度量线性相关性之协方差与相关系数

Posted 2020-10-01 guoxiang

一、协方差

可以通俗的理解为：两个变量在变化过程中是同方向变化？还是反方向变化？同向或反向程度如何？（你变大，同时我也变大，说明两个变量是同向变化的）

协方差定义：Cov(X，Y)=E[(X-E(X))(Y-E(Y))]

公式简单翻译一下是：如果有X,Y两个变量，每个时刻的“X值与其均值之差”乘以“Y值与其均值之差”得到一个乘积，再对这每时刻的乘积求和并求出均值（这里求“期望”简单认为就是求均值了）。

如果X、Y变化方向相同，即当X大于其均值时，Y也大于其均值，当X小于其均值时，Y也小于其均值，在这两种情况下，乘积为正。如果X、Y的变化方向一直保持相同，X变大的时候，Y也变大，X变小的时候，Y也变小，则协方差为正；

如果X、Y变化方向一直相反，则协方差为负；

如果X、Y变化方向之间相互无规律，则可能某一时刻(X-E(X))(Y-E(Y))为正，而另一时刻的(X-E(X))(Y-E(Y))为负，累计以后正负项抵消，最后求出的平均值就是协方差，通过协方差的大小，就可以判断两个变量变化同向或者反向的程度了。

总结一下，如果协方差为正，说明X，Y同向变化，协方差越大说明同向程度越高；如果协方差为负，说明X，Y反向运动，协方差越小说明反向程度越高。

 

二、相关系数

公式翻译一下：相关系数就是用X、Y的协方差除以X的标准差和Y的标准差。（标准差是方差的算术平方根）

所以，相关系数也可以看成协方差：一种剔除了两个变量量纲影响、标准化后的特殊协方差。

既然是一种特殊的协方差，那它：

1、也可以反映两个变量变化时是同向还是反向，如果同向变化就为正，反向变化就为负。

2、由于它是标准化后的协方差，因此更重要的特性来了：它消除了两个变量变化幅度的影响，而只是单纯反应两个变量每单位变化时的相似程度。

总结一下，对于两个变量X、Y，当他们的相关系数为1时，说明两个变量变化时的正向相似度最大，即，你变大一倍，我也变大一倍；你变小一倍，我也变小一倍。也即是完全正相关（以X、Y为横纵坐标轴，可以画出一条斜率为正数的直线，所以X、Y是线性关系的）。随着他们相关系数减小，两个变量变化时的相似度也变小，当相关系数为0时，两个变量的变化过程没有任何相似度，也即两个变量无关。当相关系数继续变小，小于0时，两个变量开始出现反向的相似度，随着相关系数继续变小，反向相似度会逐渐变大。当相关系数为－1时，说明两个变量变化的反向相似度最大，即，你变大一倍，我变小一倍；你变小一倍，我变大一倍。也即是完全负相关（以X、Y为横纵坐标轴，可以画出一条斜率为负数的直线，所以X、Y也是线性关系的）。

 

 

相关系数只能用来衡量线性相关程度

 

参考链接：http://www.mathsisfun.com/data/correlation.html

 

一般我们讲的相关系数，其实叫皮尔逊相关系数（Pearson correlation coefficient），wiki关于这个系数的解释是：

The correlation coefficient ranges from −1 to 1. A value of 1 implies that a linear equation describes the relationship between X and Y perfectly, with all data points lying on a line for which Y increases as X increases. A value of −1 implies that all data points lie on a line for which Y decreases as X increases. A value of 0 implies that there is no linear correlation between the variables.

case 1:

 

Four sets of data with the same correlation of 0.816

如图（右上）所示，非线性相关也会导致线性相关系数很大；
好吧，你退一步，转而问：如果两个变量的相关系数很大(0.816)，那能不能说两者相关呢？ 答案还是不能，为什么？ 因为如图（右下）所示，很可能是一个离群点（outlier）导致了相关系数变得很大。
这也不能那也不能，那怎么办？（你一定要画出图来看才行，后面会深入解释）

 

case 2:

 

 

上图的相关系数计算结果为0，但你能说冰激凌的销量和温度不相关吗？
所以， pearson correlation coefficient = 0只能说不是线性相关，但说不定会有更复杂的相关关系（非线性相关）

总结：如果两个变量本身就是线性的关系，那么皮尔逊相关系数ok没问题，绝对值大的就是相关性强，小的就是相关性弱；
但在你不知道这两个变量是什么关系的情况下，即使算出皮尔逊相关系数，发现很大，也不能说明那两个变量线性相关，甚至不能说他们相关，你一定要画出图来看才行，这就是为什么我们说眼见为实和数据可视化的重要性。

参考链接：

http://blog.csdn.net/witforeveryang/article/details/42585791

https://en.wikipedia.org/wiki/Pearson_correlation_coefficient

 

理解：在不存在离群点的情况下，相关系数反应的是两个变量之间的线性相关程度，线性相关程度高低与变量之间有没有其他非线性相关性无关。