京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
浅谈均值、方差、标准差、协方差的概念及意义
一、统计学的基本概念
统计学里最基本的概念就是样本的均值、方差、标准差。首先,我们给定一个含有n个样本的集合,下面给出这些概念的公式描述:
均值:
标准差:
方差:
均值描述的是样本集合的中间点,它告诉我们的信息是有限的,而标准差给我们描述的是样本集合的各个样本点到均值的距离之平均。
以这两个集合为例,[0, 8, 12, 20]和[8, 9, 11, 12],两个集合的均值都是10,但显然两个集合的差别是很大的,计算两者的标准差,前者是8.3后者是1.8,显然后者较为集中,故其标准差小一些,标准差描述的就是这种“散布度”。之所以除以n-1而不是n,是因为这样能使我们以较小的样本集更好地逼近总体的标准差,即统计上所谓的“无偏估计”。而方差则仅仅是标准差的平方。
二、为什么需要协方差
标准差和方差一般是用来描述一维数据的,但现实生活中我们常常会遇到含有多维数据的数据集,最简单的是大家上学时免不了要统计多个学科的考试成绩。面对这样的数据集,我们当然可以按照每一维独立的计算其方差,但是通常我们还想了解更多,比如,一个男孩子的猥琐程度跟他受女孩子的欢迎程度是否存在一些联系。协方差就是这样一种用来度量两个随机变量关系的统计量,我们可以仿照方差的定义:
来度量各个维度偏离其均值的程度,协方差可以这样来定义:
协方差的结果有什么意义呢?如果结果为正值,则说明两者是正相关的(从协方差可以引出“相关系数”的定义),也就是说一个人越猥琐越受女孩欢迎。如果结果为负值, 就说明两者是负相关,越猥琐女孩子越讨厌。如果为0,则两者之间没有关系,猥琐不猥琐和女孩子喜不喜欢之间没有关联,就是统计上说的“相互独立”。
从协方差的定义上我们也可以看出一些显而易见的性质,如:
三、协方差矩阵
前面提到的猥琐和受欢迎的问题是典型的二维问题,而协方差也只能处理二维问题,那维数多了自然就需要计算多个协方差,比如n维的数据集就需要计算
个协方差,那自然而然我们会想到使用矩阵来组织这些数据。给出协方差矩阵的定义:
这个定义还是很容易理解的,我们可以举一个三维的例子,假设数据集有三个维度,则协方差矩阵为:
可见,协方差矩阵是一个对称的矩阵,而且对角线是各个维度的方差。
四、Matlab协方差实战
必须要明确一点,协方差矩阵计算的是不同维度之间的协方差,而不是不同样本之间的。以下的演示将使用Matlab,为了说明计算原理,不直接调用Matlab的cov函数:
首先,随机生成一个10*3维的整数矩阵作为样本集,10为样本的个数,3为样本的维数。
图 1 使用Matlab生成样本集
根据公式,计算协方差需要计算均值,前面特别强调了,协方差矩阵是计算不同维度之间的协方差,要时刻牢记这一点。样本矩阵的每行是一个样本,每列是一个维度,因此我们要按列计算均值。为了描述方便,我们先将三个维度的数据分别赋值:
图 2 将三个维度的数据分别赋值
计算dim1与dim2,dim1与dim3,dim2与dim3的协方差:
图 3 计算三个协方差
协方差矩阵的对角线上的元素就是各个维度的方差,下面我们依次计算这些方差:
图 4 计算对角线上的方差
这样,我们就得到了计算协方差矩阵所需要的所有数据,可以调用Matlab的cov函数直接得到协方差矩阵:
图 5 使用Matlab的cov函数直接计算样本的协方差矩阵
计算的结果,和之前的数据填入矩阵后的结果完全相同。
五、总结
理解协方差矩阵的关键就在于牢记它的计算是不同维度之间的协方差,而不是不同样本之间。拿到一个样本矩阵,最先要明确的就是一行是一个样本还是一个维度,心中明确整个计算过程就会顺流而下,这么一来就不会迷茫了。
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
CDA数据分析师 出品 作者:李诗怡 1. VLOOKUP:按行跨区域找数据(最常用) 作用:在指定的表格或数据区域的第一列里找目标值, ...
