问题

如何证明随机变量的中数一阶矩最小?

回答
好的,我们来聊聊这个话题——为什么随机变量的中位数能让它的一阶矩(也就是期望值)最小。这可不是一个简单的“一笔带过”就能解释清楚的事情,需要一些数学的严谨和一点点直觉的引导。

首先,我们得明确几个概念。

什么是随机变量?

简单来说,随机变量就是一个可能取不同数值的变量,它的取值是不确定的,但是我们可以知道它取某个数值的概率。比如,抛硬币正面朝上的次数,或者一个人的身高,这些都可以看作是随机变量。

什么是随机变量的一阶矩?

一阶矩,我们通常称之为期望值(Expectation)。它表示的是一个随机变量所有可能取值的加权平均值,权重就是这些取值出现的概率。数学上,对于一个离散随机变量 X,它的期望值 E[X] 定义为:

$$ E[X] = sum_i x_i P(X = x_i) $$

其中 $x_i$ 是 X 可能取的数值,$P(X = x_i)$ 是 X 取 $x_i$ 的概率。

对于连续随机变量 X,期望值 E[X] 定义为:

$$ E[X] = int_{infty}^{infty} x f(x) dx $$

其中 $f(x)$ 是 X 的概率密度函数(PDF)。

期望值可以理解为这个随机变量“平均”会落在什么位置。

什么是随机变量的中位数?

中位数(Median)是一个稍微不同的概念。它是一个值,使得随机变量小于或等于它的概率是 0.5,并且大于或等于它的概率也是 0.5。换句话说,它把整个概率分布“一分为二”。

对于离散随机变量 X,如果存在一个值 m 使得 $P(X le m) ge 0.5$ 且 $P(X ge m) ge 0.5$,那么 m 就是中位数。

对于连续随机变量 X,如果存在一个值 m 使得:

$$ P(X le m) = int_{infty}^{m} f(x) dx = 0.5 $$

那么 m 就是中位数。

我们想要证明什么?

我们要证明的是,对于一个随机变量 X,它的一阶矩(期望值)相对于以中位数 m 为中心的差值的平方和(或者绝对值和,取决于我们考虑哪种“矩”)是最小的。

更准确地说,我们通常是在证明:

$$ E[|X c|] $$

这个表达式,当 c 取随机变量 X 的中位数时,是最小的。

而我们题目中说的是“中数一阶矩最小”。这里稍微有点绕。我们通常说的“矩”是指 $E[X^k]$。但在这里,“一阶矩最小”更倾向于是在说,以某个点 c 为中心的绝对偏差的期望值,在 c 取中位数时最小。

让我们把目标稍微明确一下:证明 $E[|X c|]$ 在 $c = ext{median}(X)$ 时取得最小值。

为什么选择 $|X c|$?

选择 $|X c|$ 而不是 $(X c)^2$ 是因为我们关注的是“位置”的偏差,而不是“平方位置”的偏差。中位数是一种衡量“位置”的统计量,它对极端值不敏感,而期望值则对极端值很敏感。

开始证明:

我们来考虑函数 $g(c) = E[|X c|]$,我们希望找到使 $g(c)$ 最小的 c。

对于一个连续随机变量 X,其概率密度函数为 $f(x)$。那么:

$$ g(c) = int_{infty}^{infty} |x c| f(x) dx $$

为了找到 $g(c)$ 的最小值,我们可以尝试对 c 求导,然后令导数等于零。

$$ g'(c) = frac{d}{dc} int_{infty}^{infty} |x c| f(x) dx $$

我们可以将导数移入积分内部(假设 $f(x)$ 足够“好”,满足一些正则性条件):

$$ g'(c) = int_{infty}^{infty} frac{d}{dc} |x c| f(x) dx $$

现在,我们需要计算 $frac{d}{dc} |x c|$。
我们知道 $|x c|$ 是一个在 $x = c$ 处不可导的函数。但是,我们可以从左右两侧考虑它随 c 的变化率。

当 $x > c$ 时,$|x c| = x c$,那么 $frac{d}{dc} (x c) = 1$。
当 $x < c$ 时,$|x c| = (x c) = c x$,那么 $frac{d}{dc} (c x) = 1$。

