Корреляция что это как найти

Термин «корреляция» активно используется в гуманитарных науках, медицине; часто мелькает в СМИ. Ключевую роль корреляции играют в психологии. В частности, расчет корреляций выступает важным этапом реализации эмпирического исследования при написании ВКР по психологии.

Материалы по корреляциям в сети слишком научны. Неспециалисту трудно разобраться в формулах. В то же время понимание смысла корреляций необходимо маркетологу, социологу, медику, психологу – всем, кто проводит исследования на людях.

В этой статье мы простым языком объясним суть корреляционной связи, виды корреляций, способы расчета, особенности использования корреляции в психологических исследованиях, а также при написании дипломных работ по психологии.

Содержание

Что такое корреляция
Численное выражение корреляционной связи

• Прямая и обратная корреляция
• Сильная и слабая корреляция

Корреляционный анализ в психологии
Коэффициенты корреляции Пирсона и Спирмена
Как рассчитать коэффициент корреляции

• Расчет корреляций с помощью электронных таблиц Microsoft Excel
• Как вычислить значение корреляции с помощью статистической программы STATISTICA

Использование корреляционного анализа в дипломных работах по психологии 

Что такое корреляция

Корреляция – это связь. Но не любая. В чем же ее особенность? Рассмотрим на примере.

Представьте, что вы едете на автомобиле. Вы нажимаете педаль газа – машина едет быстрее. Вы сбавляете газ – авто замедляет ход. Даже не знакомый с устройством автомобиля человек скажет: «Между педалью газа и скоростью машины есть прямая связь: чем сильнее нажата педаль, тем скорость выше».

Это зависимость функциональная – скорость выступает прямой функцией педали газа. Специалист объяснит, что педаль управляет подачей топлива в цилиндры, где происходит сжигание смеси, что ведет к повышению мощности на вал и т.д. Это связь жесткая, детерминированная, не допускающая исключений (при условии, что машина исправна).

Теперь представьте, что вы директор фирмы, сотрудники которой продают товары. Вы решаете повысить продажи за счет повышения окладов работников. Вы повышаете зарплату на 10%, и продажи в среднем по фирме растут. Через время повышаете еще на 10%, и опять рост. Затем еще на 5%, и опять есть эффект. Напрашивается вывод – между продажами фирмы и окладом сотрудников есть прямая зависимость – чем выше оклады, тем выше продажи организации. Такая же это связь, как между педалью газа и скоростью авто? В чем ключевое отличие?

Правильно,  между окладом и продажами заисимость не жесткая. Это значит, что у кого-то из сотрудников продажи могли даже снизиться, невзирая на рост оклада. У кого-то остаться неизменными. Но в среднем по фирме продажи выросли, и мы говорим – связь продаж и оклада сотрудников есть, и она корреляционная.

В основе функциональной связи (педаль газа – скорость) лежит физический закон. В основе корреляционной связи (продажи – оклад) находится простая согласованность изменения двух показателей. Никакого закона (в физическом понимании этого слова) за корреляцией нет. Есть лишь вероятностная (стохастическая) закономерность.

Численное выражение корреляционной зависимости

Итак, корреляционная связь отражает зависимость между явлениями. Если эти явления можно измерить, то она получает численное выражение.

Например, изучается роль чтения в жизни людей. Исследователи взяли группу из 40 человек и измерили у каждого испытуемого два показателя: 1) сколько времени он читает в неделю; 2) в какой мере он считает себя благополучным (по шкале от 1 до 10). Ученые занесли эти данные в два столбика и с помощью статистической программы рассчитали корреляцию между чтением и благополучием. Предположим, они получили следующий результат -0,76. Но что значит это число? Как его проинтерпретировать? Давайте разбираться.

Полученное число называется коэффициентом корреляции. Для его правильной интерпретации важно учитывать следующее:

1. Знак «+» или «-»  отражает направление зависимости.
2. Величина коэффициента отражает силу зависимости.

Прямая и обратная

Знак плюс перед коэффициентом указывает на то, что связь между явлениями или показателями прямая. То есть, чем больше один показатель, тем больше и другой. Выше оклад — выше продажи. Такая корреляция называется прямой, или положительной.

Если коэффициент имеет знак минус, значит, корреляция обратная, или отрицательная. В этом случае чем выше один показатель, тем ниже другой. В примере с чтением и благополучием мы получили -0,76, и это значит, что, чем больше люди читают, тем ниже уровень их благополучия.

Сильная и слабая

Корреляционная связь в численном выражении – это число в диапазоне от -1 до +1. Обозначается буквой «r». Чем выше число (без учета знака), тем корреляционная связь сильнее.

Чем ниже численное значение коэффициента, тем взаимосвязь между явлениями и показателями меньше.

Максимально возможная сила зависимости  – это 1 или -1. Как это понять и представить?

Рассмотрим пример. Взяли 10 студентов и измерили у них уровень интеллекта (IQ) и успеваемость за семестр. Расположили эти данные в виде двух столбцов.

Испытуемый	IQ	Успеваемость (баллы)
1	90	4,0
2	91	4,1
3	92	4,2
4	93	4,3
5	94	4,4
6	95	4,5
7	96	4,6
8	97	4,7
9	98	4,8
10	99	4,9

Посмотрите внимательно на данные в таблице. От 1 до 10 испытуемого растет уровень IQ. Но также растет и уровень успеваемости. Из любых двух студентов успеваемость будет выше у того, у кого выше IQ. И никаких исключений из этого правила не будет.

Перед нами пример полного, 100%-но согласованного изменения двух показателей в группе. И это пример максимально возможной положительной взаимосвязи. То есть, корреляционная зависимость  между интеллектом и успеваемостью равна 1.

Рассмотрим другой пример. У этих же 10-ти студентов с помощью опроса оценили, в какой мере они ощущают себя успешными в общении с противоположным полом (по шкале от 1 до 10).

Испытуемый	IQ	Успех в общении с противоположным полом (баллы)
1	90	10
2	91	9
3	92	8
4	93	7
5	94	6
6	95	5
7	96	4
8	97	3
9	98	2
10	99	1

Смотрим внимательно на данные в таблице. От 1 до 10 испытуемого растет уровень IQ. При этом в последнем столбце последовательно снижается уровень успешности общения с противоположным полом. Из любых двух студентов успех общения с противоположным полом будет выше у того, у кого IQ ниже. И никаких исключений из этого правила не будет.

Это пример полной согласованности изменения двух показателей в группе — максимально возможная отрицательная взаимосвязь. Корреляционная связь между IQ и успешностью общения с противоположным полом равна -1.

А как понять смысл корреляции равной нулю (0)? Это значит, связи между показателями нет. Еще раз вернемся к нашим студентам и рассмотрим еще один измеренный у них показатель – длину прыжка с места.

Испытуемый	IQ	Длина прыжка с места (м)
1	90	2,5
2	91	1,2
3	92	2,0
4	93	1,7
5	94	1,9
6	95	1,3
7	96	1,7
8	97	2,3
9	98	1,1
10	99	2,6

Не наблюдается никакой согласованности между изменением IQ от человека к человеку и длинной прыжка. Это и свидетельствует об отсутствии корреляции. Коэффициент корреляции IQ и длины прыжка с места у студентов равен 0.

Мы рассмотрели крайние случаи. В реальных измерениях коэффициенты редко бывают равны точно 1 или 0. При этом принята следующая шкала:

• если коэффициент больше 0,70 – связь между показателями сильная;
• от 0,30 до 0,70 – связь умеренная,
• меньше 0,30 – связь слабая.

Если оценить по этой шкале полученную нами выше корреляцию между чтением и благополучием, то окажется, что эта зависимость  сильная и отрицательная -0,76. То есть, наблюдается сильная отрицательная связь между начитанностью и благополучием. Что еще раз подтверждает библейскую мудрость о соотношении  мудрости и печали.

Приведенная градация дает очень приблизительные оценки и в таком виде редко используются в исследованиях.

Чаще используются градации коэффициентов по уровням значимости. В этом случае реально полученный коэффициент может быть значимым или не значимым. Определить это можно, сравнив его значение с критическим значением коэффициента корреляции, взятым из специальной таблицы. Причем эти критические значения зависят от численности выборки (чем больше объем, тем ниже критическое значение).

Корреляционный анализ в психологии

Корреляционный метод выступает одним из основных в психологических исследованиях. И это не случайно, ведь психология стремится быть точной наукой. Получается ли?

В чем особенность законов в точных науках. Например, закон тяготения в физике действует без исключений: чем больше масса тела, тем сильнее оно притягивает другие тела. Этот физический закон отражает связь массы тела и силы притяжения.

