问题

统计学中「矩」这个概念是怎么引入的?它为什么被称为矩?它与物理意义上的矩有什么相同与不同?

回答
统计学中的“矩”(Moment)这个概念,可以说是统计学工具箱里非常基础且重要的一员。它就像是描述事物特征的一把尺子,只不过这把尺子测量的是数据分布的“形状”和“集中程度”。

矩的引入:从描述数据到理解分布

在还没有现代统计学之前,人们想要描述一组数据,可能就是看看平均值、最大的值、最小的值。但这些孤立的数字,很难全面地反映数据的全貌。特别是当数据量很大,或者需要比较不同数据集时,这种描述方式就显得力不从心了。

想象一下,你要描述一群人的身高。只说平均身高是1.7米,这只能告诉你一个大致的中心位置。但如果告诉你,大多数人的身高都在1.65米到1.75米之间,只有极少数人特别高或特别矮,这和你告诉我的平均身高也是1.7米,但其中一半人身高1.5米,另一半人身高1.9米,给人的感觉完全不同。前者更集中,后者更分散。

统计学家们正是发现了这种局限性。他们需要一种更系统、更量化的方法来捕捉数据分布的更多信息。于是,就有了“矩”的概念。最开始,可能是一些数学家在研究概率分布时,发现可以通过对随机变量的某种特定形式的期望值进行计算,来提取出关于分布形状的有用信息。

为什么被称为“矩”?

“矩”这个词的引入,很大程度上是受到了物理学的启发,尤其是牛顿在力学中的一些经典概念。

在物理学中,“力矩”(Moment of Force)指的是力作用在物体上,导致物体围绕某个固定点(轴)转动的“转动能力”。它的计算方式是力乘以力臂(力作用点到转动轴的垂直距离)。力臂越长,或者力越大,力矩就越大,转动的趋势就越明显。

统计学家借用了“矩”这个词,是因为他们发现对随机变量的期望计算方式,在数学形式上与物理学中的力矩计算有相似之处。

一阶原点矩(期望值): 这是最简单的矩,就是随机变量本身的期望值,也就是我们常说的平均数。$mathbb{E}[X]$。从物理意义上说,它有点像是一堆粒子的质心位置。如果把每个数据点看作是一个质量单位,那么它们的质心就是这组数据的平均值。
二阶原点矩: $mathbb{E}[X^2]$。这个值本身可能没有直接的物理意义,但它与方差(衡量数据分散程度的指标)密切相关。
原点矩: 一般形式是 $mathbb{E}[X^k]$,即随机变量的 $k$ 次方的期望值。

为什么与物理意义上的力矩相似?

这里的“相似”更多体现在数学形式和抽象概念上,而非直接的物理对应。

在物理学中,力矩可以看作是“力”在“距离”(力臂)上的“累积效应”。而统计学中的矩,特别是中心矩(我们稍后会讲),可以看作是数据“离散程度”或“偏离中心”的“累积效应”。

类比一:质心与力臂
想象一个有质量分布的物体。它的质心就是所有质量点的“平均位置”。如果我们要计算这个物体受到的某个外力产生的总力矩,我们会将每个微小质量点的受力乘以它到转动轴的力臂然后累加。
在统计学中,一阶原点矩(平均值)就像是数据分布的质心。而更高阶的原点矩, $mathbb{E}[X^k]$,可以理解为将每个数据点的值(或其某种变换 $X^k$)“加权”或“拉伸”后进行平均。

类比二:方差与转动惯量
我们更常接触到的是“中心矩”,比如方差,它是二阶中心矩 $mathbb{E}[(X mu)^2]$,其中 $mu$ 是平均值。方差衡量的是数据点相对于平均值的离散程度。
在物理学中,与此概念最接近的是转动惯量。转动惯量描述了一个物体抵抗绕轴转动的惯性大小,它与物体的质量以及质量相对于转动轴的分布有关(质量离轴越远,转动惯量越大)。
统计学家发现,方差(二阶中心矩)的计算形式 $mathbb{E}[( ext{数据点} ext{平均值})^2]$,与转动惯量的计算方式(质量 × 距离的平方)有异曲同工之妙。两者都反映了“分布”或“质量”偏离“中心”的程度。数据点越远离平均值,方差越大,就像质量离转动轴越远,转动惯量越大一样。

中心矩与原点矩

刚才我们提到了“中心矩”,这是理解矩概念更关键的一步。

原点矩 (Moment about the origin): $mu_k' = mathbb{E}[X^k]$。这是以原点(数值0)为参考点计算的。
中心矩 (Moment about the mean): $mu_k = mathbb{E}[(X mu)^k]$。这是以数据的平均值(均值,$mu$)为参考点计算的。

