累積量(cumulants)
動差回答「X^k 的平均是多少」,但它們描述的是單一分布,在你相加變數時會糾纏成一團。累積量是另一組描述性數字——kappa_1、kappa_2、kappa_3, ...——被設計成擁有一個動差所缺乏的美麗性質:在相加獨立變數時,累積量單純地相加。它們是為「組合」而生的形狀摘要。
具體地說,累積量是累積量母函數冪級數裡的係數:K_X(t) = log E[e^(tX)] = kappa_1 t + kappa_2 t^2/2! + kappa_3 t^3/3! + ...。前幾個是穿著新名字的熟悉量:kappa_1 = E[X] 是均值,kappa_2 = Var(X) 是變異數,kappa_3 = E[(X - mu)^3] 是第三中心動差(除以 sigma^3 後給出偏態),kappa_4 與峰態有關。招牌性質是可加性:若 X 與 Y 獨立,則對每個 n,kappa_n(X + Y) = kappa_n(X) + kappa_n(Y)。所以和的均值是均值之和,和的變異數是變異數之和,而這種乾淨的相加沿著整道階梯一路延續。
累積量最重要之處,在於它讓常態分布的特殊角色變得一目了然。常態正是那個第二階以後累積量全為零的分布,所以 kappa_3、kappa_4、kappa_5, ... 精確地衡量一個分布偏離常態有多遠。當你平均許多獨立變數並重新縮放,平均的較高階累積量會朝零縮小,而頭兩個存活下來——而一個只有頭兩個累積量的分布就是常態。這就是用累積量之眼看中央極限定理為何成立。一貫的提醒成立:若對應的動差發散,超過某階的累積量可能不存在。
把 100 個均值 2、變異數 5 的變數的獨立副本相加。由可加性,這個和有 kappa_1 = 100(2) = 200 與 kappa_2 = 100(5) = 500——均值與變異數就直接乘以 100,瞬間完成,不需任何卷積。(對比:直接去找這個和的完整分布會是場噩夢。)
累積量在獨立加項上相加;常態是第二階以後累積量全為零的那個分布。
只有頭兩個累積量等於對應的中心動差;從第四階起,累積量與中心動差就不同了。而若某階動差發散,該階累積量可能不存在。