求和符号双变量∑x,y xy公式的理解

求和符号双变量∑x,y xy公式的理解

公式 ∑x,yxy\sum_{x, y} xy∑x,y​xy 的含义取决于 xxx 和 yyy 的具体取值范围以及它们之间的关系。一般来说,这种形式可以理解为对 xxx 和 yyy 的所有组合依次求和,每个组合的贡献是 xyxyxy 的乘积。

1. 一般意义上的解释

∑x,yxy

\sum_{x, y} xy

x,y∑​xy

表示:

双重求和:

外层对 xxx 求和;内层对 yyy 求和。

逐一列出所有 (x,y)(x, y)(x,y) 组合:

计算每一对 (x,y)(x, y)(x,y) 组合的乘积 xyxyxy;将所有乘积结果加总。

2. 举例说明

例子 1:离散值范围

假设 x∈{1,2},y∈{3,4}x \in \{1, 2\}, y \in \{3, 4\}x∈{1,2},y∈{3,4}。则:

∑x,yxy=∑x∈{1,2}∑y∈{3,4}xy

\sum_{x, y} xy = \sum_{x \in \{1, 2\}} \sum_{y \in \{3, 4\}} xy

x,y∑​xy=x∈{1,2}∑​y∈{3,4}∑​xy

列出所有可能的 (x,y)(x, y)(x,y) 组合:

x=1,y=3→xy=1⋅3=3x = 1, y = 3 \rightarrow xy = 1 \cdot 3 = 3x=1,y=3→xy=1⋅3=3x=1,y=4→xy=1⋅4=4x = 1, y = 4 \rightarrow xy = 1 \cdot 4 = 4x=1,y=4→xy=1⋅4=4x=2,y=3→xy=2⋅3=6x = 2, y = 3 \rightarrow xy = 2 \cdot 3 = 6x=2,y=3→xy=2⋅3=6x=2,y=4→xy=2⋅4=8x = 2, y = 4 \rightarrow xy = 2 \cdot 4 = 8x=2,y=4→xy=2⋅4=8

将这些乘积加总:

∑x,yxy=3+4+6+8=21

\sum_{x, y} xy = 3 + 4 + 6 + 8 = 21

x,y∑​xy=3+4+6+8=21

例子 2:连续值范围

如果 x,yx, yx,y 是连续变量,且取值范围为 x∈[1,2],y∈[3,4]x \in [1, 2], y \in [3, 4]x∈[1,2],y∈[3,4],则求和需要用积分表示:

∑x,yxy→∫12∫34xy dy dx

\sum_{x, y} xy \rightarrow \int_1^2 \int_3^4 xy \, dy \, dx

x,y∑​xy→∫12​∫34​xydydx

逐步计算:

对 yyy 积分:

∫34xy dy=x∫34y dy=x[y22]34=x(422−322)=x⋅16−92=x⋅72

\int_3^4 xy \, dy = x \int_3^4 y \, dy = x \left[ \frac{y^2}{2} \right]_3^4 = x \left( \frac{4^2}{2} - \frac{3^2}{2} \right) = x \cdot \frac{16 - 9}{2} = x \cdot \frac{7}{2}

∫34​xydy=x∫34​ydy=x[2y2​]34​=x(242​−232​)=x⋅216−9​=x⋅27​

对 xxx 积分:

∫12x⋅72 dx=72∫12x dx=72[x22]12=72⋅4−12=72⋅32=214

\int_1^2 x \cdot \frac{7}{2} \, dx = \frac{7}{2} \int_1^2 x \, dx = \frac{7}{2} \left[ \frac{x^2}{2} \right]_1^2 = \frac{7}{2} \cdot \frac{4 - 1}{2} = \frac{7}{2} \cdot \frac{3}{2} = \frac{21}{4}

∫12​x⋅27​dx=27​∫12​xdx=27​[2x2​]12​=27​⋅24−1​=27​⋅23​=421​

因此:

∑x,yxy≈214

\sum_{x, y} xy \approx \frac{21}{4}

x,y∑​xy≈421​

3. 抽象层面的意义

∑x,yxy\sum_{x, y} xy∑x,y​xy 的实际含义和结果依赖于:

取值范围:

xxx 和 yyy 是离散变量还是连续变量?它们的取值范围是什么?

求和或积分的权重:

是否有权重?例如,如果 x,yx, yx,y 具有分布 P(x,y)P(x, y)P(x,y),那么:

∑x,yxy→∑x,yxyP(x,y)

\sum_{x, y} xy \rightarrow \sum_{x, y} xy P(x, y)

x,y∑​xy→x,y∑​xyP(x,y)这种情况表示 xyxyxy 的加权平均。

变量之间的独立性:

如果 x,yx, yx,y 独立,可以分解为:

∑x,yxy=(∑xx)(∑yy)

\sum_{x, y} xy = \left( \sum_x x \right) \left( \sum_y y \right)

x,y∑​xy=(x∑​x)(y∑​y)如果 x,yx, yx,y 有依赖关系,则需要依赖联合分布 P(x,y)P(x, y)P(x,y)。

4. 典型场景的含义

1. 矩阵运算

在矩阵表示中,∑x,yxy\sum_{x, y} xy∑x,y​xy 通常可以被解释为两个向量或矩阵的点积。例如:

xxx 是行向量,yyy 是列向量,则 ∑x,yxy\sum_{x, y} xy∑x,y​xy 是这两个向量点积的结果。

2. 期望计算

在概率论中,∑x,yxyP(x,y)\sum_{x, y} xy P(x, y)∑x,y​xyP(x,y) 表示随机变量 X,YX, YX,Y 的联合期望:

E[XY]=∑x,yxyP(x,y)

\mathbb{E}[XY] = \sum_{x, y} xy P(x, y)

E[XY]=x,y∑​xyP(x,y)

3. 连续分布的积分

在连续分布下,∑x,yxy\sum_{x, y} xy∑x,y​xy 对应积分:

∫x∫yxy P(x,y) dx dy

\int_x \int_y xy \, P(x, y) \, dx \, dy

∫x​∫y​xyP(x,y)dxdy

5. 总结

∑x,yxy\sum_{x, y} xy∑x,y​xy 表示对所有 x,yx, yx,y 组合的逐一求和,结果是这些组合的乘积的总和。理解这个公式的关键是搞清楚 x,yx, yx,y 的取值范围(离散或连续)、它们的分布性质(独立或相关)以及是否有权重。通过例子(离散、连续)可以直观理解其求和或积分过程,以及与实际应用的联系。

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