引入
两组数据”看起来”有关联,用什么指标量化这个关联?
为什么相关系数一定落在 之间?超出这个范围意味着什么?
相关系数等于 ,是不是说明两组数据毫无关系?
正文
定义
皮尔逊积矩相关系数度量两组数据的变量 和 之间的线性相关程度。
公式的构成
| 部分 | 含义 |
|---|---|
| 分子 | 与 的协方差(未除以 ) |
| 分母 | 各自标准差之积 |
| 整体 | 用各自的离散程度归一化 |
为什么要归一化? 因为协方差受量纲影响:把身高从厘米换成米,协方差会变,但相关性没有变。除以标准差后, 无量纲,可以跨数据集比较。
取值范围
这个范围来自柯西-施瓦茨不等式:对任意实数序列,
取 、,即得分子不超过分母。
| 的值 | 含义 |
|---|---|
| 完全正线性相关,所有点在同一条上升直线上 | |
| 正相关, 越大越接近直线 | |
| 无线性相关 | |
| 负相关 | |
| 完全负线性相关 |
相关系数的意义
| 判读 | 说明 |
|---|---|
| 符号 | 正号表示同向变化,负号表示反向 |
| 绝对值 | 越接近 ,线性关系越强 |
| 经验分级 | 弱, 中等, 强(因领域而异) |
经验分级不是标准。在物理测量中 可能被视为偏低,在社会科学中 可能已算强相关。判断要结合具体领域。
三个常见误读
误读一: 意味着无关
不一定。 只度量线性关系:
| 数据关系 | |
|---|---|
| , | 接近 |
| ,一个周期 | 接近 |
| 圆形分布 |
这些数据明显有关,只是不是线性关系。判断相关性前应先画散点图。
误读二:相关意味着因果
| 情况 | 说明 |
|---|---|
| 冰淇淋销量与溺水人数正相关 | 共同原因是气温 |
| 冰棍销量与空调销量正相关 | 共同原因是气温 |
这类现象称为混杂因素。相关只说明”同时变化”,不说明”谁导致谁”。
误读三: 大就说明拟合好
描述的是线性关系的强度,但它不告诉你斜率是否合理、残差是否随机。回归分析中还需要看残差图。
计算步骤
| 步骤 | 操作 |
|---|---|
| 1 | 求 、 |
| 2 | 算各点的 、 |
| 3 | 求 |
| 4 | 求两个平方和 |
| 5 | 代入公式 |
注意样本方差的分母:相关系数公式中分子分母同时含 或 ,会相互抵消,所以用哪个都不影响 的值。
与回归系数的关系
其中 是回归直线 的斜率。
| 量 | 含义 |
|---|---|
| 无量纲,衡量关联强度 | |
| 有量纲,衡量 每变 单位 变多少 |
与 的符号必然相同,但大小没有固定关系—— 受量纲影响, 不受。
常见误区
| 错误说法 | 问题 |
|---|---|
| ” 说明独立” | 只说明无线性相关 |
| ”相关就是因果” | 可能存在混杂因素 |
| ” 越大拟合越好” | 还需看残差与模型假设 |
| ” 可以超过 “ | 柯西-施瓦茨不等式保证不超过 |
| ” 是百分数” | 是 之间的纯数,平方后才是解释比例 |
引出
为什么能解释为”变异被解释的比例”?
非线性关系如何度量?秩相关与皮尔逊相关有何不同?
如果样本很小, 的可靠性如何评估?