所以,我们可以把积分拆分成两部分:

$$ g'(c) = int_{c}^{infty} (1) f(x) dx + int_{infty}^{c} (1) f(x) dx $$

$$ g'(c) = int_{c}^{infty} f(x) dx + int_{infty}^{c} f(x) dx $$

现在,让我们来分析这个导数 $g'(c)$。
我们知道,$int_{infty}^{c} f(x) dx$ 是累积分布函数(CDF)在 c 点的值,记作 $F(c) = P(X le c)$。
而 $int_{c}^{infty} f(x) dx = 1 int_{infty}^{c} f(x) dx = 1 F(c)$。

所以,导数变为:

$$ g'(c) = (1 F(c)) + F(c) $$

$$ g'(c) = F(c) 1 + F(c) $$

$$ g'(c) = 2F(c) 1 $$

我们想要找到使 $g(c)$ 最小的 c,通常的做法是令导数等于零:

$$ g'(c) = 0 $$

$$ 2F(c) 1 = 0 $$

$$ 2F(c) = 1 $$

$$ F(c) = 0.5 $$

根据中位数的定义,满足 $F(c) = 0.5$ 的 c 就是随机变量 X 的中位数。

证明的解释和直觉:

1. 导数的意义:导数 $g'(c) = 2F(c) 1$ 告诉我们,当我们稍微增加 c 时,$g(c)$ 会如何变化。
如果 $c$ 小于中位数,那么 $F(c) < 0.5$,所以 $g'(c) = 2F(c) 1 < 0$。这意味着,如果我们增加 c(即使 c 还在中位数之前),$g(c)$ 的值会减小。这说明我们应该把 c 往右边(更大的值)调整。
如果 $c$ 大于中位数,那么 $F(c) > 0.5$,所以 $g'(c) = 2F(c) 1 > 0$。这意味着,如果我们增加 c(即使 c 已经在中位数之后),$g(c)$ 的值会增大。这说明我们应该把 c 往左边(更小的值)调整。
只有当 $c$ 等于中位数时,$F(c) = 0.5$,这时 $g'(c) = 0$,达到了一个极值点。

2. 二阶导数(或导数单调性):虽然我们直接求导发现了 $g'(c) = 0$ 的点,但为了确认这是一个最小值而不是最大值,我们需要看二阶导数或者导数的单调性。
$$ g''(c) = frac{d}{dc} (2F(c) 1) = 2 frac{d}{dc} F(c) $$
而 $frac{d}{dc} F(c)$ 就是概率密度函数 $f(c)$。所以:
$$ g''(c) = 2f(c) $$
由于概率密度函数 $f(c)$ 总是非负的($f(c) ge 0$),所以 $g''(c) ge 0$。这表明 $g(c)$ 是一个凸函数。对于凸函数,导数为零的点就是最小值点。

对于离散随机变量的情况:

对于离散随机变量,我们不能直接求导。但我们可以采用类似的方法。
考虑函数 $g(c) = sum_i |x_i c| P(X = x_i)$。
我们观察当 c 变化时,$g(c)$ 的变化。

假设我们将 c 从一个较小的值逐渐增加。
当 c 穿过一个 $x_i$ 时, $|x_i c|$ 的变化方式会改变。

当 c 增加,但还没有达到某个 $x_k$ 时,对于所有 $x_i < c$, $|x_i c| = c x_i$,其对 $g(c)$ 的贡献是 $(cx_i)P(X=x_i)$。
当 c 增加,超过某个 $x_k$ 时,对于 $x_i > c$, $|x_i c| = x_i c$,其对 $g(c)$ 的贡献是 $(x_ic)P(X=x_i)$。

