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数学知识体系

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⌕2026/8/31
概念

数字特征

期望是均值、方差是离散度,协方差与相关系数度量两个变量的线性关联。

所属主题:概率论 ↗
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01定义

期望 E[X]E[X] 是概率加权的均值,方差 Var(X)\mathrm{Var}(X) 度量围绕均值的离散,协方差与相关系数刻画两个变量的线性关联。几个数字浓缩分布的关键行为——统计描述的通用语言。
μ = E[X] 偏差 X−μ Var(X) = E[(X−μ)²]:偏差平方的均值 ρ(X,Y) ∈ [−1,1]:线性关联的标准化度量 ρ = 0 ≠ 独立:只探测线性关系
均值是重心,方差是散布,相关是线性牵连

02核心要点

01

期望的线性

E[aX+bY]=aE[X]+bE[Y]E[aX+bY]=aE[X]+bE[Y] 无需独立性——期望是最宽容的运算;LOTUS 公式 E[g(X)]=∫g dFE[g(X)]=\int g\,dF 让我们不必先求 g(X)g(X) 的分布。

02

方差的代数

Var(X)=E[X2]−E[X]2\mathrm{Var}(X)=E[X^2]-E[X]^2;独立时方差可加 Var(∑Xi)=∑Var(Xi)\mathrm{Var}(\sum X_i)=\sum\mathrm{Var}(X_i)——这是中心极限定理 n\sqrt{n} 标度的来源。

03

协方差与相关

Cov(X,Y)=E[(X−μX)(Y−μY)]\mathrm{Cov}(X,Y)=E[(X-\mu_X)(Y-\mu_Y)],ρ=Cov/(σXσY)\rho=\mathrm{Cov}/(\sigma_X\sigma_Y);柯西-施瓦茨保证 ∣ρ∣≤1|\rho|\leq 1,等号当且仅当线性相关。

03关键公式

E[X]=∫x dF(x),Var(X)=E[X2]−E[X]2E[X]=\int x\,dF(x),\quad \mathrm{Var}(X)=E[X^2]-E[X]^2

04历史沿革

惠更斯 1657 年《论赌博中的计算》首创期望概念;棣莫弗研究离散度;高斯与勒让德在误差理论中发展方差与最小二乘。

05应用与延伸

投资组合的风险度量(马科维茨均值-方差框架)、信号处理的功率谱、机器学习的偏差-方差分解、质量控制的六西格玛。

06交互演示

二项分布的数字特征:期望与方差调整 n、p:E[X]=np 是柱状图的重心

07相关概念