В психологии иная ситуация. Например, психологи публикуют данные о связи теплых отношений в детстве с родителями и уровня креативности во взрослом возрасте. Означает ли это, что любой из испытуемых с очень теплыми отношениями с родителями в детстве будет иметь очень высокие творческие способности? Ответ однозначный – нет. Здесь нет закона, подобного физическому. Нет механизма влияния детского опыта на креативность взрослых. Это наши фантазии! Есть согласованность данных (отношения – креативность), но за ними нет закона. А есть лишь корреляционная связь. Психологи часто называют выявляемые взаимосвязи психологическими закономерностями, подчеркивая их вероятностный характер — не жесткость.

Пример исследования на студентах из предыдущего раздела хорошо иллюстрирует использование корреляций в психологии:

1. Анализ взаимосвязи между психологическими показателями. В нашем примере IQ и успешность общения с противоположным полом – это психологические параметры. Выявление корреляции между ними расширяет представления о психической организации человека, о взаимосвязях между различными сторонами его личности – в данном случае между интеллектом и сферой общения.
2. Анализ взаимосвязей IQ с успеваемостью и прыжками – пример связи психологического параметра с непсихологическими. Полученные результаты раскрывают особенности влияния интеллекта на учебную и спортивную деятельность.

Вот как могли выглядеть краткие выводы по результатам придуманного исследования на студентах:

1. Выявлена значимая положительная зависимость интеллекта студентов и их успеваемости.
2. Существует отрицательная значимая взаимосвязь IQ с успешностью общения с противоположным полом.
3. Не выявлено связи IQ студентов с умением прыгать с места.

Таким образом, уровень интеллекта студентов выступает позитивным фактором их академической успеваемости, в то же время негативно сказываясь на отношениях с противоположным полом и не оказывая значимого влияния на спортивные успехи, в частности, способность к прыгать с места.

Как видим, интеллект помогает студентам учиться, но мешает строить отношения с противоположным полом. При этом не влияет на их спортивные успехи.

Неоднозначное влияние интеллекта на личность и деятельность студентов отражает сложность этого феномена в структуре личностных особенностей и важность продолжения исследований в этом направлении. В частности, представляется важным провести анализ взаимосвязей интеллекта с психологическими особенностями и деятельностью студентов с учетом их пола.

Коэффициенты Пирсона и Спирмена

Рассмотрим два метода расчета.

Коэффициент Пирсона – это особый метод расчета взаимосвязи показателей между выраженностью численных значений в одной группе. Очень упрощенно он сводится к следующему:

1. Берутся значения двух параметров в группе испытуемых (например, агрессии и перфекционизма).
2. Находятся средние значения каждого параметра в группе.
3. Находятся разности параметров каждого испытуемого и среднего значения.
4. Эти разности подставляются в специальную форму для расчета коэффициента Пирсона.

Коэффициент ранговой корреляции Спирмена рассчитывается похожим образом:

1. Берутся значения двух индикаторов в группе испытуемых.
2. Находятся ранги каждого фактора в группе, то есть место в списке по возрастанию.
3. Находятся разности рангов, возводятся в квадрат и суммируются.
4. Далее разности рангов подставляются в специальную форму для вычисления коэффициента Спирмена.

В случае Пирсона расчет шел с использованием среднего значения. Следовательно, случайные выбросы данных (существенное отличие от среднего), например, из-за ошибки обработки или недостоверных ответов могут существенно исказить результат.

В случае Спирмена абсолютные значения данных не играют роли, так как учитывается только их взаимное расположение по отношению друг к другу (ранги). То есть, выбросы данных или другие неточности не окажут серьезного влияния на конечный результат.

Если результаты тестирования корректны, то различия коэффициентов Пирсона и Спирмена незначительны, при этом коэффициент Пирсона показывает более точное значение взаимосвязи данных.

Как рассчитать коэффициент корреляции

Коэффициенты Пирсона и Спирмена можно рассчитать вручную. Это может понадобиться при углубленном изучении статистических методов.

Однако в большинстве случаев при решении прикладных задач, в том числе и в психологии, можно проводить расчеты с помощью специальных программ.

Расчет с помощью электронных таблиц Microsoft Excel

Вернемся опять к примеру со студентами и рассмотрим данные об уровне их интеллекта и длине прыжка с места. Занесем эти данные (два столбца) в таблицу Excel.

Переместив курсор в пустую ячейку, нажмем опцию «Вставить функцию» и выберем «КОРРЕЛ» из раздела «Статистические».

Формат этой функции предполагает выделение двух массивов данных: КОРРЕЛ (массив 1; массив»). Выделяем соответственно столбик с IQ и длиной прыжков.

 

Далее нажимаем галочку (то есть, рассчитать) и получаем значение , в нашем случае 0,038. Как видим, коэффициент не равен нулю, хотя и очень близок к нему.

В таблицах Excel реализована формула расчета только коэффициента Пирсона.

Расчет с помощью программы STATISTICA

Заносим данные по интеллекту и длине прыжка в поле исходных данных. Далее выбираем опцию «Непараметрические критерии», «Спирмена». Выделяем параметры для расчета и получаем следующий результат.

 

Как видно, расчет  дал результат 0,024, что отличается от результата по Пирсону – 0,038, полученной выше с помощью Excel. Однако различия незначительны.

Использование корреляционного анализа в дипломных работах по психологии (пример)

Большинство тем выпускных квалификационных работ по психологии (дипломов, курсовых, магистерских) предполагают проведение корреляционного исследования (остальные связаны с выявлением различий психологических показателей в разных группах).

Сам термин «корреляция» в названиях тем звучит редко – он скрывается за следующими формулировками:

• «Взаимосвязь субъективного ощущения одиночества и самоактуализации у женщин зрелого возраста»;
• «Особенности влияния жизнестойкости менеджеров на успешность их взаимодействия с клиентами в конфликтных ситуациях»;
• «Личностные факторы стрессоустойчивости сотрудников МЧС».

Таким образом, слова «взаимосвязь», «влияние» и «факторы» — верные признаки того, что методом анализа данных в эмпирическом исследовании должен быть корреляционный анализ.

Рассмотрим кратко этапы его проведения при написании дипломной работы по психологии на тему: «Взаимосвязь личностной тревожности и агрессивности у подростков».

1. Для расчета необходимы сырые данные, в качестве которых обычно выступают результаты тестирования испытуемых. Они заносятся в сводную таблицу и помещаются в приложение. Эта таблица устроена следующим образом:

• каждая строка содержит данные на одного испытуемого;
• каждый столбец содержит показатели по одной шкале для всех испытуемых.

№ испытуемого	Личностная тревожность	Агрессивность
1	12	24
2	14	25
3	11	13
4	17	19
5	21	29
6	26	29
7	13	16
8	16	20
8	13	24
9	18	21
10	23	31

2. Необходимо решить, какой из двух типов коэффициентов — Пирсона или Спирмена — будет использоваться. Напоминаем, что Пирсон дает более точный результат, но он чувствителен к выбросам в данных Коэффициенты  Спирмена могут использоваться с любыми данными (кроме номинативной шкалы), поэтому именно они чаще всего используют в дипломах по психологии.

3. Заносим таблицу сырых данных в статистическую программу.

 

4. Рассчитываем значение.

5. На следующем этапе важно определить, значима ли взаимосвязь. Статистическая программа подсветила результаты красным, что означает, что корреляция статистически значимы при уровне значимости 0,05 (указано выше).

Однако полезно знать, как определить значимость вручную. Для этого понадобится таблица критических значений Спирмена.

Таблица критических значений коэффициентов Спирмена

	Уровень статистической значимости
Число испытуемых	р=0,05	р=0,01	р=0,001
5	0,88	0,96	0,99
6	0,81	0,92	0,97
7	0,75	0,88	0,95
8	0,71	0,83	0,93
9	0,67	0,8	0,9
10	0,63	0,77	0,87
11	0,6	0,74	0,85
12	0,58	0,71	0,82
13	0,55	0,68	0,8
14	0,53	0,66	0,78
15	0,51	0,64	0,76

Нас интересует уровень значимости 0,05 и объем нашей выборки 10 человек. На пересечении этих данных находим значение критического Спирмена: Rкр=0,63.

Правило такое: если полученное эмпирическое значение Спирмена больше либо равно критическому, то он статистически значим. В нашем случае: Rэмп (0,66) > Rкр (0,63), следовательно, взаимосвязь между агрессивностью и тревожностью в группе подростков статистически значима.