为什么引入中心矩?因为很多时候我们关心的是数据相对于其自身中心(平均值)的分布特征,而不是相对于零的绝对位置。

一阶中心矩: $mu_1 = mathbb{E}[X mu] = mathbb{E}[X] mathbb{E}[mu] = mu mu = 0$。一阶中心矩恒为零,这似乎没什么用,但它确立了一个重要的数学基础,即我们是以均值为基准来衡量偏离的。
二阶中心矩: $mu_2 = mathbb{E}[(X mu)^2]$,这就是方差($sigma^2$)。它直接衡量了数据的离散程度。
三阶中心矩: $mu_3 = mathbb{E}[(X mu)^3]$。它与数据的偏度(Skewness)有关。偏度描述了数据分布的对称性。如果 $mu_3 > 0$,说明数据分布的右侧(较大值)拖得更长,呈正偏态;如果 $mu_3 < 0$,说明左侧(较小值)拖得更长,呈负偏态;如果 $mu_3 = 0$(且其他条件满足),则分布是对称的。
四阶中心矩: $mu_4 = mathbb{E}[(X mu)^4]$。它与数据的峰度(Kurtosis)有关。峰度描述了数据分布的“尖峭”或“平坦”程度,以及尾部的厚度。高峰度意味着数据更集中在均值附近,并且有更重的尾部。

相同与不同:统计学矩与物理学力矩

相同之处(类比与启发):

1. 都描述“集中”或“偏离中心”的程度: 物理力矩衡量力作用在离轴距离上的效应,偏离轴越远,效应越大。统计学中心矩(尤其是二阶及以上)衡量数据点相对于均值的偏离程度,离均值越远,其贡献越大。
2. 都与“惯性”或“分布形态”相关: 物理上的转动惯量与物体的质量分布相关,反映其转动惯性。统计学上的矩(尤其是方差、偏度、峰度)则反映了数据分布的形状特征,如分散性、对称性和峰值。
3. 都基于累加或期望: 物理力矩是对单个力的力矩进行累加(积分),统计学矩是对随机变量的某种函数进行期望(加权平均)。

不同之处(本质区别):

1. 物理意义 vs. 数学抽象:
物理力矩: 有非常具体的物理意义,与力的作用、旋转、扭矩直接相关。它是对现实世界物理现象的量化描述。
统计矩: 主要是数学工具,用于描述数据的概率分布特征。虽然它们能解释数据分布的某些特性,但它们本身不是物理量,没有直接的物理运动或力学含义。

2. 作用的对象:
物理力矩: 作用在物体上,产生转动效果。
统计矩: 描述的是随机变量的概率分布的特性。

3. “力”与“数据点”的类比:
在物理学中,力是施加在物体上的“作用”。
在统计学中,将数据点直接类比为“力”是不准确的。更准确的说,数据点的“值”或“其与均值的差的幂”可以类比为在期望计算中被“加权”或“拉伸”的“量”。

4. 应用领域:
物理力矩:工程学、力学、天体动力学等。
统计矩:数据分析、机器学习、信号处理、金融建模、任何涉及概率分布描述的领域。

总结

统计学中的“矩”概念,并非凭空出现,而是从描述数据最基本特征(平均值)开始,不断拓展对数据分布的认识而产生的。它借用了物理学中“力矩”等概念的数学形式和“偏离中心产生效应”的抽象思想,将其应用到对概率分布特征的量化描述上。原点矩描述了数据以原点为中心的特征,而中心矩则更深入地揭示了数据相对于其自身平均值的分布形态——离散程度(方差)、对称性(偏度)和峰值特性(峰度)等。正是因为这些矩能够如此有效地刻画数据分布的“轮廓”,它们才成为统计学中不可或缺的分析工具。

网友意见

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给我一个支点和一根足够长的棍子,我就可以举起整个地球。----阿基米德

对比物理的力矩,你会发现,概率论中的“矩”真的是很有启发性的一个词。

1 力矩

大家应该都知道物理中的力矩,我这里也不展开说细节了,用一幅图来帮助大家回忆一下:

上图中,两边能保持平衡,只要满足下面的式子就可以了(很粗糙的式子,没把力作为向量来考虑):

其中, 都称为力矩。

可以看出上图的 大, 小,但由于杆子长度不同,仍然可以取得平衡。

利用上图的原理,我们就可以制作出秤:

2 概率论中的“矩”

在概率论中,有一杆无处不在的“秤”。因为这把“秤”的存在,所以我们有了“矩”。

2.1 彩票的问题

福利彩票,每一注两元钱,真是中国的良心啊,猪肉、房价都涨了多少了!?

每一注的中奖几率如下(胡诌的):

画成概率分布大概就是这样的:

不过,我想你大致不会认为,这花两元钱买的彩票,真的就价值五百万。

我们用概率来组装一把“秤”:

“秤”摆好了,我们尝试称一下:

称量实际上是:

这么少?不是说好了五百万的吗?

没有办法,中奖概率太低了,离秤的中心太近了(对应于力矩而言,就是力臂太短了)。中国有句古话:“二鸟在林不如一鸟在手”,说的真的有道理啊。

把整张彩票都放上去称(秤上的刻度是随便画的,因为相差太悬殊,没有办法按照真是比例来画):

具体计算如下:

这张彩票原来只值1.5元?血本无归啊!

3 “矩”

学过概率的都知道,我们上面计算的就是期望:

其实这就是“矩”:

因为 是一次幂,所以也称为“一阶矩”。

再比如方差:

其中的距离 也需要称量之后才能使用,所以方差也称为“二阶矩”。

“三阶矩”、“四阶矩”、“高阶矩”,各有用途,但是共同的特点就是称量之后才能使用。

文章最新版本在(有可能会有后续更新):如何理解概率论中的“矩”?

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