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相关系数

皮尔逊相关系数把协方差除以两个标准差: ρX,Y=Cov⁡(X,Y)σXσY, 其中 0<σX,σY<∞。因此它没有单位,且由柯西不等式可知 −1≤ρ≤1。取值接近 1 表示强正线性关联,接近 −1 表示强负线性关联。

界限与等号

令 U=(X−EX)/σX、V=(Y−EY)/σY,则 E[U2]=E[V2]=1,ρ=E[UV]。对平方可得 0≤E[(U∓V)2]=2∓2ρ,于是 |ρ|≤1。若 ρ=1,则 E[(U−V)2]=0,即几乎必然 V=U,两变量存在正斜率的精确线性关系;ρ=−1 类似。

相关为零并不意味着无关系

让 X 在 {−1,0,1} 上等可能,Y=X2。由对称性 EX=EX3=0,故 ρ=0,但 Y 仍由 X 确定。散点图会呈 U 形,线性相关为零却有确定的非线性关系。相关系数也不能单凭数值说明因果。

样本相关系数怎样算

对 n≥2 对观测 (xi,yi),令 x¯,y¯ 为各自样本均值。若两组观测各自都不全相同,样本皮尔逊系数为 r=∑i=1n(xi−x¯)(yi−y¯)∑i=1n(xi−x¯)2∑i=1n(yi−y¯)2. 分子是同向偏离的合计;分母把它按两组数据各自的变动尺度标准化。若某组数全相同,分母为零,r 未定义,不应记成零。这里各项同时除以 n−1 会相互约去,所以公式里不必另写样本协方差。

散点图的四对数据 (1,2),(2,3),(3,5),(4,4) 给出 x¯=2.5,y¯=3.5,Sxx=5,Syy=5,Sxy=4,因此 r=4/5⋅5=0.8。这表示此样本中较强的正线性关联。样本相关系数受离群点影响可能很大,读数前仍应查看散点形状、样本量和数据生成机制。一元线性回归接着用相同四点求出拟合线,说明 r 与决定系数的关系及其适用条件。

参考资料