协方差与相关系数

协方差的拆分、加减计算公式,看这一页就够了 概率论基础知识 阅读详情

作者:Vamei 出处:http://www.cnblogs.com/vamei 欢迎转载,也请保留这段声明。谢谢!

前面介绍的分布描述量,比如期望和方差,都是基于单一随机变量的。现在考虑多个随机变量的情况。我们使用联合分布来表示定义在同一个样本空间的多个随机变量的概率分布。

联合分布中包含了相当丰富的信息。比如从联合分布中抽取某个随机变量的边缘分布,即获得该随机变量的分布,并可以据此,获得该随机变量的期望和方差。这样做是将视线限制在单一的一个随机变量上,我们损失了联合分布中包含的其他有用信息,比如不同随机变量之间的互动关系。为了了解不同随机变量之间的关系,需要求助其它的一些描述量。

协方差

协方差(covariance)表达了两个随机变量的协同变化关系。我们取一个样本空间,即学生的体检数据。学生的身高为随机变量 X X X,学生的体重为随机变量 Y Y Y。

160cm170cm180cm
60kg0.20.050.05
70kg0.050.30.05
80kg0.050.050.2

根据上表,大的身高(180cm)和大的体重(80kg)同时出现的概率较大(0.2),小的身高值(160cm)和小的体重(60kg)的概率也较大(0.2)。偏大的身高往往伴随偏大的体重,偏小的身高常伴随偏小的体重。这种“大”伴随着“大”,“小”伴随着“小”的情形,叫做正相关。根据上面的数据,身高和体重两个随机变量正相关性很强。

另一方面,如果“大”配“小”,“小”配“大”的概率很高,那么两个随机变量负相关。“最萌身高差”是负相关的一个范例。(样本空间为情侣的身高信息。可以定义男生身高为一个随机变量,女生身高为另一个随机变量)
正如其他的分布描述量一样,协方差从概率分布中提取信息,让我们获知分布的“性能”。对于一个已知的联合分布来说,任意两个随机变量之间都可以计算出一个协方差,即一个数值。

定义

协方差的定义如下,如果 X X X和 Y Y Y是联合分布的随机变量,且分别有期望 μ X μX μX, μ Y μY μY,那么 X X X和 Y Y Y的协方差为

C o v ( X , Y ) = E [ ( X − μ X ) ( Y − μ Y ) ] Cov(X,Y)=E[(X−μX)(Y−μY)] Cov(X,Y)=E[(X−μX)(Y−μY)]

协方差的定义基于期望。根据期望的定义,协方差可以直接用于离散随机变量和连续随机变量。

我们已经知道,期望是某个随机变量根据概率的加权平均。我们所要加权平均的目标是 X − μ X X−μX X−μX和 Y − μ Y Y−μY Y−μY的乘积。随机变量和期望的差,代表了随机变量的取值和中心值的偏离程度,也就是我们上面所谓的“偏大”或者“偏小”的情况:正值的偏离表示“偏大”,负值的偏离表示“偏小”。如果是正相关,即大配大,小配小的情况,那么这一乘积为正;如果是负相关,乘积为负。所以,通过 ( X − μ X ) ( Y − μ Y ) (X−μX)(Y−μY) (X−μX)(Y−μY)这个量,我们表达了 X X X和 Y Y Y的相关性。

回到刚才的数据来计算相关性,

160cm170cm180cm
60kg0.20.050.05
70kg0.050.30.05
80kg0.050.050.2

让身高为 X X X,体重为 Y Y Y。我们可以通过边缘分布,来分别获得 X X X和 Y Y Y的分布(回忆一下)。求得 X X X和 Y Y Y的期望,分别为170和70。计算各个格子中的 ( X − μ X ) ( Y − μ Y ) (X−μX)(Y−μY) (X−μX)(Y−μY)

160cm170cm180cm
60kg10000
70kg000
80kg-1000100

上面的两个表,对应的格子相乘,并求和,就得到协方差:

C o v ( X , Y ) = 0.2 × 100 + 0.2 × 100 + 0.05 × ( − 100 ) + 0.05 × ( − 100 ) = 30 Cov(X,Y)=0.2×100+0.2×100+0.05×(−100)+0.05×(−100)=30 Cov(X,Y)=0.2×100+0.2×100+0.05×(−100)+0.05×(−100)=30

