Covariància: diferència entre les revisions

Dins l'entorn de l'estadística la covariància és una mesura de dispersió conjunta de dues variables estadístiques.

La covariància ${\displaystyle S(X,Y)}$ de dues variables aleatòries ${\displaystyle X}$ i ${\displaystyle Y}$ (de vegades també expressada ${\displaystyle Cov(X,Y)}$) es defineix com:

${\displaystyle S_{XY}={\operatorname {E} ([X-\operatorname {E} (X)][Y-\operatorname {E} (Y)])},}$

on ${\displaystyle \operatorname {E} (\cdot )}$ és l'operador esperança. Per a distribucions discretes la fórmula anterior es concreta en:

${\displaystyle S_{xy}={\frac {1}{n}}\sum _{i=1}^{n}{(x_{i}-{\overline {x}})(y_{i}-{\overline {y}})}={1 \over n}\sum _{i,j}^{n}{x_{i.}y_{.j}n_{ij}}-{\overline {x}}{\overline {y}}}$

Quan les variables aleatòries ${\displaystyle X}$ i ${\displaystyle Y}$ són n-dimensionals, és a dir, ${\displaystyle X=(X_{1},\ldots ,x_{n})^{t}}$ i ${\displaystyle Y=(i_{1},\ldots ,Y_{n})^{t}}$, la seva matriu de covariàncies ${\displaystyle \sigma _{XY}}$ és:

${\displaystyle \sigma _{XY}={\operatorname {E} ([X-\operatorname {E} (X)][Y-\operatorname {E} (Y)]^{t})}}$

on ${\displaystyle \operatorname {E} (\cdot )}$ és l'operador esperança.

Les propietats de la covariància són les següents:

1. Si tots els valors de la variable x, els sumem una constant kya tots els valors de la variable i, els sumem una constant k ', la covariància no varia.
2. Si tots els valors d'una variable x els multipliquem per una constant kya tots els valors de la variable i, els multipliquem per una constant k ', el seu covariància queda multiplicada pel producte de les constants.
3. A partir de les anteriors: si tenim dos variable SX, i amb la covariància ${\displaystyle s_{xi}}$, i transformacions lineals de les variables de la forma z = ax+b, it = ci+d, la nova covariància es relaciona amb l'anterior de la forma: ${\displaystyle s_{ZT}=acS_{xi}}$.
4. ${\displaystyle Cov(x,y)=Cov(y,x)}$

Si X , Y , W , i V són variables aleatòries de valors reals i a , b , c , d són constants ("constant" en aquest context significa no aleatori), després les següents veritats són conseqüència de la definició de covariància:

${\displaystyle \operatorname {Cov} (X,a)=0\,}$

${\displaystyle \operatorname {Cov} (X,X)=\operatorname {Var} (X)\,}$

${\displaystyle \operatorname {Cov} (X,Y)=\operatorname {Cov} (Y,X)\,}$

${\displaystyle \operatorname {Cov} (aX,bY)=ab\,\operatorname {Cov} (X,Y)\,}$

${\displaystyle \operatorname {Cov} (X+a,Y+b)=\operatorname {Cov} (X,Y)\,}$

${\displaystyle \operatorname {Cov} (aX+bY,cW+dV)=ac\,\operatorname {Cov} (X,W)+ad\,\operatorname {Cov} (X,V)+bc\,\operatorname {Cov} (Y,W)+bd\,\operatorname {Cov} (Y,V)\,}$

La covariància es pot calcular de forma eficient incrementant els valors disponibles utilitzant una generalització de la fórmula per al càlcul de la variància:

${\displaystyle \operatorname {Cov} (X_{i},X_{j})=\operatorname {E} \left((X_{i}-\operatorname {E} (X_{i}))(X_{j}-\operatorname {E} (X_{j}))\right)=\operatorname {E} (X_{i}X_{j})-\operatorname {E} (X_{i})\operatorname {E} (X_{j})}$

Si X i Y són independents, llavors la seva covariància és zero. Això passa per la propietat d'independència,

${\displaystyle \operatorname {E} (X\cdot Y)=E(X)\cdot E(Y).}$

El contrari, però, generalment no és cert: Alguns parells de variables aleatòries tenen covariància zero tot i que no són independents. Sota algunes hipòtesis addicionals, la covariància de valor zero implica independència, com per exemple en el cas de la distribució normal multivariant.

La majoria de les propietats de la covariància poden extreure dels seus similituds que comparteixen amb les del producte escalar:

1. Bilinealitat: per a les constants a i b , i les variables aleatòries X , Y , i U , Cov ( aX + BY , U ) = a Cov ( X , U )+ b Cov ( Y , U )
2. Simètriques: Cov ( X , Y ) = Cov ( Y , X )
3. Positiu definit: Var ( X ) = Cov ( X , X ) ≥ 0, i Cov ( X , X ) = 0 impliquen que X és una variable aleatòria constant ( K ).

Pot demostrar-se que la covariància és un producte interior sobre alguns subespais dels espais vectorials de variables aleatòries de moments finits.

• Regressió lineal
• Correlació
• ANOVA
• ANCOVA
• Variància