协方差矩阵—Hessian矩阵—正定矩阵

协方差矩阵—Hessian矩阵—正定矩阵一 基本概念 1 1 协方差矩阵及推导 1 2 黑塞矩阵示例 1 3 正定矩阵定义及性质 1 4 正定矩阵示例一 基本概念 1 1 协方差矩阵及推导在统计学中用标准差描述样本数据的 散布度 公式中之所以除以 n 1 而不是 n 是因为这样使我们以较少的样本集更好的逼近总体标准差 即统计学上所谓的 无偏估计 协方差矩阵的

一、基本概念

1.1 协方差矩阵 及推导

方差 v a r ( X ) = ∑ i = 1 n ( X i − X ˉ ) ( X i − X ˉ ) n − 1 var(X) = \frac{\sum_{i=1}^n(X_i-\bar{X})(X_i-\bar{X})}{n-1} var(X)=n1i=1n(XiXˉ)(XiXˉ)

各个维度偏离其均值的程度,协方差 cov ( X , Y ) = ∑ i = 1 n ( X i − X ˉ ) ( Y i − Y ˉ ) n − 1 \text{cov}(X,Y) = \frac{\sum_{i=1}^n(X_i-\bar{X})(Y_i-\bar{Y})}{n-1} cov(X,Y)=n1i=1n(XiXˉ)(YiYˉ)

1.2 Hessian矩阵

其中: Δ x = x − x ( 0 ) , Δ x 2 = ( x − x ( 0 ) ) 2 \Delta x = x-x^{(0)},\Delta x^2 = (x-x^{(0)})^2 Δx=xx(0),Δx2=(xx(0))2

二元函数 f ( x 1 , x 2 ) f(x_1,x_2) f(x1,x2) X ( 0 ) ( x 1 ( 0 ) , x 2 ( 0 ) ) X^{(0)}(x^{(0)}_1,x^{(0)}_2) X(0)(x1(0),x2(0))点处的泰勒展开式为:
1 2 [ ∂ 2 f ∂ 2 x 1 2 ∣ x ( 0 ) Δ x 1 2 + 2 ∂ 2 f ∂ x 1 ∂ x 2 ∣ x ( 0 ) Δ x 1 Δ x 2 + ∂ 2 f ∂ 2 x 2 2 ∣ x ( 0 ) Δ x 2 2 ] + ⋯ (2) \frac{1}{2}\left [ \frac{\partial^2f}{\partial^2x_1^2}|_{x^{(0)}} \Delta x_1^2 + 2\frac{\partial^2f}{\partial x_1\partial x_2}|_{x^{(0)}}\Delta x_1\Delta x_2+\frac{\partial^2f}{\partial^2x_2^2}|_{x^{(0)}} \Delta x_2^2\right ]+\cdots \tag{2} 21[2x122fx(0)Δx12+2x1x22fx(0)Δx1Δx2+2x222fx(0)Δx22]+(2)

其中: Δ x 1 = x 1 − x 1 ( 0 ) , Δ x 2 = x 2 − x 2 ( 0 ) \Delta x_1 = x_1-x^{(0)}_1,\Delta x_2 = x_2-x_2^{(0)} Δx1=x1x1(0),Δx2=x2x2(0)

G ( X ( 0 ) ) G(X^{(0)}) G(X(0)) f ( x 1 , x 2 ) f(x_1,x_2) f(x1,x2) X ( 0 ) X^{(0)} X(0) 点处的Hessian矩阵。它是由函数 f ( x 1 , x 2 ) f(x_1,x_2) f(x1,x2) X ( 0 ) X^{(0)} X(0)点处的二阶偏导数所组成的方阵。我们一般将其表示为:

H ( f ) = [ ∂ 2 f ∂ x 1 2 ∂ 2 f ∂ x 1 ∂ x 2 ⋯ ∂ 2 f ∂ x 1 ∂ x n ∂ 2 f ∂ x 2 ∂ x 1 ∂ 2 f ∂ x 2 2 ⋯ ∂ 2 f ∂ x 2 ∂ x n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ ∂ 2 f ∂ x n ∂ x 1 ∂ 2 f ∂ x n ∂ x 2 ⋯ ∂ 2 f ∂ x n 2 ] H(f) = \begin{bmatrix} \frac{\partial^2f}{\partial x_1^2} & \frac{\partial^2f}{\partial x_1 \partial x_2} & \cdots & \frac{\partial^2f}{\partial x_1 \partial x_n} \\ \frac{\partial^2f}{\partial x_2 \partial x_1} & \frac{\partial^2f}{\partial x_2^2} & \cdots & \frac{\partial^2f}{\partial x_2 \partial x_n}\\ \vdots & \vdots & \ddots &\vdots \\ \frac{\partial^2f}{\partial x_n \partial x_1} & \frac{\partial^2f}{\partial x_n \partial x_2} & \cdots & \frac{\partial^2f}{\partial x_n^2} \end{bmatrix} H(f)=x122fx2x12fxnx12fx1x22fx222fxnx22fx1xn2fx2xn2fxn22f

简写成: Q H e s s i a n = [ I x x I x y I y x I y y ] \mathbf{Q_{Hessian}} = \begin{bmatrix} I_{xx} & I_{xy}\\ I_{yx} & I_{yy} \end{bmatrix} QHessian=[IxxIyxIxyIyy]
这里写图片描述

1.3 Hessian矩阵 示例

这里写图片描述

1.3 正定矩阵定义及性质
1.4 正定矩阵 示例

这里写图片描述

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