数学基础 · 附录 C 概率与统计要点 · C3

联合分布、边缘分布与独立性

Joint and Marginal Distributions; Independence
已完成速查更新于 2026.10.08统计物理讲义 v1.0

正文用到本节的地方:玩具模型中独立单元之和的方差(§2.2);单粒子分布作为边缘分布(§4.5 的 (4.20));独立子系与因子化(§4.5);磁化率与关联函数之和((18.3));结构因子(§22.3);布朗粒子的位移方差 (23.8);高分子末端距的三个分量(§30.1);蒙特卡罗的统计误差(§32.5)。

§C3.1联合分布与边缘分布

两个随机变量的联合分布 P(x,y)P(x,y)(离散)或联合密度 p(x,y)p(x,y)(连续)给出它们同时取某组值的概率。只关心其中一个时,把另一个"求和掉"或"积分掉",得到边缘分布:

P(x)=∑yP(x,y),p(x)=∫p(x,y) dy(C3.1)P(x) = \sum_yP(x,y),\qquad p(x) = \int p(x,y)\,dy \tag{C3.1}

例:§4.5 中 NN 个独立(可区分)粒子的联合分布是 ∏ie−βεji/qN\prod_ie^{-\beta\varepsilon_{j_i}}/q^N(由 (4.18);对 (4.19) 而言,1/N!1/N! 在比值中相消);对 2 号到 NN 号粒子的状态求和,就得到 1 号粒子的分布 (4.20)。又如麦克斯韦分布 (5.10) 对 vyv_y、vzv_z 积分,得到单个分量 vxv_x 的一维高斯分布。

§C3.2条件概率

已知 Y=yY = y 时 XX 的分布称为条件分布:

P(x∣y)=P(x,y)P(y),即P(x,y)=P(x∣y) P(y)(C3.2)P(x\vert y) = \frac{P(x,y)}{P(y)},\qquad\text{即}\qquad P(x,y) = P(x\vert y)\,P(y) \tag{C3.2}

(乘法规则。)交换 xx、yy 的角色再相除,得贝叶斯公式 P(y∣x)=P(x∣y)P(y)/P(x)P(y\vert x) = P(x\vert y)P(y)/P(x)。

统计力学中的条件概率:§4.1 推导正则分布时,"系统 + 热源"的总能量固定(微正则),问"系统处于态 ii"的概率——这是在总能量给定条件下的概率,它正比于热源的微观态数 ΩR(Etot−Ei)\Omega_{\mathrm R}(E_{\mathrm{tot}} - E_i)。马尔可夫过程中的转移概率 P(x,t∣x′,t′)P(x,t\vert x',t') 也是条件概率(附录 C9)。

§C3.3独立性

若联合分布可以分解为边缘分布之积,

P(x,y)=P(x) P(y)(C3.3)P(x,y) = P(x)\,P(y) \tag{C3.3}

则称 XX、YY 独立。等价地,P(x∣y)=P(x)P(x\vert y) = P(x):知道 YY 的值对 XX 毫无帮助。独立变量满足 ⟨f(X)g(Y)⟩=⟨f(X)⟩⟨g(Y)⟩\langle f(X)g(Y)\rangle = \langle f(X)\rangle\langle g(Y)\rangle(对因子化的分布,求和或积分分别进行)。

物理中的独立性来自没有相互作用:若 H=H1+H2\mathcal H = \mathcal H_1 + \mathcal H_2,两部分的变量不同,则 e−βH=e−βH1e−βH2e^{-\beta\mathcal H} = e^{-\beta\mathcal H_1}e^{-\beta\mathcal H_2} 因子化,两部分相互独立,配分函数相乘(§4.5)。经典气体中动能是各速度分量的平方和,所以速度的三个分量相互独立(这正是麦克斯韦 1860 年假设的内容,§27.3)。相互作用使变量关联起来;连续相变(临界点)正是关联长度发散的现象。

§C3.4协方差与相关系数

Cov(X,Y)=⟨(X−⟨X⟩)(Y−⟨Y⟩)⟩=⟨XY⟩−⟨X⟩⟨Y⟩(C3.4)\mathrm{Cov}(X,Y) = \langle(X - \langle X\rangle)(Y - \langle Y\rangle)\rangle = \langle XY\rangle - \langle X\rangle\langle Y\rangle \tag{C3.4}

