Корреляция случайных величин

Определение

Определение:

Корреляция случайных величин: пусть [math]\eta,\xi[/math] — две случайные величины, определённые на одном и том же вероятностном пространстве. Тогда их корреляция определяется следующим образом: [math]Corr(\eta,\xi)={Cov(\eta,\xi) \over \sigma_{\eta} \times \sigma_{\xi}}[/math], где [math]\sigma_{\eta}=\sqrt{D(\eta)}[/math] называется среднеквадратичным отклонением и равно квадратному корню из дисперсии, а [math]Cov(\eta,\xi)[/math] - ковариацией случайных величин

Вычисление

Заметим, что [math]\sigma_{\xi} = \sqrt{D(\xi)} = E\big((\xi-E(\xi))^2\big)[/math]

[math]Corr(\eta,\xi)={Cov(\eta,\xi) \over \sigma_{\eta} \times \sigma_{\xi}} = {E\big((\eta-E\eta)(\xi-E\xi)\big) \over {\sqrt{D(\eta)} \times \sqrt{D(\xi)}}} ={E(\xi \times \eta) - E(\xi) \times E(\eta) \over {\sigma_{\eta} \times \sigma_{\xi}}}[/math]

Свойства корреляции

Утверждение:

Корреляция симметрична: [math]Corr(\eta,\xi) = Corr(\xi,\eta)[/math].

[math]\triangleright[/math]

[math]Corr(\eta,\xi) = { E(\eta \times \xi) - E(\eta) \times E(\xi) \over \sqrt{D(\eta)} \times \sqrt{D(\xi)} } = { E(\xi \times \eta) - E(\xi) \times E(\eta) \over \sqrt{D(\xi)} \times \sqrt{D(\eta)} } = Corr(\xi,\eta)[/math]

[math]\triangleleft[/math]

Утверждение:

Корреляция случайной величины с собой равна 1:

[math]\triangleright[/math]

[math]Corr(\eta,\eta) = { E(\eta \times \eta) - E(\eta) \times E(\eta) \over \sqrt{D(\eta)} \times \sqrt{D(\eta)} } = {D(\eta) \over D(\eta)} = 1[/math]

[math]\triangleleft[/math]

Утверждение:

Если [math]\eta,\xi[/math] независимые случайные величины, то [math]Corr(\eta,\xi) = 0[/math].

[math]\triangleright[/math]

Пусть [math]\eta[/math] и [math]\xi[/math] - независимые величины. Тогда [math]E(\eta \times \xi)=E(\eta) \times E(\xi)[/math], где [math]E[/math] - их математическое ожидание. Получаем: [math]{E(\xi) \times E(\eta) - E(\xi) \times E(\eta) \over {E\big((\eta-E(\eta))^2\big) \times E\big((\xi-E(\xi))^2\big)}} = 0[/math] Но обратное неверно: Пусть [math]\eta[/math] - случайная величина, распределенная симметрично около 0, а [math]\xi=\eta^2[/math]. [math]Corr(\eta,\xi)=0[/math], но [math]\eta[/math] и [math]\xi[/math] - зависимые величины.

[math]\triangleleft[/math]

Утверждение:

Корреляция лежит не на всей вещественной оси [math]-1 \leqslant Corr(\eta,\xi) \leqslant 1[/math].

[math]\triangleright[/math]

Для доказательства используем свойство ковариации: [math]|Cov(\eta,\xi)| \leqslant \sqrt{D(\xi)} \cdot \sqrt{D(\eta)}[/math]. Тогда при раскрытии модуля получаем: [math]-\sqrt{D(\xi)} \cdot \sqrt{D(\eta)} \leqslant Cov(\eta,\xi) \leqslant \sqrt{D(\xi)} \cdot \sqrt{D(\eta)}[/math]. Поделим левую и правую части на [math]\sqrt{D(\xi)} \cdot \sqrt{D(\eta)}[/math] и получим: [math]-1 \leqslant {Cov(\eta,\xi) \over \sqrt{D(\xi)} \cdot \sqrt{D(\eta)}} \leqslant 1[/math], т.е. [math]-1 \leqslant Corr(\eta,\xi) \leqslant 1[/math], ч.т.д.

[math]\triangleleft[/math]

Примеры

В общем смысле корреляция - это зависимость между случайными величинами, когда изменение одной влечет изменение распределения другой.

Определение корреляции по диаграмме

3 диаграммы рассеивания двух случайных величин X и Y

1. Соответственно, на первом графике изображена положительная корреляция, когда увеличение Y ведет к постепенному увеличению X.

2. Второй график отображает отрицательную корреляцию, когда увеличение X воздействует на постепенное уменьшение Y.

3. Третий график показывает, что X и Y связаны слабо, их распределение не зависит от изменения друг друга, поэтому корреляция между ними будет равна 0.

Определение корреляции по таблице

Рассмотрим 2 случайные величины: курс акций нефтедобывающей компании (X) и цены на нефть (Y).

X	2003,6	2013,2	2007,6	2007,4	2039,9	2025	2007	2017	2015,6	2011
Y	108,4	107,96	108,88	110,44	110,2	108,97	109,15	108,8	111,2	110,23

Для упрощения вычислений определим X и Y как равновероятные случайные величины. Тогда их математическое ожидание и дисперсию легко посчитать:

[math]E(X) = 2014,73[/math]

[math]E(Y) = 109,42[/math]

[math]D(X) = 104,9361[/math]

[math]D(Y) = 0,959661[/math]

Используя формулу, [math]Corr(\eta,\xi)={E(\xi \times \eta) - E(\xi) \times E(\eta) \over {\sigma_{\eta} \times \sigma_{\xi}}}[/math] определяем, что корреляция между величинами X и Y составляет 0,240935496, т.е. 24%.

Ссылки

• Википедия — Корреляция
• Wikipedia — Correlation and dependence
• INTUIT.ru — Курс: Прикладная статистика