根据期望的性质,我们可以改写协方差的表达形式:

C o v ( X , Y ) = E ( X Y − X μ X − Y μ X + μ X μ Y ) Cov(X,Y)=E(XY−XμX−YμX+μXμY) Cov(X,Y)=E(XY−XμX−YμX+μXμY)
= E ( X Y ) − E ( X ) μ X − E ( Y ) μ Y + μ X μ Y =E(XY)−E(X)μX−E(Y)μY+μXμY =E(XY)−E(X)μX−E(Y)μY+μXμY
= E ( X Y ) − E ( X ) E ( Y ) =E(XY)−E(X)E(Y) =E(XY)−E(X)E(Y)

当 X X X和 Y Y Y独立时,有

E ( X Y ) = E ( X ) E ( Y ) , C o v ( X , Y ) = 0 。 E(XY)=E(X)E(Y),Cov(X,Y)=0。 E(XY)=E(X)E(Y),Cov(X,Y)=0。

(注意, C o v ( X , Y ) = 0 Cov(X,Y)=0 Cov(X,Y)=0意味着 X X X和 Y Y Y独立)

相关系数

正的协方差表达了正相关性,负的协方差表达了负相关性。对于同样的两个随机变量来说,计算出的协方差越大,相关性越强。

但随后一个问题,身高和体重的协方差为30,这究竟是多大的一个量呢?如果我们又发现,身高与鞋号的协方差为5,是否说明,相对于鞋号,身高与体重的的相关性更强呢?

这样横向对比超出了协方差的能力范围。从日常生活经验来说,体重的上下浮动大约为20kg,而鞋号的上下浮动大约可能只是5个号码。所以,对于体重来说,5kg与中心的偏离并不算大,而5个号码的鞋号差距,就可能是最极端的情况了。假设身高和体重的相关强度,与身高和鞋码的相关强度类似,但由于体重本身的数值上下浮动更大,所计算出的协方差也会更大。另一个情况,依然是计算身高与体重的协方差。数据完全不变,而只更改单位。我们的体重用克而不是千克做单位,计算出的协防差是原来数值的1000倍!

为了能进行这样的横向对比,我们需要排除用统一的方式来定量某个随机变量的上下浮动。这时,我们计算相关系数(correlation coefficient)。相关系数是“归一化”的协方差。它的定义如下:

ρ = C o v ( X , Y ) V a r ( X ) V a r ( Y ) \rho=\frac {Cov(X,Y)}{\sqrt {Var(X)Var(Y)} } ρ=Var(X)Var(Y) ​Cov(X,Y)​

相关系数是用协方差除以两个随机变量的标准差。相关系数的大小在-1和1之间变化。再也不会出现因为计量单位变化,而数值暴涨的情况了。

依然使用上面的身高和体重数据,可以计算出

V a r ( X ) = 0.3 × ( 60 − 70 ) 2 + 0.3 × ( 80 − 70 ) 2 = 60 Var(X)=0.3×(60−70)^2+0.3×(80−70)^2=60 Var(X)=0.3×(60−70)2+0.3×(80−70)2=60
V a r ( Y ) = 0.3 × ( 180 − 170 ) 2 + 0.3 × ( 160 − 170 ) 2 = 60 Var(Y)=0.3×(180−170)^2+0.3×(160−170)^2=60 Var(Y)=0.3×(180−170)2+0.3×(160−170)2=60
ρ = 30 / 60 = 0.5 ρ=30/60=0.5 ρ=30/60=0.5

这样一个“归一化”了的相关系数,更容易让人把握到相关性的强弱,也更容易在不同随机变量之间,做相关性的横向比较。

以上内容编辑:刘慧芳

什么是协方差(covariance)?(延伸到 协方差矩阵、多元高斯分布、PCA) 协方差是一个统计量,是对一个样本的某一统计特性给出的一个估算量。 常见统计量 阅读详情

相关推荐

协方差、样本协方差、协方差矩阵、相关系数详解(python代码)

