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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