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协方差与相关系数

协方差衡量两个随机变量协同变化的方向和程度;相关系数是标准化后的协方差,取值在 [−1,1][-1, 1] 之间,刻画线性相关性。

协方差​

定义​

Cov⁡(X,Y)=E[(X−EX)(Y−EY)]\operatorname{Cov}(X, Y) = E[(X - EX)(Y - EY)]

计算公式​

Cov⁡(X,Y)=E(XY)−E(X)E(Y)\operatorname{Cov}(X, Y) = E(XY) - E(X)E(Y)

性质​

性质公式
对称性Cov⁡(X,Y)=Cov⁡(Y,X)\operatorname{Cov}(X, Y) = \operatorname{Cov}(Y, X)
自身Cov⁡(X,X)=Var⁡(X)\operatorname{Cov}(X, X) = \operatorname{Var}(X)
线性Cov⁡(aX+b,cY+d)=ac⋅Cov⁡(X,Y)\operatorname{Cov}(aX + b, cY + d) = ac \cdot \operatorname{Cov}(X, Y)
分配律Cov⁡(X+Y,Z)=Cov⁡(X,Z)+Cov⁡(Y,Z)\operatorname{Cov}(X+Y, Z) = \operatorname{Cov}(X, Z) + \operatorname{Cov}(Y, Z)
独立性X⊥ ⁣ ⁣ ⁣⊥Y⇒Cov⁡(X,Y)=0X \perp\!\!\!\perp Y \Rightarrow \operatorname{Cov}(X, Y) = 0(反之不真!)

注意:Cov⁡(X,Y)=0\operatorname{Cov}(X, Y) = 0 仅意味着不(线性)相关,但 XX 与 YY 可能仍有非线性依赖关系。

方差的和​

Var⁡(X+Y)=Var⁡(X)+Var⁡(Y)+2Cov⁡(X,Y)\operatorname{Var}(X + Y) = \operatorname{Var}(X) + \operatorname{Var}(Y) + 2\operatorname{Cov}(X, Y)

推广到 nn 个变量:

Var⁡ ⁣(∑i=1nXi)=∑i=1nVar⁡(Xi)+2∑i<jCov⁡(Xi,Xj)\operatorname{Var}\!\left(\sum_{i=1}^{n} X_i\right) = \sum_{i=1}^{n} \operatorname{Var}(X_i) + 2\sum_{i<j} \operatorname{Cov}(X_i, X_j)

当各变量两两不相关时,方差具有可加性。

相关系数​

定义​

ρXY=Cov⁡(X,Y)Var⁡(X)⋅Var⁡(Y)\rho_{XY} = \frac{\operatorname{Cov}(X, Y)}{\sqrt{\operatorname{Var}(X) \cdot \operatorname{Var}(Y)}}

基本性质​

性质说明
$\rho
ρ=0\rho = 0XX 与 YY 不相关
ρ=±1\rho = \pm 1Y=aX+bY = aX + b(几乎处处),即完全线性相关
ρ>0\rho > 0正相关(XX 大时 YY 也倾向于大)
ρ<0\rho < 0负相关(XX 大时 YY 倾向于小)

独立 ⇒\Rightarrow 不相关,反之不真​

反例:X∼N(0,1)X \sim N(0, 1),Y=X2Y = X^2。则 Cov⁡(X,Y)=E(X3)−E(X)E(X2)=0\operatorname{Cov}(X, Y) = E(X^3) - E(X)E(X^2) = 0,故 ρ=0\rho = 0。但显然 XX 与 YY 完全不独立——YY 完全由 XX 决定。

协方差矩阵​

对随机向量 X=(X1,…,Xn)⊤\mathbf{X} = (X_1, \ldots, X_n)^\top,协方差矩阵 Σ\Sigma 的元素为:

Σij=Cov⁡(Xi,Xj)\Sigma_{ij} = \operatorname{Cov}(X_i, X_j)

性质:

  1. Σ\Sigma 是对称矩阵
  2. Σ\Sigma 是半正定矩阵
  3. 对角线元素 Σii=Var⁡(Xi)\Sigma_{ii} = \operatorname{Var}(X_i)
  4. 独立 ⇒\Rightarrow Σ\Sigma 为对角阵
  5. 多元正态分布完全由均值向量 μ\boldsymbol{\mu} 和协方差矩阵 Σ\Sigma 确定

重要结论​

  • 协方差为 00 ⇏\nRightarrow 独立(除非在多元正态中)
  • 相关系数只衡量线性相关程度
  • 若 Y=g(X)Y = g(X) 是确定性函数,协方差可能为零(如 gg 为偶函数、XX 对称分布)