对于一个随机变量的分布特征,可以由均值、方差、标准差等进行描述。而对于两个随机变量的情况,有协方差和相关系数来描述两个随机变量的相互关系。 本文主要参考概率论与数理统计的教科书,整理了协方差、样本协方差、协方差矩阵、相关系数的概念解释和代码。 协方差(covariance) 协方差的概念来自概率论,实际应用中的样本协方差则与统计学概念有关。 协方差反应了随机变量X、YX、YX、Y之间“协同”变化的关系。也可以说,协方差在某种意义上给出了两个变量线性相关性的强度以及这些变量的尺度。

人工智能算法与工程实践 3万+

数学概念:协方差

1 计算 1 covariance 讲解

rosefun96的博客 1万+

关于协方差与相关系数

今天突然看到协方差这个概念,又熟悉又陌生,只是朦朦胧胧知道这个可以反映出两个随机变量之间的相关性,但是对其内在原理不理解,不知道协方差需要随机变量满足什么形式后才可以用协方差计算,或许说,怎么将协方差应用于数据上,并且得到相应的分析结果。 经过我一通百度,终于有点明白协方差是说什么意思了,感觉很久没有理解过数学了,所以很想分享一下这次的理解。 假如有两个随机变量 X,Y ,且X的数学期望是E(X)...

正在搬家的莱斯利 3311

协方差详解

今天面算法,面试官问协方差是什么,因为平时基本可能用不到,所以一脸懵逼,今天来温习一下什么是协方差。 期望(Expection) 函数f(x)关于某分布P(x)的期望或者期望值是指,当x是由P产生时,f作用于x时,f(x)的平均值。对于离散型随机变量,通过求和得到: Ex∼P[f(x)]=∑xP(x)f(x)\mathbb{E}_{x\sim P}[f(x)]=\sum_xP(x)f(x)Ex...

Steve Wang's blog 1万+

【协方差】【相关系数】【协方差矩阵】【散度矩阵】

本篇为《深度学习》系列博客的第七篇,该系列博客主要记录深度学习相关知识的学习过程和自己的理解,方便以后查阅。 这是PCA知识铺垫的最后一篇博客了,加油吧,慢慢来,比较快。 【协方差】【相关系数】【协方差矩阵】【散度矩阵】均值、方差、标准差协方差为什么需要协方差协方差的通俗理解相关系数协方差矩阵概念理解Matlab协方差实战散度矩阵 均值、方差、标准差 均值: xˉ=∑i=1nxin(1) \bar{x}=\frac{∑^n_{i=1}x_i}{n} \tag{1} xˉ=n∑i=1n​xi​​(1) 方差

梁小憨憨的博客 1624

相关系数和协方差

from pandas import Sereis, DataFrame import pandas.io.data as weball_data = {} for ticker in ['AAPL','IBM','MSFT','GOOG']: all_data[ticker] = web.get_data_yahoo(ticker,'1/1/2000','1/1/2010')price =

Great haste makes great waste 1万+

协方差和相关系数

什么是协方差(Covariance)? 协方差表示的是两个变量的总体的误差,这与只表示一个变量误差的方差不同。 如果两个变量的变化趋势一致,也就是说如果其中一个大于自身的期望值,另外一个也大于自身的期望值,那么两个变量之间的协方差就是正值。 如果两个变量的变化趋势相反,即其中一个大于自身的期望值,另外一个却小于自身的期望值,那么两个变量之间的协方差就是负值。 以上是某百科的解释。等等!是不是还...

麦地与诗人 1万+

R中方差,协方差,相关系数

提到方差,一个命令var()。 方差定义用来度量随机变量和其数学期望(即均值)之间的偏离程度。 > a = sample(10) > a [1] 4 2 9 3 6 10 8 5 7 1 > var(a) [1] 9.166667 是协方差。协方差定义用于衡量两个变量的总体误差,即描述两个变量之间的相对于各自的期望值的变化趋势。方差是协方差的一种特殊情况,...

