К содержимому

Ковариация: совместные отклонения

Как в учебнике

Для совместно заданных случайных величин $X,Y$ с конечными вторыми моментами ковариация определяется как $\operatorname{Cov}(X,Y)=\mathbb E[(X-\mathbb E[X])(Y-\mathbb E[Y])]$. Равносильная формула: $\operatorname{Cov}(X,Y)=\mathbb E[XY]-\mathbb E[X]\mathbb E[Y]$.

Однонаправленные отклонения дают положительный продукт, разнонаправленные — отрицательный. Усреднение показывает, какие вклады перевешивают. Ковариация зависит от масштаба и измеряется в произведении единиц двух величин; её размер нельзя сравнивать без учёта этих единиц.

Если $Y=2X$ и $X$ равновероятно принимает 2, 4, 6, то $\operatorname{Cov}(X,Y)=2\operatorname{Var}(X)=16/3$. При независимости ковариация равна нулю, но нулевая ковариация не гарантирует независимость.

Контрпример: $U$ равновероятно принимает $-1,0,1$, а $V=U^2$. Тогда $\mathbb E[U]=\mathbb E[UV]=0$, поэтому ковариация нулевая. Но $U=0$ гарантирует $V=0$, хотя $P(V=0)=1/3$. Зависимость есть, просто положительные и отрицательные вклады сократились.

Раскрытие скобок в произведении отклонений даёт $XY-X\mathbb E[Y]-Y\mathbb E[X]+\mathbb E[X]\mathbb E[Y]$. Линейность ожидания и постоянство средних сводят четыре слагаемых к приведённой краткой формуле. Прибавление постоянной к одной величине не меняет её отклонений и ковариацию. Умножение одной величины на число $a$ умножает ковариацию на $a$, поэтому отрицательное масштабирование меняет знак.

Определения и обозначения: Mathematics for Machine Learning.

Связанные понятия: Дисперсия: средний квадрат отклонения, Статистическая независимость.

На пальцах

Ковариация сравнивает парные показатели с их собственными средними. Отклонения в одну сторону дают положительное произведение, а в противоположные — отрицательное. Итог собирает этот баланс с вероятностными весами, но ноль может означать взаимозачёт положительных и отрицательных вкладов, а не отсутствие связи. Такая бухгалтерия не объясняет причин движения и не замечает всякую возможную зависимость: внутри нулевого баланса иногда кипит жизнь.

Пример

Учебный контрпример $V=U^2$ покажет, как нулевая ковариация сосуществует с полной функциональной зависимостью.

Ковариация: совместные отклонения

Связанные значения

Каждая из трёх пар имеет вероятность 1/3.

Шаг 1 из 4: Связанные значения

Все шаги текстом
  1. Связанные значения

    Каждая из трёх пар имеет вероятность 1/3.

    U
    −101
    V
    101
  2. Центрирование

    Средние равны 0 и 2/3. Они вычитаются из соответствующих строк.

    Отклонения U
    −101
    Отклонения V
    1/3текущий−2/3текущий1/3текущий
  3. Произведения отклонений

    Крайние произведения противоположны, средний нулевой.

    Произведения
    −1/3исключён01/3включён
  4. Проверка зависимости

    Известное U = 0 оставляет только V = 0, его вероятность становится 1.

    Оставшаяся пара
    U = 0включёнV = 0включён
    Без условия; при условии
    1/31текущий

На крайних исходах отклонение $V$ одинаково и равно $1/3$, а отклонения $U$ противоположны: −1 и 1. Их произведения поэтому сокращаются. Средняя пара добавляет ноль из-за $U=0$, хотя отклонение $V$ там равно $-2/3$. Деление на три оправдано равными вероятностями пар; при других весах потребовалось бы взвешивание, и прежнее сокращение уже нельзя было бы предполагать.

Ковариация измеряет баланс совместных отклонений. Чтобы утверждать независимость, нужна более сильная проверка.

Авторский текст этой бесплатной статьи опубликован по лицензии CC BY-NC-ND 4.0.

Предыдущая / следующая

Предыдущая
Выборочная дисперсия и поправка на оценённое среднее
Следующая
Классификация с учителем
  • Натуральные числа: счёт отдельных объектов

    Какие значения подходят для счёта и почему включение нуля нужно оговаривать.

    Читать статью
    Математика
  • Целые числа: счёт по обе стороны нуля

    Положительные и отрицательные целые, ноль и граница целочисленного деления.

    Читать статью
    Математика
  • Рациональные числа: отношение целых

    Число как отношение целых: равные дроби и обязательный ненулевой знаменатель.

    Читать статью
    Математика