相关系数 r=Cov(X,Y)/(σXσY)r = \mathrm{Cov}(X,Y)/(\sigma_X\sigma_Y) 满足 −1≤r≤1-1\le r\le1(柯西–施瓦茨不等式,附录 B1;把 X−⟨X⟩X - \langle X\rangle、Y−⟨Y⟩Y - \langle Y\rangle 看成"向量",⟨⋅ ⋅⟩\langle\cdot\,\cdot\rangle 看成内积),∣r∣=1\lvert r\rvert = 1 当且仅当 YY 是 XX 的线性函数。

独立 ⇒ 不相关(协方差为零),反之不成立。 例:XX 在 [−1,1][-1,1] 上均匀分布,Y=X2Y = X^2。Cov=⟨X3⟩−⟨X⟩⟨X2⟩=0\mathrm{Cov} = \langle X^3\rangle - \langle X\rangle\langle X^2\rangle = 0,但 YY 完全由 XX 决定。物理中的例子:自由连接链的一个键 b\mathbf b 的三个分量 bx,by,bzb_x,b_y,b_z 两两不相关(⟨bxby⟩=0\langle b_xb_y\rangle = 0),却不独立(它们满足 bx2+by2+bz2=b2b_x^2 + b_y^2 + b_z^2 = b^2)。§30.1 说末端距 R=∑bi\mathbf R = \sum\mathbf b_i 的三个分量"相互独立",确切的含义是:N≫1N\gg1 时由中心极限定理,R\mathbf R 服从多元高斯分布,其协方差矩阵是对角的;而对高斯分布,不相关就等于独立(附录 C5)。

协方差矩阵 Cij=Cov(Xi,Xj)C_{ij} = \mathrm{Cov}(X_i,X_j) 是对称、半正定的:对任意系数 aia_i,∑ijaiCijaj=Var(∑iaiXi)≥0\sum_{ij}a_iC_{ij}a_j = \mathrm{Var}\left(\sum_ia_iX_i\right)\ge0。

§C3.5和的方差:双重求和的模式

Var(∑i=1NXi)=∑i,jCov(Xi,Xj)=∑iVar(Xi)+∑i≠jCov(Xi,Xj)(C3.5)\mathrm{Var}\left(\sum_{i=1}^NX_i\right) = \sum_{i,j}\mathrm{Cov}(X_i,X_j) = \sum_i\mathrm{Var}(X_i) + \sum_{i\ne j}\mathrm{Cov}(X_i,X_j) \tag{C3.5}

(把 (∑iδXi)2\left(\sum_i\delta X_i\right)^2 写成 ∑i∑jδXiδXj\sum_i\sum_j\delta X_i\delta X_j 再取平均。)

  • 独立(或不相关)时,方差相加:NN 个相同的独立变量之和,σ∝N\sigma\propto\sqrt N,相对涨落 ∝1/N\propto1/\sqrt N——这就是 (2.2)。
  • 有关联时,关联函数之和起作用。伊辛模型中 M=∑isiM = \sum_is_i,平移不变性使 Cov(si,sj)\mathrm{Cov}(s_i,s_j) 只依赖于 i−ji - j,于是 Var(M)=N∑jCov(s0,sj)\mathrm{Var}(M) = N\sum_j\mathrm{Cov}(s_0,s_j),由 (18.2) 得 (18.3):χ=β∑j(⟨s0sj⟩−m2)\chi = \beta\sum_j(\langle s_0s_j\rangle - m^2)。若关联只延伸到有限距离 ξ\xi,和是有限的,Var(M)∝N\mathrm{Var}(M)\propto N 仍然成立;在临界点 ξ→∞\xi\to\infty,和发散,χ\chi 发散。
  • 结构因子(§22.3):⟨nkn−k⟩=∑i,j⟨e−ik⋅(ri−rj)⟩\langle n_{\mathbf k}n_{-\mathbf k}\rangle = \sum_{i,j}\langle e^{-i\mathbf k\cdot(\mathbf r_i - \mathbf r_j)}\rangle,对角项 i=ji = j 贡献 NN,非对角项给出对关联函数的傅里叶变换。
  • 连续时间的版本((23.8))。布朗粒子的位移 Δx=∫0tv(s) ds\Delta x = \int_0^tv(s)\,ds,
⟨Δx2⟩=∫0t ⁣ ⁣∫0t⟨v(s)v(s′)⟩ ds ds′=∫0t ⁣ ⁣∫0tCv(s−s′) ds ds′=2∫0t(t−τ) Cv(τ) dτ\langle\Delta x^2\rangle = \int_0^t\!\!\int_0^t\langle v(s)v(s')\rangle\,ds\,ds' = \int_0^t\!\!\int_0^tC_v(s - s')\,ds\,ds' = 2\int_0^t(t - \tau)\,C_v(\tau)\,d\tau