微信号:RunsenLiu 1万+

协方差与相关系数 numpy中cov与corrcoef的使用

协方差与相关系数协方差与相关系数 协方差 相关系数 1.协方差如果两个变量的变化趋势一致,也就是说如果其中一个大于自身的期望值时另外一个也大于自身的期望值,那么两个变量之间的协方差就是正值;如果两个变量的变化趋势相反,即其中一个变量大于自身的期望值时另外一个却小于自身的期望值,那么两个变量之间的协方差就是负值。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?

小白进阶的博客 4万+

协方差(Covariance)

协方差1.协方差1.1 相关性1.2 计算协方差1.3 协方差与相关性1.4 协方差能让我们知道些什么信息?1.5 协方差无法让我们知道哪些信息? 1.协方差 笔记来源:Covariance, Clearly Explained!!! 在概率论与统计学中用于衡量两个随机变量的联合变化程度 1.1 相关性 以细胞中的基因X和基因Y的数量为例,下面给出了5个细胞中,每个细胞分别含有的基因X和基因Y的数量,我们计算出了这5个细胞含基因X数量的样本均值 xˉ\bar{x}xˉ 和含基因Y数量的样本均值 yˉ\b

一个搬运知识的笨小孩 1万+

压电阀控制器设计-总章

本文章用于回顾记录本人制作压电阀控制器的关键技术,本人所制作压电阀控制器已经上市得到应用,特在此对一些关键技术进行回顾记录,欢迎从事压电控制及压电阀相关人员一起讨论

qq_42712859的博客 850

方差,协方差,相关系数,协方差矩阵总结及python示例

方差 方差用来度量随机变量 X 与其数学期望 E(X) 的偏离程度。 随机变量 X 的离差 X-E(X) 的平方的数学期望叫做方差,公式为: D(X)=E[(X−EX)2]\ D(X) = E[(X - EX)^2]   方差总是一个非负数,当随机变量的可能值集中在数学期望的附近时,方差较小;反之方差较大。所以由方差的大小可以推断随机变量分布的分散程度。   python代码举例:import

cape的博客 1万+

图解5G HARQ-ACK反馈:从DCI解析到PUCCH发送的完整数据流

本文详细解析了5G通信系统中HARQ-ACK反馈机制的完整流程,从DCI解码到PUCCH发送的实战指南。重点介绍了HARQ-ACK码本生成、DCI关键参数解读以及PUCCH资源映射等核心技术环节,帮助工程师深入理解5G NR中的数据传输可靠性保障机制。

weixin_27722377的博客 397

协方差与相关系数关系

https://www.zhihu.com/question/20852004   原文不许转载,只摘取关于理解片段做记录 相关系数概念在评价图像的处理效果方面很有用,因为很多时候我们需要只要处理后图像与原图像的关系。 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,这时协方差就

崔浩的博客 3万+

【逆强化学习-1】学徒学习(Apprenticeship Learning)

逆强化学习算法1:学徒学习。算法原理+算法步骤+代码+仿真:一个基于gym的小车上山的仿真。附赠学徒学习+Q-Table及学徒学习+DQN的全套代码。

体会编程语言独到的美 7495

手把手教你用CEFSharp打造防关联指纹浏览器(附完整代码)

本文详细介绍了如何基于CEFSharp框架,从零开始构建一个企业级的防关联指纹浏览器。通过剖析核心架构、多进程隔离实现、动态指纹混淆(如Canvas、WebGL)的实战代码,以及代理集成与性能优化,为跨境电商、广告投放等场景提供了一套可控、安全的开源解决方案。

fern8的博客 964

协方差矩阵与相关系数矩阵

本篇博客主要介绍一下方差、协方差及相关系数的相关知识,进而引入了协方差矩阵与相关系数矩阵,并结合相关实例进行说明。

夏小悠的博客 1万+

DIKW模型实战:用Obsidian打造个人知识库的5个关键步骤

本文详细介绍了如何利用DIKW模型在Obsidian中构建高效个人知识库的5个关键步骤,从数据收集到智慧应用的全流程实践。通过标记系统、信息加工引擎和知识结晶方法,帮助知识工作者实现从原始数据到决策智慧的认知跃迁,提升个人知识管理效率。

gamma的博客 578

协方差、相关系数(Pearson 相关系数)

概念:Pearson相关系数 (Pearson CorrelationCoefficient)是用来衡量两个数据集合是否在一条线上面,它用来衡量定距变量间的线性关系。[1] 注: 【定距变量】[2][3] 若想理解定距变量,需要与其他变量类型进行比对。 统计学依据数据的计量尺度将数据划分为四大类 ,即定距型数据、定序型数据、定类型数据和定比型数据。 1. 定距型数据是...