让我们考虑 c 在两个相邻的可能取值 $x_j$ 和 $x_{j+1}$ 之间时,$g(c)$ 的变化。
假设 $c in (x_j, x_{j+1})$。
$$ g(c) = sum_{x_i le x_j} (c x_i) P(X = x_i) + sum_{x_i ge x_{j+1}} (x_i c) P(X = x_i) $$
$$ g(c) = c sum_{x_i le x_j} P(X = x_i) sum_{x_i le x_j} x_i P(X = x_i) + sum_{x_i ge x_{j+1}} x_i P(X = x_i) c sum_{x_i ge x_{j+1}} P(X = x_i) $$
$$ g(c) = c [ P(X le x_j) P(X ge x_{j+1}) ] + ext{constant terms} $$
$$ g(c) = c [ F(x_j) (1 F(x_{j+1}^)) ] + ext{constant terms} $$
(这里 $F(x_{j+1}^)$ 是 $x_{j+1}$ 前面那个可能取值的 CDF 值,如果 $x_{j+1}$ 是第一个值,则 $F(x_{j+1}^)=0$)

关键在于,当我们考虑 c 变化时,导数(或者说斜率)的变化。
$g'(c) = sum_{x_i < c} P(X = x_i) sum_{x_i > c} P(X = x_i) = F(c^) (1 F(c^)) = 2F(c^) 1$
(这里的 $F(c^)$ 是指 $c$ 小于某个值时,小于 $c$ 的所有概率之和)

当 c 移动到中位数时,左边的概率和 $P(X < c)$ 和右边的概率和 $P(X > c)$ 的“差距”最小。
中位数 m 是一个值,使得 $P(X le m) ge 0.5$ 且 $P(X ge m) ge 0.5$。

我们可以这样理解:
想象你站在数轴上,代表随机变量的可能取值。你想要找一个点 c,使得你到所有可能取值的“加权距离”(这里是绝对值)之和最小。
如果你选的点 c 太靠左边,那么许多较大的值会离你很远,绝对差值的和就会很大。
如果你选的点 c 太靠右边,那么许多较小的值会离你很远,绝对差值的和也会很大。
中位数正好是你站在一个“最平衡”的位置。它两侧的概率是相等的(各占 0.5),所以无论你稍微向左还是向右移动,都会让一侧的距离和增加得比另一侧的距离和减少得更多,从而导致总和增加。

与期望值的对比(为什么期望值不是最小的?)

现在我们来思考一下,如果我们想最小化的是 $E[(Xc)^2]$ 呢?
$$ h(c) = E[(Xc)^2] = int_{infty}^{infty} (xc)^2 f(x) dx $$
我们对 c 求导:
$$ h'(c) = int_{infty}^{infty} frac{d}{dc} (xc)^2 f(x) dx = int_{infty}^{infty} 2(xc)(1) f(x) dx $$
$$ h'(c) = 2 int_{infty}^{infty} (xc) f(x) dx = 2 left( int_{infty}^{infty} x f(x) dx c int_{infty}^{infty} f(x) dx ight) $$
$$ h'(c) = 2 (E[X] c cdot 1) = 2(E[X] c) $$
令 $h'(c) = 0$:
$$ 2(E[X] c) = 0 $$
$$ E[X] c = 0 $$
$$ c = E[X] $$
所以,$E[(Xc)^2]$ 在 $c = E[X]$ 时最小。这说明期望值是最小化平方偏差期望的那个点。

总结一下:

最小化 $E[|Xc|]$ 的点是中位数。
最小化 $E[(Xc)^2]$ 的点是期望值。

这两者之所以不同,是因为绝对值函数 $|x|$ 在 0 点的“形状”与平方函数 $x^2$ 在 0 点的“形状”不同。绝对值函数在 0 点是尖锐的,它更“关心”离中心点的数量,而不是数值大小。而平方函数则对较大的数值惩罚得更厉害,所以它会倾向于选择一个更“中间”的值来平衡那些极端值。

所以,当我们说“随机变量的中数一阶矩最小”时,通常是指以中位数作为参考点,其绝对偏差的期望值最小。这个表述可能稍微有点含糊,但背后的数学原理就是证明 $E[|Xc|]$ 的最小值点是中位数。

希望这个详细的解释能够说明白这个问题!

网友意见

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对于密度不存在的情况,只需考虑

注意对非负随机变量

类似链接求导即证(1)


对于(2)

由(1)

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