最后一步:在正方形 [0,t]2[0,t]^2 中,s−s′=τs - s' = \tau 的线段长为 t−∣τ∣t - \lvert\tau\rvert,所以二重积分等于 ∫−tt(t−∣τ∣)Cv(τ) dτ\int_{-t}^t(t - \lvert\tau\rvert)C_v(\tau)\,d\tau,再用 CvC_v 是偶函数。tt 远大于关联时间时,⟨Δx2⟩≈2t∫0∞Cv dτ\langle\Delta x^2\rangle\approx2t\int_0^\infty C_v\,d\tau,与 2Dt2Dt 比较就是格林–久保公式 (23.9)。

  • 相关样本的统计误差(§32.5)。设一串样本 X1,…,XMX_1,\dots,X_M 的方差为 σ2\sigma^2,相关系数 ρk=Cov(Xi,Xi+k)/σ2\rho_k = \mathrm{Cov}(X_i,X_{i+k})/\sigma^2。由 (C3.5),样本平均的方差为
Var(Xˉ)≈σ2M(1+2∑k≥1ρk)\mathrm{Var}(\bar X)\approx\frac{\sigma^2}{M}\left(1 + 2\sum_{k\ge1}\rho_k\right)

若 ρk=e−k/τ\rho_k = e^{-k/\tau} 且 τ≫1\tau\gg1,括号约为 2τ2\tau:MM 个相关样本只相当于 M/(2τ)M/(2\tau) 个独立样本。

§C3.6独立变量之和的分布:卷积

若 XX、YY 独立,Z=X+YZ = X + Y 的概率密度为

pZ(z)=∫pX(x) pY(z−x) dx(C3.6)p_Z(z) = \int p_X(x)\,p_Y(z - x)\,dx \tag{C3.6}

(Z=zZ = z 要求 Y=z−xY = z - x,对所有 xx 求和。)这是卷积,由卷积定理 (A14.8),它的特征函数是两个特征函数之积:ϕZ(k)=ϕX(k)ϕY(k)\phi_Z(k) = \phi_X(k)\phi_Y(k)——与 §C2.4 中"累积量生成函数相加"是同一件事。例:两个独立高斯变量之和仍是高斯变量,均值相加、方差相加;两个 [0,1][0,1] 上的均匀变量之和服从 [0,2][0,2] 上的三角形分布。

统计力学中的同一结构:两个相互接触、交换能量的系统,总能量为 EE 的微观态数是 Ω(E)=∫Ω1(E1)Ω2(E−E1) dE1\Omega(E) = \int\Omega_1(E_1)\Omega_2(E - E_1)\,dE_1(§3.2)——也是一个卷积。

自测题

  1. 掷两枚骰子,X1X_1 为第一枚的点数,S=X1+X2S = X_1 + X_2。求 Cov(X1,S)\mathrm{Cov}(X_1,S) 与相关系数。[答:Cov(X1,S)=Var(X1)=35/12\mathrm{Cov}(X_1,S) = \mathrm{Var}(X_1) = 35/12;r=1/2r = 1/\sqrt2。]
  2. 对 XX 在 [−1,1][-1,1] 上均匀分布、Y=X2Y = X^2,验证 P(Y>1/4 ∣ ∣X∣>1/2)=1≠P(Y>1/4)=1/2P(Y>1/4\,\vert\,\lvert X\rvert>1/2) = 1\ne P(Y>1/4) = 1/2,从而 XX、YY 不独立。
  3. 一串平稳的随机变量满足 Cov(Xi,Xi+k)=σ2r∣k∣\mathrm{Cov}(X_i,X_{i+k}) = \sigma^2r^{\lvert k\rvert}(0<r<10<r<1)。证明 N→∞N\to\infty 时 Var(∑i=1NXi)≈Nσ21+r1−r\mathrm{Var}\left(\sum_{i=1}^NX_i\right)\approx N\sigma^2\frac{1+r}{1-r}。
  4. 两个独立的指数分布变量(速率均为 λ\lambda)之和的概率密度是什么?[答:λ2te−λt\lambda^2te^{-\lambda t}(t≥0t\ge0)。]
  5. 用 (C3.5) 证明:NN 个相互独立、方差为 σ2\sigma^2 的变量的平均值 Xˉ\bar X 的方差为 σ2/N\sigma^2/N。