X 2 Y 2 = E X 2 E Y 2 \mathbb{E}X\^2 Y\^2 = \mathbb{E}X\^2 \mathbb{E}Y\^2 EX2Y2=EX2EY2

X 2 Y 2 X^2 Y^2 X2Y2 的概率密度函数为:

E X 2 Y 2 = ∫ − ∞ ∞ ∫ − ∞ ∞ x 2 y 2 f X 2 , Y 2 ( x 2 , y 2 )   d x 2   d y 2 \mathbb{E}X\^2 Y\^2 = \int_{-\infty}^{\infty} \int_{-\infty}^{\infty} x^2 y^2 f_{X^2,Y^2}(x^2, y^2) \, dx^2 \, dy^2 EX2Y2=∫−∞∞∫−∞∞x2y2fX2,Y2(x2,y2)dx2dy2

令 M = X 2 M = X^2 M=X2, N = Y 2 N = Y^2 N=Y2,则:

E M N = ∫ − ∞ ∞ ∫ − ∞ ∞ m n f M , N ( m , n )   d m   d n \mathbb{E}M N = \int_{-\infty}^{\infty} \int_{-\infty}^{\infty} m n f_{M,N}(m, n) \, dm \, dn EMN=∫−∞∞∫−∞∞mnfM,N(m,n)dmdn

由于 X X X 和 Y Y Y 独立,有:

f X , Y ( x , y ) = f X ( x ) f Y ( y ) f_{X,Y}(x, y) = f_X(x) f_Y(y) fX,Y(x,y)=fX(x)fY(y)

因此:

f M , N ( m , n ) = f M ( m ) f N ( n ) f_{M,N}(m, n) = f_M(m) f_N(n) fM,N(m,n)=fM(m)fN(n)

因此联合概率密度函数可以分解:

E M N = ∫ − ∞ ∞ ∫ − ∞ ∞ m n f M ( m ) f N ( n )   d m   d n \mathbb{E}MN = \int_{-\infty}^{\infty} \int_{-\infty}^{\infty}m n f_M(m) f_N(n) \, dm \, dn EMN=∫−∞∞∫−∞∞mnfM(m)fN(n)dmdn

可以将积分分开:

E M N = ( ∫ − ∞ ∞ m f M ( m )   d m ) ( ∫ − ∞ ∞ n f N ( n )   d n ) \mathbb{E}M N = \left( \int_{-\infty}^{\infty} m f_M(m) \, dm \right) \left( \int_{-\infty}^{\infty} n f_N(n) \, dn \right) EMN=(∫−∞∞mfM(m)dm)(∫−∞∞nfN(n)dn)

因此:

E M N = E M E N \mathbb{E}MN = \mathbb{E}M \mathbb{E}N EMN=EMEN

这正是:

E X 2 Y 2 = E X 2 E Y 2 \mathbb{E}X\^2 Y\^2 = \mathbb{E}X\^2 \mathbb{E}Y\^2 EX2Y2=EX2EY2

我们得出结论,当 X X X 和 Y Y Y 独立时, X 2 X^2 X2 和 Y 2 Y^2 Y2 也独立。

因此:

Cov ( X 2 , Y 2 ) = Cov ( X , Y ) = 0 \text{Cov}(X^2, Y^2) = \text{Cov}(X, Y) = 0 Cov(X2,Y2)=Cov(X,Y)=0

代入:

Var ( X Y ) = E X 2 E Y 2 + Cov ( X 2 , Y 2 ) − ( E X E Y + Cov ( X , Y ) ) 2 \text{Var}(XY) = \mathbb{E}X\^2 \mathbb{E}Y\^2 + \text{Cov}(X^2, Y^2) - (\mathbb{E}X \mathbb{E}Y + \text{Cov}(X,Y))^2 Var(XY)=EX2EY2+Cov(X2,Y2)−(EXEY+Cov(X,Y))2

有:

Var ( X Y ) = E X 2 E Y 2 − ( E X E Y ) 2 \text{Var}(XY) = \mathbb{E}X\^2 \mathbb{E}Y\^2 - (\mathbb{E}X \mathbb{E}Y)^2 Var(XY)=EX2EY2−(EXEY)2

由于:
Var ( X ) = E ( X − E ( X ) ) 2 = E ( X 2 − 2 X E ( X ) + E ( X ) ) 2 = E X 2 − ( E X ) 2 \text{Var}(X) = \mathbb{E}(X - E(X))\^2 = \mathbb{E}(X\^2 - 2XE(X) + E(X))\^2 = \mathbb{E}X\^2 - (\mathbb{E}X)^2 Var(X)=E(X−E(X))2=E(X2−2XE(X)+E(X))2=EX2−(EX)2

则:

E X 2 = Var ( X ) + ( E X ) 2 \mathbb{E}X\^2 = \text{Var}(X) + (\mathbb{E}X )^2 EX2=Var(X)+(EX)2
E Y 2 = Var ( Y ) + ( E Y ) 2 \mathbb{E}Y\^2 = \text{Var}(Y) + (\mathbb{E}Y )^2 EY2=Var(Y)+(EY)2

进一步:
Var ( X Y ) = Var ( X ) Var ( Y ) + E X 2 Var ( Y ) + E Y 2 Var ( X ) \text{Var}(XY) = \text{Var}(X) \text{Var}(Y) + \mathbb{E}X^2\text{Var}(Y) + \mathbb{E}Y^2 \text{Var}(X) Var(XY)=Var(X)Var(Y)+EX2Var(Y)+EY2Var(X)

如果X和Y均值为0,则有:
Var ( X Y ) = Var ( X ) Var ( Y ) \text{Var}(XY) = \text{Var}(X)\text{Var}(Y) Var(XY)=Var(X)Var(Y)

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