5. В текст дипломной нужно вставлять данные в таблице формата word, а не таблицу из статистической программы. Под таблицей описываем полученный результат и интерпретируем его.

Таблица 1

Коэффициенты Спирмена агрессивности и тревожности в группе подростков

	Агрессивность
Личностная тревожность	0,665*

* — статистически достоверна (р≤0,05)

Анализ данных, приведенных в таблице 1, показывает, что существует статистически значимая положительная связьмежду агрессивностью и тревожностью подростков. Это означает, что чем выше личностная тревожность подростков, тем выше уровень их агрессивности. Такой результат дает основание предположить, что агрессия для подростков выступает одним из способов купирования тревожности. Испытывая неуверенность в себе, тревогу в связи с угрозами самооценке, особенно чувствительной в подростковом возрасте, подросток часто использует агрессивное поведение, таким непродуктивным способом снижая тревогу.

6. Можно ли при интерпретации связей говорить о влиянии? Можно ли сказать, что тревожность влияет на агрессивность? Строго говоря, нет. Выше мы показали, что корреляционная связь между явлениями носит вероятностный характер и отражает лишь согласованность изменений признаков в группе. При этом мы не можем сказать, что эта согласованность вызвана тем, что одно из явлений является причиной другого, влияет на него. То есть, наличие корреляции между психологическими параметрами не дает оснований говорить о существовании между ними причинно-следственной связи. Однако практика показывает, что термин «влияние» часто используется при анализе результатов корреляционного анализа.

© СтудентуПсихологу.рф

Содержание:

Корреляционный анализ:

Связи между различными явлениями в природе сложны и многообразны, однако их можно определённым образом классифицировать. В технике и естествознании часто речь идёт о функциональной зависимости между переменными x и у, когда каждому возможному значению х поставлено в однозначное соответствие определённое значение у. Это может быть, например, зависимость между давлением и объёмом газа (закон Бойля—Мариотта).

В реальном мире многие явления природы происходят в обстановке действия многочисленных факторов, влияния каждого из которых ничтожно, а число их велико. В этом случае связь теряет свою однозначность и изучаемая физическая система переходит не в определённое состояние, а в одно из возможных для неё состояний. Здесь речь может идти лишь о так называемой статистической связи. Статистическая связь состоит в том, что одна случайная переменная реагирует на изменение другой изменением своего закона распределения. Следовательно, для изучения статистической зависимости нужно знать аналитический вид двумерного распределения. Однако нахождение аналитического вида двумерного распределения по выборке ограниченного объёма, во-первых, громоздко, во-вторых, может привести к значительным ошибкам. Поэтому на практике при исследовании зависимостей между случайными переменными X и У обычно ограничиваются изучением зависимости между одной из них и условным математическим ожиданием другой, т.е.

Вопрос о том, что принять за зависимую переменную, а что — за независимую, следует решать применительно к каждому конкретному случаю.

Знание статистической зависимости между случайными переменными имеет большое практическое значение: с её помощью можно прогнозировать значение зависимой случайной переменной в предположении, что независимая переменная примет определенное значение. Однако, поскольку понятие статистической зависимости относится к осредненным условиям, прогнозы не могут быть безошибочными.    Применяя некоторые вероятностные методы, как будет показано далее, можно вычислить вероятность того, что ошибка прогноза не выйдет за определенные границы.

Введение в корреляционный анализ

Связь, которая существует между случайными величинами разной природы, например, между величиной X и величиной Y, не обязательно является следствием прямой зависимости одной величины от другой (так называемая функциональная связь).

В некоторых случаях обе величины зависят от целой совокупности разных факторов, общих для обеих величин, в результате чего и формируется связанные друг с другом закономерности. Когда связь между случайными величинами обнаружена с помощью статистики, мы не можем утверждать, что обнаружили причину происходящего изменения параметров, скорее мы лишь увидели два взаимосвязанных следствия.

Например, дети, которые чаще смотрят по телевизору американские боевики, меньше читают. Дети, которые больше читают, лучше учатся. Не так-то просто решить, где тут причины, а где следствия, но это и не является задачей статистики.

Статистика может лишь, выдвинув гипотезу о наличии связи, подкрепить ее цифрами. Если связь действительно имеется, говорят, что между двумя случайными величинами есть корреляция. Если увеличение одной случайной величины связано с увеличением второй случайной величины, корреляция называется прямой.

Например, количество прочитанных страниц за год и средний балл (успеваемость). Если, напротив рост одной величины связано с уменьшением другой, говорят об обратной корреляции. Например, количество боевиков и количество прочитанных страниц. Взаимная связь двух случайных величин называется корреляцией, корреляционный анализ позволяет определить наличие такой связи, оценить, насколько тесна и существенна эта связь. Все это выражается количественно.

Как определить, есть ли корреляция между величинами? В большинстве случаев, это можно увидеть на обычном графике. Например, по каждому ребенку из нашей выборки можно определить величину (число страниц) и (средний балл годовой оценки), и записать эти данные в виде таблицы. Построить оси X и Y, а затем нанести на график весь ряд точек таким образом, чтобы каждая из них имела определенную пару координат (,) из нашей таблицы. Поскольку мы в данном случае затрудняемся определить, что можно считать причиной, а что следствием, не важно, какая ось будет вертикальной, а какая горизонтальной.

Если график имеет вид а), то это говорит о наличии прямой корреляции, в случае, если он имеет вид б) — корреляция обратная. Отсутствие корреляции тоже можно приблизительно определить по виду графика — это случай в).

С помощью коэффициента корреляции можно посчитать насколько тесная связь существует между величинами.

Пусть, существует корреляция между ценой и спросом на товар. Количество купленных единиц товара в зависимости от цены у разных продавцов показано в таблице: Видно, что мы имеем дело с обратной корреляцией. Для количественной оценки тесноты связи используют коэффициент корреляции:

Коэффициент r мы считаем в Excel, с помощью функции далее статистические функции, функция KOPPEЛ. По подсказке программы вводим мышью в два соответствующих поля два разных массива (X и Y). В нашем случае коэффициент корреляции получился r = -0,988.

Надо отметить, что чем ближе к 0 коэффициент корреляции, тем слабее связь между величинами. Наиболее тесная связь при прямой корреляции соответствует коэффициенту r, близкому к +1. В нашем случае, корреляция обратная, но тоже очень тесная, и коэффициент близок к -1.

Что можно сказать о случайных величинах, у которых коэффициент имеет промежуточное значение? Например, если бы мы получили r = 0,65. В этом случае, статистика позволяет сказать, что две случайные величины частично связаны друг с другом. Скажем на 65% влияние на количество покупок оказывала цена, а на 35% — другие обстоятельства. И еще одно важное обстоятельство надо упомянуть.

Поскольку мы говорим о случайных величинах, всегда существует вероятность, что замеченная нами связь — случайное обстоятельство. Причем вероятность найти связь там, где ее нет, особенно велика тогда, когда точек в выборке мало, а при оценке Вы не построили график, а просто посчитали значение коэффициента корреляции на компьютере. Так, если мы оставим всего две разные точки в любой произвольной выборке, коэффициент корреляции будет равен или +1 или -1. Из школьного курса геометрии мы знаем, что через две точки можно всегда провести прямую линию. Для оценки статистической достоверности факта обнаруженной Вами связи полезно использовать так называемую корреляционную поправку:

Связь нельзя считать случайной, если:

В то время как задача корреляционного анализа — установить, являются ли данные случайные величины взаимосвязанными, цель регрессионного анализа — описать эту связь аналитической зависимостью, т.е. с помощью уравнения. Мы рассмотрим самый несложный случай, когда связь между точками на графике может быть представлена прямой линией. Уравнение этой прямой линии

Зная уравнение прямой, мы можем находить значение функции по значению аргумента в тех точках, где значение X известно, a Y — нет. Эти оценки бывают очень нужны, но они должны использоваться осторожно, особенно, если связь между величинами не слишком тесная. Отметим также, что из сопоставления формул для b и r видно, что коэффициент не дает значение наклона прямой, а лишь показывает сам факт наличия связи.

Определение формы связи. Понятие регрессии

Определить форму связи — значит выявить механизм получения зависимой случайной переменной. При изучении статистических зависимостей форму связи можно характеризовать функцией регрессии (линейной, квадратной, показательной и т.д.).

Условное математическое ожидание случайной переменной К, рассматриваемое как функция х, т.е. , называется

функцией регрессии случайной переменной Y относительно X (или функцией регрессии Y по X). Точно так же условное математическое ожидание

 случайной переменной X, т.е. называется функцией регрессии случайной переменной X относительно Y (или функцией регрессии X по Y).