张之海的博客 7万+

(王道408考研数据结构)第八章排序-第一节:排序综述

文章目录一:排序一览二:简单插入排序(1)基本思想 一:排序一览 排序方法 类别 本文 时间复杂度 是否稳定 直接插入排序 插入排序 跳转 O(n2)O\left ( n^{2}\right )O(n2) 是 二叉树深度 简单 跳转 LeetCode 递归 翻转二叉树 简单 跳转 LeetCode 递归 相同的树 简单 跳转 LeetCode 递归 是否为子树 简单 跳转 LeetCode 递归 对称二叉树 简单 跳转 LeetCode 递归 平衡二叉树 简单 跳转

快乐江湖的博客 5493

即插即用系列(代码实践)| 2025 Strip R-CNN:大尺寸条形卷积——遥感目标检测新SOTA,专治细长目标(桥梁、船只)

摘要: 论文《Strip R-CNN: Large Strip Convolution for Remote Sensing Object Detection》针对遥感图像中细长目标(如桥梁、道路)检测难题,提出创新性解决方案。通过设计StripBlock模块,将传统方形卷积核替换为大尺寸条形卷积(水平1×19与垂直19×1组合),有效捕获长距离空间特征,同时减少背景噪声。结合CenterPooling增强目标中心定位,该模块可即插即用至现有网络,显著提升遥感检测任务(如DOTA数据集)的精度。代码已开源,

分享顶会顶刊论文即插即用模块 190

pandas 相关系数与协方差

相关系数与协方差 1、协方差(Covariance) 反映两个样本/变量之间的相互关系以及之间的相关程度。 期望值分别为E[X]与E[Y]的两个实随机变量X与Y之间的协方差Cov(X,Y)定义为: 如果有 X,Y两个变量,每个时刻的 "X值...

weixin_38477351的博客 5258

YOLOv11改进 | 网络结构代码逐行解析(一) | 项目目录构造分析

Hello,大家好这次给大家带来的不是改进,是整个YOLOv11项目的分析整个系列大概会更新5-7篇左右的文章从项目的目录到每一个功能代码的都会进行详细的讲解,下面开始进行YOLOv11逐行解析的第一篇——项目目录构造分析开头之前顺便给大家推荐一下我的专栏,本专栏更新上百余篇YOLOv11改进机制手把手教你添加到网络结构中,同时针对拿到模型不知道如何修改,不知道如何发表论文的读者进行针对性的文章介绍,本专栏质量分平均分96分,内容质量完全有所保证。

Snu77的博客 1万+

使用Python计算方差协方差相关系数

使用Python计算方差,协方差和相关系数 文章目录使用Python计算方差,协方差和相关系数数学定义期望方差协方差相关系数协方差矩阵使用NumPy包计算 数学定义 期望 设随机变量XXX只取有限个可能值ai(i=0,1,...,m)a_i (i=0, 1, ..., m)ai​(i=0,1,...,m),其概率分布为P(X=ai)=piP (X = a_i) = p_iP(X=ai​)=pi​....

给永远比拿愉快 2万+

NTscan扫描工具

ntscan是一个扫描器,可以扫描没有密码和弱密码的共享,先到配置文件中填写猜测的用户名和密码,扫描过程中右侧出现的是扫描日志。

VC中sqlite的使用

在VC中对sqlite的使用,实现数据库大批数据的快速插入,读取数据库中的数据在ListCtrl中显示

上一篇: 实对称正定矩阵存在平方根的证明
下一篇: Windows + Visual Studio 2012 + OpenCV 3.2安装配置教程
评论
成就一亿技术人!
拼手气红包6.0元
还能输入1000个字符
 
 条评论被折叠 查看
添加红包

请填写红包祝福语或标题

个

红包个数最小为10个

元

红包金额最低5元

当前余额3.43元 前往充值 >
需支付:10.00元
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付元
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值