2026-10-23数据敏感度不是天赋,也不是“看一眼数字就能发现问题”的直觉。对市场专员来说,它更接近一套可练习的工作习惯:看到投放ROI、 ...
2026-10-23市场营销专员转数据分析,不是从零重来。你已有的渠道投放、活动执行、线索跟进经验,本身就是分析工作的原料——缺的不是业务理 ...
2026-10-23先说结论:市场岗位并非必须考数据分析证书。招聘方更常看的是你能否把渠道效果、活动ROI、线索转化这些业务问题讲清楚,证书只 ...
2026-10-23市场分析师的职场知识提升,最怕两件事:一是把“学工具”当成学习本身,Excel、SQL、Python轮着学一遍,回到工作里还是不知道怎 ...
2026-10-23市场分析师的通用技能可以归为五块:业务与市场理解、调研与竞品分析、用户与渠道数据分析、指标与分析表达、工具操作。它们不是 ...
2026-10-23市场分析师的核心技能,可以先用一个框架回答:懂业务与市场、能取数与处理数据、会指标与分析方法、能把洞察讲清楚。这四块是共 ...
2026-10-23市场策划不是“会写文案、能办活动”这么简单。它本质上是一个用创意和资源撬动业务结果的岗位:先理解市场和人群,再形成方案, ...
2026-10-23社群运营不是“拉群、发通知、维护气氛”这么简单。它真正要对的结果是:用户进得来、留得住、愿意互动、最终产生转化或复购。因 ...
2026-10-23营销人的能力提升计划,最容易做成一张课程清单:报名几门课、读完几本书、考一个证,年底回头看,工作方式却没变。问题不在努力 ...
2026-10-23人力资源专员的职场价值,不由“做了多少事”决定,而由“解决什么问题、留下什么成果”决定。同样做招聘、算考勤、办入离职,有 ...
2026-10-23产品经理的职场价值,不主要由会画原型、会写文档决定,而由能否用业务结果证明自己的判断与推动决定。同一岗位的人价值差距大, ...
2026-10-23运营专员的能力提升,最容易走偏成两件事:一是把市面上所有工具都学一遍,二是把沟通、协作这类通用能力当成唯一答案。更有效的 ...
2026-10-23市场总监的沟通与管理,难点通常不在话术,而在三件事能否同时成立:向上用结论和数据对齐目标,平级用共同指标换取协同,向下用 ...
2026-10-23市场分析师的沟通失分,往往不是“嘴笨”,而是三件事没做好:结论没提炼出来、指标口径没对齐、建议没有落到决策上。所以提升沟 ...
2026-10-23社群运营做久了,很容易陷入一种忙碌:每天在群里发内容、回消息、做活动,热闹的时候很热闹,可一到月底复盘,说不清哪些动作带 ...
2026-10-23品牌运营的技能提升,最容易走偏的一步是先报课、先学工具。更有效的顺序是:先沿“品牌定位与策略—内容与传播—渠道与活动执行 ...
2026-10-23营销人员想赢得客户信任,单靠话术和关系维护越来越不够。客户在签约前会追问:你懂我的业务吗?方案里的数字怎么来的?承诺的效 ...
2026-10-23APP运营专员的能力提升,容易陷入两种误区:一是把“会用工具”当成能力全部,学了一堆Excel函数和SQL语法,回到岗位仍说不清一 ...
2026-10-23社群运营的沟通难点,不在于“会不会说话”,而在于同一件事要对三类人说清楚:对用户要安抚情绪、给出确定答复;对产品、活动、 ...
2026-10-23