На примере, дискретного распределения найдём функцию регрессии.

Функция регрессии имеет важное значение при статистическом анализе зависимостей между переменными и может быть использована для прогнозирования одной из случайных переменных, если известно значение другой случайной переменной. Точность такого прогноза определяется дисперсией условного распределения.

Несмотря на важность понятия функции регрессии, возможности её практического применения весьма ограничены. Для оценки функции регрессии необходимо знать аналитический вид двумерного распределения (X, Y). Только в этом случае можно точно определить вид функции регрессии, а затем оценить параметры двумерного распределения. Однако для подобной оценки мы чаще всего располагаем лишь выборкой ограниченного объема, по которой нужно найти вид двумерного распределения (X, Y), а затем вид функции регрессии. Это может привести к значительным ошибкам, так как одну и ту же совокупность точекна плоскости можно одинаково успешно описать с помощью различных функций. Именно поэтому возможности практического применения функции регрессии ограничены. Для характеристики формы связи при изучении зависимости используют понятие кривой регрессии.

Кривой регрессии Y по X (или Y на А) называют условное среднее значение случайной переменной У, рассматриваемое как функция определенного класса, параметры которой находят методом наименьших квадратов по наблюдённым значениям двумерной случайной величины (х, у), т.е.

Аналогично определяется кривая регрессии X по Y (X на Y):

Кривую регрессии называют также эмпирическим уравнением регрессии или просто уравнением регрессии. Уравнение регрессии является оценкой соответствующей функции регрессии.

Возникает вопрос:    почему для определения кривой регрессии

используют именно условное среднее Функция у(х) обладает одним замечательным свойством: она даёт наименьшую среднюю погрешность оценки прогноза. Предположим, что кривая регрессии — произвольная функция. Средняя погрешность прогноза по кривой регрессии определяется математическим ожиданием квадрата разности между измеренной величиной и вычисленной по формуле кривой регрессии, т.е. . Естественно потребовать вычисления такой кривой регрессии, средняя погрешность прогноза по которой была бы наименьшей. Таковой является Это следует из свойств минимальности рассеивания около центра распределения

Если рассеивание вычисляется относительно то средний квадрат отклонения увеличивается. Поэтому можно сказать, что кривая регрессии, выражаемая как минимизирует среднеквадратическую погрешность прогноза величины Y по X.

Основные положения корреляционного анализа

Статистические связи между переменными можно изучать методом корреляционного и регрессионного анализа. С помощью этих методов решают разные задачи; требования, предъявляемые к исследуемым переменным, в каждом методе различны.

Основная задача корреляционного анализа — выявление связи между случайными переменными путём точечной и интервальной оценки парных коэффициентов корреляции, вычисления и проверки значимости множественных коэффициентов корреляции и детерминации, оценки частных коэффициентов корреляции. Корреляционный анализ позволяет также оценить функцию регрессии одной случайной переменной на другую.

Предпосылки корреляционного анализа следующие:  

•  1) переменные величины должны быть случайными;
• 2) случайные величины должны иметь совместное нормальное распределение.

Рассмотрим простейший случай корреляционного анализа — двумерную модель. Введём основные понятия и опишем принцип проведения корреляционного анализа. Пусть X и Y — случайные переменные, имеющие совместное нормальное распределение. В этом случае связь между X и Y можно описать коэффициентом корреляции p;. Этот коэффициент определяется как ковариация между X и Y, отнесённая к их среднеквадратическим отклонениям:
(1.1)

Оценкой коэффициента корреляции является выборочный коэффициент корреляции r. Для его нахождения необходимо знать оценки следующих параметров:   .    Наилучшей оценкой

математического ожидания является среднее арифметическое, т.е.

Оценкой дисперсии служит выборочная дисперсия, т.е.

Тогда выборочный коэффициент корреляции

Коэффициент р называют также парным коэффициентом корреляции, а r— выборочным парным коэффициентом корреляции.

При совместном нормальном законе распределения случайных величин X и Y, используя рассмотренные выше параметры распределения и коэффициент корреляции, можно получить выражение для условного математического ожидания, т. е, записать выражение для функции регрессии одной случайной величины на другую. Так, функция регрессии Y на X имеет вид:

функция регрессии X на Y — следующий вид:

Выражения — называют коэффициентами регрессии.

Подставив в (1.3) соответствующие оценки параметров, получим уравнения регрессии, график которых — прямая линия, проходящая через точку Запишем уравнение регрессии у на х и х на у:

Таким образом, в корреляционном анализе на основе оценок параметров двумерной нормальной совокупности получаем оценки тесноты связи между случайными переменными и можем оценить регрессию одной переменной на другую. Особенностью корреляционного анализа является строго линейная зависимость между переменными. Это обусловливается исходными предпосылками. На практике корреляционный анализ можно применять для обработки наблюдений, сделанных на предприятиях при нормальных условиях работы, если случайные изменения свойства сырья или других факторов вызывают случайные изменения свойств продукции.

Свойства коэффициента корреляции

Коэффициент корреляции является одним из самых распространенных способов измерения связи между случайными переменными. Рассмотрим некоторые свойства этого коэффициента.

Теорема 1. Коэффициент корреляции принимает значения на интервале (-1, +1).

Доказательство. Докажем справедливость утверждения для случая дискретных переменных. Запишем явно неотрицательное выражение:

Возведём выражение под знаком суммы в квадрат:

Первое и третье из слагаемых равны единице, поскольку из определения дисперсии следует, что

Таким образом, окончательно получаем

Если коэффициент корреляции положителен, то связь между переменными также положительна и значения переменных увеличиваются или уменьшаются одновременно. Если коэффициент корреляции имеет отрицательное значение, то при увеличении одной переменной уменьшается другая.

Приведём следующее важное свойство коэффициента корреляции: коэффициент корреляции не зависит от выбора начала отсчёта и единицы измерения, т. е. от любых постоянных таких, что т.е.

Таким образом, переменные X и У можно уменьшать или увеличивать в а раз, а также вычитать или прибавлять к значениям X и У одно и то же число b. В результате величина коэффициента корреляции не изменится.

Если коэффициент корреляции то случайные переменные некоррелированы. Понятие некоррелированности не следует смешивать с понятием независимости, независимые величины всегда некоррелированы. Однако обратное утверждение невероятно: некоррелированные величины могут быть зависимы и даже функционально, однако эта связь не линейная.

Выборочный коэффициент корреляции вычисляют по формуле (1.2). Имеется несколько модификаций этой формулы, которые удобно использовать при той или иной форме представления исходной информации. Так, при малом числе наблюдений выборочный коэффициент корреляции удобно вычислять по формуле

Если информация имеет вид корреляционной таблицы (см. п 1.5), то удобно пользоваться формулой

где — суммарная частота наблюдаемого значенияпризнака х при всех значениях — суммарная частота наблюдаемого значения признака упри всех значениях х; — частота появления пары признаков (x, у).

Из формулы (1.2) очевидно, что т.е. величина выборочного коэффициента корреляции не зависит от порядка следования переменных, поэтому обычно пишут просто r.

Поле корреляции. Вычисление оценок параметров двумерной модели

На практике для вычисления оценок параметров двумерной модели удобно использовать корреляционную таблицу и поле корреляции. Пусть, например, изучается зависимость между объёмом выполненных работ (у) и накладными расходами (x). Имеем выборку из генеральной совокупности, состоящую из 150 пар переменных    Считаем, что предпосылки корреляционного анализа выполнены.

Пару случайных чисел    можно изобразить графически в виде точки с координатами. Аналогично можно изобразить весь набор пар случайных чисел (всю выборку). Однако при большом объёме выборки это затруднительно. Задача упрощается, если выборку упорядочить, т.е. переменные сгруппировать. Сгруппированные ряды могут быть как дискретными, так и интервальными.

По осям координат откладывают или дискретные значения переменных, или интервалы их изменения. Для интервального ряда наносят координатную сетку. Каждую пару переменных из данной выборки изображают в виде точки с соответствующими координатами для дискретного ряда или в виде точки в соответствующей клетке для интервального ряда. Такое изображение корреляционной зависимости называют полем корреляции. На рис. 1.1 изображено поле корреляции для выборки, состоящей из 150 пар переменных (ряд интервальный).
 

Если вычислить средние значения у в каждом интервале изменения х [обозначим их )], нанести эти точки на рис. 1.1 и соединить между собой, то получим ломаную линию, по виду которой можно судить, как в среднем меняются у в зависимости от изменения х. По виду этой линии можно также сделать предположение о форме связи между переменными. В данном случае ломаную линию можно аппроксимировать прямой линией, так как она достаточно хорошо приближается к ней. По выборочным данным можно построить также корреляционную табл. 1.1.

