相関行列のゼロ固有値のための十分かつ必要な条件


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確率変数X iが与えられ、確率分布P X 1X n)がある場合、相関行列C i j = E [ X i X j ] E [ X i ] E [ X j ]は正の半明確、すなわちその固有値は正またはゼロです。nXiP(X1,,Xn)Cij=E[XiXj]E[Xi]E[Xj]

Cm個のゼロ固有値を持つ ために必要かつ/または十分であるの条件に興味があります。:例えば、十分条件では確率変数が独立していないということですΣ I 、U I X I = 0、いくつかの実数uの。たとえば、P X 1X n= δ X 1X 2p X 2PCmiuiXi=0ui、次いでU = 1 - 1 0 ... 0 の固有ベクトルであり、 Cはゼロ固有値を有します。このタイプの X i m個の独立した線形制約がある場合、 m個のゼロ固有値を意味します。P(X1,,Xn)=δ(X1X2)p(X2,,Xn)u=(1,1,0,,0)CmXim

ときに少なくとも1つの付加的な(しかし、些細な)可能性があり、一部のA(すなわち、P X 1... X Nα δ X A - E [ X A ] 、)その場合、C i jにはゼロの列と行があります:C i a = C a i = 0 Xa=E[Xa]aP(X1,,Xn)δ(XaE[Xa])CijCia=Cai=0,i。あまり面白くないので、確率分布はそういう形ではないと思います。

私の質問は:線形制約がゼロ固有値を引き起こす唯一の方法ですか(上記の些細な例外を禁止する場合)、または確率変数に対する非線形制約もゼロ固有値を生成できますCか?


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定義により、ゼロベクトルを含むベクトルのコレクションは線形に依存するため、追加される可能性は新しいものや異なるものではありません。あなたは、「持っていることによって何を意味するかを説明してもらえ固有値を」?それはある種の誤植のようです。m
whuber

@whuber:はい、タイプミス。修正。2つの条件は異なると思います。1つは変数間の関係についてであり、もう1つは変数のみの確率についてです(つまり、)。p(Xa)=δ(XaE(Xa))
アダム

あなたの質問の定式化は混乱しています。線形代数の基本定理のように見えますが、「独立した」確率変数への参照は、それが他の何かについて完全にかもしれないことを示唆しています。「独立」を使用するときは常に、(統計的に)独立したランダム変数の意味ではなく、線形独立の意味であると理解するのは正しいでしょうか?「ランダムな変数」が実際にはデータマトリックスの列のみを意味する可能性があることを示唆しているため、「欠損データ」への参照はさらに混乱します。これらの意味を明確にしておくとよいでしょう。
whuber

@whuber:質問を編集しました。うまくいけば、それはより明確です。
アダム

独立性の条件は、各X iの平均がゼロでない限り、必ずしもゼロである必要はありません(任意の定数がそうです)。iuiXi=0Xi
Sextus Empiricus

回答:


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おそらく、表記を単純化することで、本質的なアイデアを引き出すことができます。 すべてが純粋に代数的であるため、期待や複雑な式を含める必要がないことがわかります。


数学的オブジェクトの代数的性質

問題は、(1)ランダム変数有限集合の共分散行列と(2)ベクトルと見なされるこれらの変数間の線形関係の間の関係に関係します。X1,,Xn

当該ベクトル空間は、(任意の確率空間上のすべての有限分散確率変数の集合であるはほぼ確実に一定の変数の部分空間を法)、表記L 2Ω P/ Rを (つまり、我々は2つの確率変数を検討XYを同じになるように、ベクトルというゼロチャンスがあるときにX - Yの我々は唯一の有限次元ベクトル空間を扱っている。その期待と異なっ)がVによって発生するX 、私は(Ω,P)L2(Ω,P)/R.XYXYVXi, これが、分析的な問題ではなく代数的な問題です。

分散について知っておくべきこと

は単なるベクトル空間ではありません。分散を備えているため、2次モジュールです分散について知っておくべきことは2つだけです。V

  1. 分散は、すべてのベクトルXに対してQ a X = a 2 Q X という特性を持つスカラー値関数です。QQ(aX)=a2Q(X)X.

  2. 分散は非退化です。

2番目は、いくつかの説明が必要です。 は、「内積」を決定します。これは、Q

XY=14(Q(X+Y)Q(XY)).

(これは、変数の共分散以外もちろん何である及びY )ベクトルXYがあり、直交それらのドット積であるとき0直交補ベクトルのセットのAVが全てのベクトルから構成は、各要素に直交しますA書かれましたXY.XY0.AVA,

A0={vVa.v=0 for all vV}.

それは明らかにベクトル空間です。場合Qは、である非縮退。V0={0}Q

それは明白に見えるかもしれませんが、分散が実際に非退化であることを証明させてください。仮定の非ゼロ要素であるV 0 この手段X Y = 0のすべてのためのY V 同様に、XV0.XY=0YV;

Q(X+Y)=Q(XY)

すべてのベクトル 撮影Yは= Xが与えられますY.Y=X

4Q(X)=Q(2X)=Q(X+X)=Q(XX)=Q(0)=0

したがって、 ただし、(おそらくチェビシェフの不等式を使用して)分散がゼロの確率変数のみがほぼ確実に一定であることを知っているため、V QEDのゼロベクトルでそれらを識別しますQ(X)=0.V,

質問の解釈

質問に戻りますが、前述の表記では、確率変数の共分散行列は、すべてのドット積の通常の配列です。

T=(XiXj).