Корреляционную таблицу, как и поле корреляции, строят по
сгруппированному ряду (дискретному или интервальному). Табл. 1.1 построена на основе интервального ряда. В первой строке и первом столбце таблицы помещают интервалы изменения х и у и значения середин интервалов. Так, например, 1,5 — середина интервала изменения *=1-2,15— середина интервала изменения у= 10-20. В ячейки, образованные пересечением строк и столбцов, заносят частоты попадания пар значений (л у) в соответствующие интервалы по х и у. Например, частота 4 означает, что в интервал изменения у от 10 до 20 попало 4 пары наблюдавшихся значений. Эти частоты обозначают В 9-й строке и 10-м столбце находятся значения — суммы по соответствующим столбцу и строке.

Как будет показано в дальнейшем, корреляционно таблицей удобно пользоваться при вычислении коэффициентов корреляций и параметров уравнений регрессии.

Корреляционная таблица построена на основе интервального ряда, поэтому для оценок параметров воспользуемся формулами гл. 1 для вычисления средней арифметической и дисперсии. Имеем:

(1.6)
 

Проверка гипотезы о значимости коэффициента корреляции

На практике коэффициент корреляции р обычно неизвестен. По результатам выборки может быть найдена его точечная оценка — выборочный коэффициент корреляции r.

Равенство нулю выборочного коэффициента корреляции ещё не свидетельствует о равенстве нулю самого коэффициента корреляции, а следовательно, о некоррелированности случайных величин X и Y. Чтобы выяснить, находятся ли случайные величины в корреляционной зависимости, нужно проверить значимость выборочного коэффициента корреляции г, т.е. установить, достаточна ли его величина для обоснованного вывода о наличии корреляционной связи. Для этого проверяют нулевую гипотезу . Предполагается наличие двумерного нормального распределения случайных переменных; объём выборки может быть любым. Вычисляют
которая имеет распределение Стьюдента с k=n-2
степенями свободы. Для проверки нулевой гипотезы по уровню значимости а и числу степеней свободы к находят по таблицам распределения Стьюдента (t-распределение; см. табл. 1 приложения) критическое значение  удовлетворяющее условию, то нулевую гипотезу об отсутствии корреляционной связи между переменными X и Y следует отвергнуть. Переменные считают зависимыми. При нет оснований отвергать нулевую гипотезу.

В случае значимого выборочного коэффициента, корреляции есть смысл построить доверительный интервал для коэффициента корреляций р. Однако для этого нужно знать закон распределения выборочного коэффициента корреляции r.

Плотность вероятности выборочного коэффициента корреляции имеет сложный вид, поэтому прибегают к специально подобранным функциям от выборочного коэффициента корреляции, которые сводятся к хорошо изученным распределениям, например нормальному или Стьюдента. Чаще всего для подбора функции применяют преобразование Фишера. Вычисляют статистику:

где r=thz — гиперболический тангенс от z.

Распределение статистики z хорошо аппроксимируется нормальным распределением с параметрами

В этом, случае доверительный интервал для римеетвид Величины находят по таблицам по следующим значениям:

где — нормированная функция Лапласа для q % доверительного интервала (см. табл. 2 приложений значение функции

Если коэффициент корреляции значим, то коэффициенты регрессии также значимо отличаются от нуля, а интервальные оценки для них можно получить по следующим формулам:

где имеет распределение Стьюдента с k=n—2 степенями свободы.
 

Корреляционное отношение

На практике часто предпосылки корреляционного анализа нарушаются: один из признаков оказывается величиной не случайной, или признаки не имеют совместного нормального распределения. Однако статистическая зависимость между ними существует. Для изучения связи между признаками в этом случае существует общий показатель зависимости признаков, основанный на показателе изменчивости — общей (или полной) дисперсии.

Полной называется дисперсия признака относительно его математического ожидания. Так, для признака Y это Дисперсию можно разложить на две составляющие, одна из которых характеризует влияние фактора X на Y, другая — влияние прочих факторов.

Очевидно, чем меньше влияние прочих факторов, тем теснее связь, тем более приближается она к функциональной. Представим в следующем виде:

Первое слагаемое обозначимЭто дисперсия функции регрессии относительно математического ожидания признака (в данном случае признака У);.она измеряет влияние признака X на Y. Второе слагаемое обозначим. Это дисперсия признака Y относительно функции регрессии. Её называют также средней из условных дисперсий или остаточной дисперсией измеряет влияние на Y прочих факторов.

Покажем, что действительно можно разложить на два таких слагаемых:

Для простоты полагаем распределение дискретным. Имеем

так как при любом х справедливо равенство

Третье слагаемое в равенстве (1.10) равно нулю, поэтому равенство (1.9) справедливо. Поскольку второе слагаемое в равенстве (1.9) оценивает влияние признака X на Y, то его можно использовать для оценки тесноты связи между X и Y. Тесноту связи удобно оценивать в единицах общей дисперсии т.е. рассматривать отношение. Эту величину обозначают и называют теоретическим корреляционным отношением. Таким образом,

Разделив обе части равенства (1.9) на получим

Из последней формулы имеем

Поскольку так как — составная часть то из равенства (1.12) следует, что значение всегда заключено между нулем и единицей.

Все сделанные выводы справедливы и для    Из равенства (1.12)
следует, что только тогда, когда , т.е. отсутствует влияние прочих факторов и всё распределение сконцентрировано на кривой регрессии . В этом случае между Y и X существует функциональная зависимость.

Далее, из равенства (1.12) следует, что тогда и только тогда, когда

= const, т.е. линия регрессии У по X — горизонтальная прямая, проходящая через центр распределения. В этом случае можно сказать, что переменная У не коррелирована с X (рис. 1.2,а, б, в).

Аналогичными свойствами обладает— показатель тесноты связи между X и У.

Часто используют величину

Считают, что она не может быть отрицательной. Значения величины также могут находиться лишь в пределах от нуля до единицы. Это очевидно из формулы (1.13).

Значения лежащие в интервалеявляются показателями тесноты группировки точек около кривой регрессии независимо от её вида (формы связи). Корреляционное отношение связано следующим образом: В случае линейной зависимости между переменными

Разность может быть использована как показатель нелинейности связи между переменными.

При вычислении по выборочным данным получаем выборочное корреляционное отношение. Обозначим его. Вместо дисперсий в этом случае используются их оценки. Тогда формула (1.12) принимает вид
 

Понятие о многомерном корреляционном анализе

Частный коэффициент корреляции. Основные понятия корреляционного анализа, введенные для двумерной модели, можно распространить на многомерный случай. Задачи и предпосылки корреляционного анализа были сформулированы в п. 1.3. Однако если при изучении взаимосвязи переменных по двумерной модели мы ограничивались рассмотрением парных коэффициентов корреляции, то для многомерной модели этого недостаточно. Многообразие связей между переменными находит отражение в частных и множественных коэффициентах корреляции.

Пусть имеется многомерная нормальная совокупность с m признаками В этом случае взаимозависимость между признаками

можно описать корреляционной матрицей. Под корреляционной матрицей будем понимать, матрицу, составленную из парных коэффициентов корреляции (вычисляются по формуле (1,1)):

где — парные коэффициенты корреляции; m — порядок матрицы.

Оценкой парного коэффициента корреляции является выборочный парный коэффициент корреляции, определяемый по формуле (1.2), однако для m признаков формула (9.2) принимает вид

где — порядковые номера признаков.

Как и в двумерном случае, для оценки коэффициента корреляции необходимо оценить математические ожидания и дисперсии. В многомерном корреляционном анализе имеем т математических ожиданий и m дисперсий, а также m(m—1)/2 парных коэффициентов корреляции. Таким образом, нужно произвести оценку 2m+m(m—1)/2 параметров.

В случае многомерной корреляции зависимости между признаками более многообразны и сложны, чем в двумерном случае. Одной корреляционной матрицей нельзя полностью описать зависимости между признаками. Введём понятие частного коэффициента корреляции l-го порядка.

Пусть исходная совокупность состоит из т признаков. Можно изучать зависимости между двумя из них при фиксированном значении l признаков из m-2 оставшихся. Рассмотрим, например, систему из 5 признаков. Изучим зависимости между при фиксированном значении признака В этом случае имеем частный коэффициент корреляции первого порядка, так как фиксируем только один признак.

Рассмотрим более подробно структуру частных коэффициентов корреляции на примере системы из трёх признаков . Эта система позволяет изучить частные коэффициенты корреляции только первого порядка, так как нельзя фиксировать больше одного признака. Частный коэффициент корреляции первого порядка для признаков при фиксированном значении выражается через парные коэффициенты
корреляции и имеет вид

Частный коэффициент корреляции, так же как и парный коэффициент корреляции, изменяется от —1 до +1, В общем виде, когда система состоит из m признаков, частный коэффициент корреляции l-го порядка может быть найден из корреляционной матрицы. Если 1=m—2, то рассматривается матрица порядка m, при— подматрица порядкаl+2, составленная из элементов матрицы , которые отвечают индексам коэффициента частной
корреляции. Например, корреляционная матрица системы из пяти признаков имеет вид

Для определения частного коэффициента корреляции второго порядка, например следует использовать подматрицу четвертого порядка,
вычеркнув из исходной матрицы третью строку и третий столбец, так как признак не рассматривают.

В общем виде формулу частного коэффициента корреляции l-го порядка (1=m—2) можно записать в виде

где — алгебраические дополнения к элементу корреляционной
матрицы — алгебраические дополнения к элементам и ркк корреляционной матрицы

Очевидно, что выражение (1.16) является частым случаем выражения (1.17), в чём легко убедиться, рассмотрев корреляционную матрицу

Оценкой частного коэффициента корреляции l-го порядка является выборочный частный коэффициент корреляции l-го порядка. Он вычисляется на основе корреляционной матрицы, составленной из выборочных парных коэффициентов корреляции:

Формула выборочного частного коэффициента корреляции имеет вид

где — алгебраические дополнения к соответствующим элементам матрицы (1.18).

Частный коэффициент корреляции l-го порядка, вызволенный на основе п наблюдений над признаками, имеет такое же распределение, что и парный коэффициент корреляции, вычисленный наблюдениям. Поэтому значимость частных коэффициентов корреляции оценивают так же, как и в п. 1.6.

Множественный коэффициент корреляции

Часто представляет интерес оценить связь одного из признаков со всеми остальными. Это можно сделать с помощью множественного, или совокупного, коэффициента корреляции

где —определитель корреляционной матрицы—алгебраическое
дополнение к элементу

Квадрат коэффициента множественной корреляции называется

множественным коэффициентом детерминации. Коэффициенты множественной корреляции и детерминации — величины положительные, принимающие значения в интервале Оценками этих

коэффициентов являются выборочные множественные коэффициенты корреляции и детерминации, которые обозначают соответственно и

Формула для вычисления выборочного множественного коэффициента корреляции имеет вид

где —определитель корреляционной матрицы, составленной из выборочных парных коэффициентов корреляции; алгебраическое дополнение к элементу

Многомерный корреляционный анализ позволяет получить оценку функции регрессии — уравнение регрессии. Коэффициенты в уравнении регрессии можно найти непосредственно через выборочные парные коэффициенты корреляции или воспользоваться методом многомерной регрессии, который мы рассмотрим в вопросе 2.7. В этом случае все предпосылки регрессионного анализа оказываются выполненными и, кроме того, связь между переменными строго линейна.

Ранговая корреляция

В некоторых случаях встречаются признаки, не поддающиеся количественной оценке (назовём такие признаки объектами). Попытаемся, например, оценить соотношение между математическими и музыкальными способностями группы учащихся. «Уровень способностей» является переменной величиной в том смысле; что он варьирует от одного индивидуума к другому. Его можно измерить, если выставлять каждому индивидууму отметки. Однако этот способ лишен объективности, так как разные экзаменаторы могут выставить одному и тому же учащемуся разные отметки. Элемент субъективизма можно исключить, если учащиеся будут ранжированы. Расположим учащихся по порядку, в соответствии со степенью способностей и присвоим каждому из них порядковый номер, который назовем рангом. Корреляция между рангами более точно отражает соотношение между способностями учащихся, чем корреляция между отметками.

Тесноту связи между рангами измеряют так же, как и между признаками. Рассмотрим уже известную формулу коэффициента корреляции

Пусть      тогда,    учитывая,

что,можно записать

В зависимости от того, что принять за меру различия между величинами можно получить различные коэффициенты связи между рангами. Обычно используют коэффициент корреляции рангов Кэнделла и коэффициент корреляции рангов Спирмэна р.

Введём следующую меру различия между объектами: будем считать Поясним сказанное на примере. Имеем две последовательности:

Рассмотрим отдельно каждую из них. В последовательности X первой паре элементов —2; 4 припишем значение +1, так как второй паре 2; 5 также припишем значение +1, третьей паре 2; 1 припишем значение —1, поскольку  и т.д. Последовательно перебираем все пары, причём каждая пара должна быть учтена один раз. Так, если учтена пара 2; 1, то не следует учитывать пару 1;    2. Аналогичные действия проделаем с последовательностью У, причём порядок перебора пар должен в точности повторять порядок перебора пар в последовательности X. Результаты этих действий представим в виде табл. 1.3.

Рассмотрим формулу (    1 .22). В нашем случае и равна

количеству пар, участвовавших в переборе. Каждая пара встречается только один раз, поэтому их общее количество равно числу сочетаний из n по 2, т.е. Обозначая получаем формулу коэффициента корреляции рангов Кэнделла:

Теперь рассмотрим другую меру различия между объектами. Если обозначить через средний ранг последовательности X, через — средний ранг последовательности Т, тоПоскольку ранги последовательности X и Y есть числа натурального ряда, то их сумма равна     а    средний    ранг    
Тогда Сумма
чисел натурального ряда равна

Тогда 

Введём новую величину d, равную разности между рангами: d=X—Y, и определим через неё величину. Имеем:

Коэффициент корреляции рангов Спирмэна

У коэффициентов разные масштабы, они отличаются шкалами измерений. Поэтому на практике нельзя ожидать, что они совпадут. Чаще всего, если значения обоих коэффициентов не слишком, близки к 1, p; по абсолютной величине примерно на 50% превышает Выведены неравенства, связывающие Например, при больших n можно пользоваться следующим приближённым соотношением:       или

Коэффициент p легче рассчитать, однако с теоретической точки зрения больший интерес представляет коэффициент

При вычислении коэффициента корреляций рангов Кэнделла для подсчёта s можно использовать следующий приём:    одну из последовательностей упорядочивают так, чтобы её элементы были числами натурального ряда; соответственно изменяют и другую последовательность. Тогда сумму можно подсчитывать лишь по последовательности К, так как все равны +1.

Если нельзя установить ранговое различие нескольких объектов, говорят, что такие объекты являются связанными. В этом случае объектам приписывается средний ранг. Например, если связанными являются объекты 4 и 5, то им приписывают ранг 4.5; если связанными являются объекты 1, 2, 3, 4 и 5, то их средний ранг (1+2+3+4+5)/5=3. Сумма рангов связанных объектов должна быть равна сумме рангов при ранжировании без связей. Формулы коэффициентов корреляции для в этом случае также можно вывести из формулы обобщённого коэффициента корреляции, только знаменатель выражения (1.21) в этом случае не равен n(n—1)/2. Если / последовательных членов связаны, то все оценки, относящиеся к любой вобранной из них паре, равны нулю; число таких пар t(t—1), Следовательно,

Соответственно для другой последовательности

где t и u—число связанных пар в последовательностях.

Обозначая получаем

Аналогично находим выражение для р. Только в этом случае

 , где е и г — число связанных пар в
последовательностях, а

Если имеется несколько последовательностей, то возникает необходимость определить общую меру согласованности между ними. Такой мерой является коэффициент копкордации.

Пусть ь — число последовательностей, т — количество рангов в каждой последовательности. Тогда коэффициент конкордации

где d — фактически встречающееся отклонение от среднего значения суммы рангов одного объекта.

Коэффициент корреляции рангов может быть использован для быстрого оценивания взаимосвязи между признаками, не имеющими нормального распределения, и полезен в тех случаях, когда признаки поддаются ранжированию, но не могут быть точно измерены.

Пример:

Для данных табл. 13 найти выборочный коэффициент корреляции, проверить его значимость на уровне 

Решение. Для вычислений составим таблицу. Находим суммы

 и заносим их в таблицу. Вычислим

Подставляя полученные значения сумм в (8), найдем выборочный коэффициент корреляции

Проверим значимость  на уровне  Для этого вычислим статистику

По таблице распределения П6 Стьюдента  находим критическое значение  Так как  то считаем  значимым.