考えるための良い方法がある:それは上で線形変換を定義するR nは通常の方法で、任意のベクター送信することにより、X = X 1... xはn個R nはベクターにT X = Y = y 1x nであり、そのi 番目の成分は行列乗算ルールによって与えられますTRnx=(x1,,xn)RnT(x)=y=(y1,,xn)ith

yi=j=1n(XiXj)xj.

この線形変換のは、ゼロに送信する部分空間です。

Ker(T)={xRnT(x)=0}.

上記の式は意味そのときすべてのためのxKer(T),i

0=yi=j=1n(XiXj)xj=Xi(jxjXj).

これはすべての当てはまるので、X iにまたがるすべてのベクトル、つまりV自体に当てはまります。したがって、場合X KerのT によって与えられるベクトルΣ J X J X j個にあるV 0 分散は非縮退であるため、これはj x j X j = 0を意味します。 つまり、xn個の元の確率変数間の線形従属性を表します。i,XiVxKer(T),jxjXjV0.jxjXj=0.xn

この推論の連鎖が可逆的であることをすぐに確認できます。

ベクトルとして間の線形依存関係は、Tのカーネルの要素と1対1で対応していますXj T.

(このステートメントは、位置の一定のシフトまで、つまり、ランダム変数としてではなくL 2Ω P/ Rの要素として)定義されたを引き続き考慮します。XjL2(Ω,P)/R

TλxT(x)=λx.λ=0T.


概要

L2(Ω,P)/R,T.


参照

私は、第4章の表記法と言語の一部を、

Jean-Pierre Serre、算数のコース。 Springer-Verlag 1973。


XjX=(X1,,Xn)Xi

X1=X2PQX1=X2PPδ(X1X2)X1X2

この状況での「デルタ関数」の使用を理解していないと思います、アダム。これは、必要がないこともあり、また表記法があいまいなためもあります。たとえば、それはクロネッカーデルタまたはディラックデルタでしょうか。
whuber

MX1X2X3X4P=exp(tr(M.MT))X2=X3Pδ(X1X2)

(続き)問題は、変数に追加できる非線形制約のうち、何が0の固有値を誘導できるかです。あなたの答えでは、それは次のようです:(Martijn Weteringsの回答の下のコメントで例示されているように)線形制約を意味する非線形制約のみ。たぶん問題は私の問題の考え方が物理学者の観点からのものであり、私はそれを別の言語で説明するのに苦労しています(私はここにこの質問をするのに適切な場所、物理学.SEはないと思います)。
アダム

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リニア独立性だけでは十分ではなく、また neccesary条件

変数が線形独立でない場合に限り、分散共分散行列がゼロに等しい固有値を持っていることを示すために、「行列がゼロに等しい固有値を持っている場合、変数は線形独立ではない」ことを示すだけです。

Cij=Cov(Xi,Xj)v

Y=i=1nvi(Xi)

そのような

Cov(Y,Y)=i=1nj=1nvivjCov(Xi,Xj)=i=1nvij=1nvjCij=i=1nvi0=0

YXi

Cov(Y,Y)

Cov(aU+bV,cW+dX)=acCov(U,W)+bcCov(V,W)+adCov(U,X)+bdCov(V,X)

j=1nvjCij=0


非線形制約

したがって、線形制約は(十分ではない)必要な条件であるため、非線形制約は、(必要な)線形制約を間接的に暗示する場合にのみ関連します。

実際、ゼロ固有値に関連付けられた固有ベクトルと線形制約の間には直接の対応関係があります。

Cv=0Y=i=1nviXi=const

したがって、ゼロの固有値につながる非線形制約は、組み合わせて、いくつかの線形制約を生成する必要があります。


非線形拘束はどのようにして線形拘束につながるか

コメントの例は、これを直感的に示し、導出を逆にすることにより、非線形制約が線形制約にどのようにつながるかを示しています。次の非線形制約

a2+b2=1c2+d2=1ac+bd=0adbc=1

に減らすことができます

a2+b2=1c2+d2=1ad=0b+c=0

a=db=ca2+b2=1adbc=1a=dc=bac=bd


Y=iνiXi

はい、私は知っている...私が言っていることは非線形依存性があるかどうかということであるゼロ固有値があり、その後、あなたの答えによって、それは非直線的依存性が何らかの方法で「因数分解」することができることを意味し線形依存に。それは私が探していたものの弱いバージョンですが、それでも何かです。
アダム

うまくいかない例を挙げているのは、それが事実ではないという意味ではありません...
Adam

MM.MT=1detM=1detM=1

M11=X1M12=X2M21=X3M22=X4X12+X22=1X32+X42=1X1X3+X2X4=0X1X4X2X3=1

2

Cv0var(vTX)=vTCv=0vTXvTE[X]vTX=vTE[X]。特別なケースを考慮する必要はありません。

したがって、我々は結論付けます:

「線形制約はゼロ固有値を誘導する唯一の方法である[?]」

はい。

「確率変数の非線形制約もCのゼロ固有値を生成できますか?」

はい、それらが線形制約を意味する場合。


同意する。非線形制約の種類にもっと具体的になることを期待していましたが、制約を指定しないと、より良いことは難しいと思います。
アダム

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CXC=QΛQTΛ.Λ=QTCQQTXX


QTCQ=cov(QTX)
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