Пример:

Для данных табл. 13 найти корреляционное отношение 

Для вычисления эмпирического корреляционного отношения найдем групповые средние 

Тогда

Вычисляем корреляционное отношение

Что такое корреляция и что означает коррелировать — простыми словами о сложном

Здравствуйте, уважаемые читатели блога KtoNaNovenkogo.ru. Когда некоторые люди слышат слово «корреляция», то зачастую просто впадают в ступор. Оно и понятно: жуткий термин из мира высшей математики и статистики.

Сразу представляются унылые графики, многоэтажные формулы, при взгляде на которые хочется забиться в угол и плакать. На самом деле все гораздо проще.

Потратив несколько минут на прочтение этой статьи, вы узнаете, что такое корреляция и как ее использовать в повседневной жизни.

Определение корелляции — что это

Простыми словами корреляция – это взаимосвязь двух или нескольких случайных параметров. Когда одна величина растет или уменьшается, другая тоже изменяется.

Объясним на примере: существует корреляция между температурой воздуха и потреблением мороженого. Чем жарче погода, тем больше холодного лакомства покупают люди. И наоборот.

Такие закономерности устанавливаются путем исследования больших объемов статистических данных. Собираем информацию о потреблении мороженого за несколько лет и сведения о колебаниях температуры за тот же период. А дальше сопоставляем и ищем зависимость.

Коррелировать – это значит быть взаимосвязанным с чем-то. Существует положительная и отрицательная корреляции.

При положительной чем больше один параметр, тем больше и другой. Например, чем масштабнее траты фермера на удобрения, тем обильнее урожай. При обратной корреляции рост одной величины сопровождается уменьшением другой. Чем выше здание, тем хуже оно противостоит землетрясениям.

Корреляция — это взаимосвязь без гарантий

Рассмотрим пример прямой корреляции: чем выше уровень благосостояния человека, тем больше его продолжительность жизни. Обеспеченные люди питаются качественной пищей и своевременно получают врачебную помощь. В отличие от бедняков.

Однако нельзя с уверенностью сказать, что определенный олигарх проживет дольше вот этого нищего.

Это лишь статистическая вероятность, которая может не сработать для одного конкретного случая. Этим корреляция отличается от линейной зависимости, где исход известен со 100-процентной вероятностью.

Но если мы возьмем выборку из сотни тысяч богачей и такого же числа малоимущих, сравним их продолжительность жизни, то общая тенденция будет верна.

Коэффициент корреляции

Это число, которое обозначается как «r». Оно находится в промежутке от -1 до 1. Отражает силу и полюс взаимосвязи величин. Посмотрим на примере:

Значение коэффициента	Какая корреляция?	О чем это говорит?
r=1	Сильная положительная корреляция	Люди, которые едят чернику, обладают острым зрением. Ешьте чернику!
r меньше 0,5	Слабая положительная корреляция	Некоторые люди, которые любят чернику, обладают острым зрением. Но это не точно. Короче, ничего не пока понятно. Но лучше есть чернику на всякий случай.
r=0	Корреляция отсутствует	Черника и зрение никак не связаны.
r меньше -0,5	Слабая отрицательная корреляция	Бывают случаи ухудшения зрения из-за черники. Не стоит рисковать.
r=-1	Сильная отрицательная корреляция	Практически все, кто ел чернику, ослепли. Берегитесь черники!

Величина коэффициента корреляции рассчитывается по формуле:

Если внезапно потемнело в глазах и возникло непреодолимое желание закрыть статью (синдром гуманитария), то есть вариант попроще. Microsoft Exel все выполнит сам при помощи функции «КОРРЕЛ». Делается это так:

Судя по расчетам, рост человека практически никак не влияет на уровень зарплаты.

Реальные причины корреляции и возможные гипотезы

Курс доллара и стоимость нефти отрицательно коррелируют. Можем выдвинуть гипотезу: повышение цен на черное золото вызывает падение стоимости американской валюты. Но почему так происходит? Откуда взялась связь между этими явлениями?

Определение причины корреляции – это очень сложная задача. Переплетаются тысячи различных факторов, часть из которых скрыта.

Возможно, дело в том, что США – крупнейший потребитель нефти в мире. Каждый день они импортируют около 7,2 миллиона баррелей. Снижение цены на черное золото – хорошо для американской экономики, ведь позволяет тратить меньше денег. Следовательно, доллар растет.

Корреляция предоставляет возможность сделать вывод из статистических данных.

Например, мы выяснили, что существует отрицательная взаимосвязь между доходом персонала и его эффективностью в работе. Наша гипотеза: «Лентяи и бездельники получают больше, чем ответственные сотрудники». Тогда мы пересмотрим систему мотивации и избавимся от бесполезных людей.

Гипотеза – это лишь статистический вывод, предположение. Она вполне может оказаться ошибочной.

Согласно статистике, чем больше пожарных участвует в тушении огня, тем существенней размер ущерба. Какую гипотезу можем сделать отсюда? Пожарные приносят вред, давайте сократим их! Но если разобраться, то настоящая причина повреждения – это огонь. А увеличение числа лиц, задействованных в его тушении, – следствие масштаба пожара.

Наша вселенная бесконечна, а значит всегда можно найти несколько переменных, которые будут коррелировать между собой, несмотря на полное отсутствие причинно-следственных связей. Даже самое буйное воображение не сможет объяснить, что объединяет сыр и одеяло-убийцу:

Более подробно на эту тему смотрите в видео:

Как при помощи корреляции люди становятся богаче

Главное правило любого инвестора: не класть все яйца в одну корзину. Вложения рекомендуется диверсифицировать (что это?) – распределять. Поэтому люди покупают акции не одной компании, а десятка разных, формируя инвестиционные портфели. Если котировки какой-то фирмы упадут, то оставшиеся девять смогут отыграть падение или хотя бы уменьшить убытки.

Но это в теории, а на практике все портит корреляция. Проблема в том, что стоимости акций разных компаний внутри отрасли или даже всей страны могут сильно коррелировать. Проблемы огромной корпорации провоцируют панику на рынке, снижают стоимость иных активов, на первый взгляд не связанных между собой. В 2008 году случился крах Lehman Brothers, который вызвал цепную реакцию и обвал на мировых рынках.

Поэтому при инвестировании нужно стараться выбирать направления, которые не связаны между собой (r стремится к 0).

Например, пара «золото – облигации США» = -0,13. Если собрать портфель из совершенно независимых частей, риски финансовых потерь сократятся.

Территориальное приближение активов друг к другу усиливает корреляцию. Значит, нужно рассматривать варианты в разных точках мира, максимально удаленных друг от друга.

В жизни этот принцип тоже действует. Если ваши навыки и знания позволяют трудиться программистом, таксистом, сантехником и журналистом – вы хорошо защищены от риска безработицы.

Памятка

1. Корреляция – это соотношение, взаимозависимость нескольких переменных.
2. Связь бывает положительной и отрицательной.
3. Коэффициент корреляции определяет степень взаимозависимости одной переменной от другой.
4. На основании корреляции люди выдвигают гипотезы (часто ошибочные).
5. Истинная причина корреляции порою скрыта под множеством факторов и внешних сил.
6. Бывает ложная корреляционная зависимость.
7. Раскладывая яйца по корзинам, помните о том, что они не должны коррелироваться друг с другом.

Корреляции для начинающих

Апдейт для тех, кто сочтет статью полезной и занесет в избранное. Есть приличный шанс, что пост уйдет в минуса, и я буду вынужден унести его в черновики. Сохраняйте копию!

Краткий и несложный материал для неспециалистов, рассказывающий в наглядной форме о различных методах поиска регрессионных зависимостей. Это все и близко не академично, зато надеюсь что понятно. Прокатит как мини-методичка по обработке данных для студентов естественнонаучных специальностей, которые математику знают плохо

, впрочем как и автор

. Расчеты в Матлабе, подготовка данных в Экселе — так уж повелось в нашей местности

Введение

Зачем это вообще надо? В науке и около нее очень часто возникает задача предсказания какого-то неизвестного параметра объекта исходя из известных параметров этого объекта (предикторов) и большого набора похожих объектов, так называемой учебной выборки. Пример. Вот мы выбираем на базаре яблоко. Его можно описать такими предикторами: красность, вес, количество червяков. Но как потребителей нас интересует вкус, измеренный в попугаях по пятибалльной шкале. Из жизненного опыта нам известно, что вкус с приличной точностью равен 5*красность+2*вес-7*количество червяков. Вот про поиск такого рода зависимостей мы и побеседуем. Чтобы обучение пошло легче, попробуем предсказать вес девушки исходя из ее 90/60/90 и роста.

Исходные данные

В качестве объекта исследования возьму данные о параметрах фигуры девушек месяца Плейбоя. Источник — www.wired.com/special_multimedia/2009/st_infoporn_1702, слегка облагородил и перевел из дюймов в сантиметры. Вспоминается анекдот про то, что 34 дюйма — это как два семнадцатидюймовых монитора. Также отделил записи с неполной информацией. При работе с реальными объектами их можно использовать, но сейчас они нам только мешают. Зато их можно использовать для проверки адекватности полученных результатов. Все данные у нас непрерывные, то есть грубо говоря типа float. Они приведены к целым числам только чтобы не загромождать экран. Есть способы работы и с дискретными данными — в нашем примере это например может быть цвет кожи или национальность, которые принимают одно из фиксированного набора значений. Это больше имеет отношение к методам классификации и принятия решений, что тянет еще на один мануал. Data.xls В файле два листа. На первом собственно данные, на втором — отсеянные неполные данные и набор для проверки нашей модели.

Обозначения

W — вес реальный
W_p — вес, предсказанный нашей моделью
S — бюст
T — талия
B — бедра
L — рост
E — ошибка модели

Как оценить качество модели?

Задача нашего упражнения — получить некую модель, которая описывает какой-либо объект. Способ получения и принцип работы конкретной модели нас пока не волнует. Это просто функция f(S, T, B, L), которая выдает вес девушки. Как понять, какая функция хорошая и качественная, а какая не очень? Для этого используется так называемая fitness function. Самая классическая и часто используемая — это сумма квадратов разницы предсказанного и реального значения. В нашем случае это будет сумма (W_p — W)^2 для всех точек. Собственно, отсюда и пошло название «метод наименьших квадратов». Критерий не лучший и не единственный, но вполне приемлемый как метод по умолчанию. Его особенность в том, что он чувствителен по отношению к выбросам и тем самым, считает такие модели менее качественными. Есть еще всякие методы наименьших модулей итд, но сейчас нам это пока не надо.

Простая линейная регрессия

Самый простой случай. У нас одна переменная-предиктор и одна зависимая переменная. В нашем случае это может быть например рост и вес. Нам надо построить уравнение W_p = a*L+b, т.е. найти коэффициенты a и b. Если мы проведем этот расчет для каждого образца, то W_p будет максимально совпадать с W для того же образца. То есть у нас для каждой девушки будет такое уравнение:
W_p_i = a*L_i+b
E_i = (W_p-W)^2

Общая ошибка в таком случае составит sum(E_i). В результате, для оптимальных значений a и b sum(E_i) будет минимальным. Как же найти уравнение?

Матлаб

Для упрощения очень рекомендую поставить плагин для Excel под названием Exlink. Он в папке matlab/toolbox/exlink. Очень облегчает пересылку данных между программами. После установки плагина появляется еще одно меню с очевидным названием, и автоматически запускается Матлаб. Переброс информации из Экселя в Матлаб запускается командой «Send data to MATLAB», обратно, соответственно, — «Get data from MATLAB». Пересылаем в Матлаб числа из столбца L и отдельно из W, без заголовков. Переменные назовем так же. Функция расчета линейной регрессии — polyfit(x,y,1). Единица показывает степень аппроксимационного полинома. У нас он линейный, поэтому единица. Получаем наконец-то коэффициенты регрессии: regr=polyfit(L,W,1). a мы можем получить как regr(1), b — как regr(2). То есть мы можем получить наши значения W_p: W_p=L*repr(1)+repr(2). Вернем их назад в Эксель.

Графичек

Мда, негусто. Это график W_p(W). Формула на графике показывает связь W_p и W. В идеале там будет W_p = W*1 + 0. Вылезла дискретизация исходных данных — облако точек клетчатое. Коэффициент корреляции ни в дугу — данные слабо коррелированы между собой, т.е. наша модель плохо описывает связь веса и роста. По графику это видно как точки, расположенные в форме слабо вытянутого вдоль прямой облака. Хорошая модель даст облако растянутое в узкую полосу, еще более плохая — просто хаотичный набор точек или круглое облако. Модель необходимо дополнить. Про коэффициент корреляции стоит рассказать отдельно, потому что его часто используют абсолютно неправильно.

Расчет в матричном виде

Можно и без всяких полифитов справиться с построением регрессии, если слегка дополнить столбец с величинами роста еще одним столбцом, заполненным единицами: L(:,2)=1. Двойка показывает номер столбца, в который пишутся единицы. Тогда коэффициенты регрессии можно будет найти по такой формуле: repr=inv(L'*L)*L'*W. И обратно, найти W_p: W_p=L*repr. Когда осознаешь магию матриц, пользоваться функциями становится неприкольно. Единичный столбец нужен для расчета свободного члена регрессии, то есть просто слагаемого без умножения на параметр. Если его не добавлять, то в регрессии будет всего один член: W_p=a*L. Достаточно очевидно, что она будет хуже по качеству, чем регрессия с двумя слагаемыми. В целом, избавляться от свободного члена надо только в том случае, если он точно не нужен. По умолчанию он все-таки присутствует.

Мультилинейная регрессия

В русскоязычной литературе прошлых лет упоминается как ММНК — метод множественных наименьших квадратов. Это расширение метода наименьших квадратов для нескольких предикторов. То есть у нас в дело идет не только рост, но и все остальные, так сказать, горизонтальные размеры. Подготовка данных точно такая же: обе матрицы в матлаб, добавление столбца единиц, расчет по той же самой формуле. Для любителей функций есть b = regress(y,X). Эта функция также требует добавления столбца единиц. Повторяем расчет по формуле из раздела про матрицы, пересылаем в Эксель, смотрим.

Попытка номер два

А так получше, но все равно не очень. Как видим, клетчатость осталась только по горизонтали. Никуда не денешься, исходные веса были целыми числами в фунтах. То есть после конверсии в килограммы они ложатся на сетку с шагом около 0.5. Итого финальный вид нашей модели:

W_p = 0.2271*S + 0.1851*T + 0.3125*B + 0.3949*L — 72.9132

Объемы в сантиметрах, вес в кг. Поскольку у нас все величины кроме роста в одних единицах измерения и примерно одного порядка по величине (кроме талии), то мы можем оценить их вклады в общий вес. Рассуждения примерно в таком духе: коэффициент при талии самый маленький, равно как и сами величины в сантиметрах. Значит, вклад этого параметра в вес минимален. У бюста и особенно у бедер он больше, т.е. сантиметр на талии дает меньшую прибавку к массе, чем на груди. А больше всего на вес влияет объем задницы. Впрочем, это знает любой интересующийся вопросом мужчина. То есть как минимум, наша модель реальной жизни не противоречит.

Валидация модели

Название громкое, но попробуем получить хотя бы ориентировочные веса тех девушек, для которых есть полный набор размеров, но нет веса. Их 7: с мая по июнь 1956 года, июль 1957, март 1987, август 1988. Находим предсказанные по модели веса: W_p=X*repr

Что ж, по крайней мере в текстовом виде выглядит правдоподобно. А насколько это соответствует реальности — решать вам

Применимость

Если вкратце — полученная модель годится для объектов, подобных нашему набору данных. То есть по полученным корреляциям не стоит считать параметры фигур женщин с весом 80+, возрастом, сильно отличающимся от среднего по больнице итд. В реальных применениях можно считать, что модель пригодна, если параметры изучаемого объекта не слишком отличаются от средних значений этих же параметров для исходного набора данных. Могут возникнуть (и возникнут) проблемы, если у нас предикторы сильно коррелированы между собой. То есть, например это рост и длина ног. Тогда коэффициенты для соответствующих величин в уравнении регрессии будут определены с малой точностью. В таком случае надо выбросить один из параметров, или воспользоваться методом главных компонент для снижения количества предикторов. Если у нас малая выборка и/или много предикторов, то мы рискуем попасть в переопределенность модели. То есть если мы возьмем 604 параметра для нашей выборки (а в таблице всего 604 девушки), то сможем аналитически получить уравнение с 604+1 слагаемым, которое абсолютно точно опишет то, что мы в него забросили. Но предсказательная сила у него будет весьма невелика. Наконец, далеко не все объекты можно описать мультилинейной зависимостью. Бывают и логарифмические, и степенные, и всякие сложные. Их поиск — это уже совсем другой вопрос.

Планы на будущее

Если хорошо пойдет, то постараюсь в том же стиле изложить метод главных компонент для снижения размерности данных, регрессию на главные компоненты, метод PLS, начала кластерного анализа и методов классификации объектов. Если хабрапублика не очень хорошо примет, то буду стараться учесть замечания. Если вообще никак — то забью на просвещение ширнармасс вообще, мне и своих студентов хватит. До новых встреч!