相关系数与协方差的关系

1、 探究协方差与相关系数 罗燕摘要：协方差是描述二维随机变量两个分量间相互关联程度的一个特征数，如果将协方差相应标准化变量就得到相关系数。从而可以引进相关系数去刻画二维随机变量两个分量间相互关联程度。且事实表明，相关系数明显被广泛应用。本文的目的在于从协方差与相关系数的关系的角度去探讨协方差与相关系数的优缺点，并具体介绍协方差和相关系数这两个描述二维随机变量间相关性的特征数。关键字：协方差 相关系数 相互关联程度 1 协方差、相关系数的定义及性质 设（X ，Y）是一个二维随机变量，若E X-E(X) Y-E(Y) 存在，则称此数学期望为X与Y的协方差，并记为Cov(X,Y)=E X-E(X) Y

2、-E(Y) ，特别有Cov(X,X)=。从协方差的定义可以看出，它是X的偏差“X-E(X) ”与Y的偏差“Y-E(Y)”的乘积的数学期望。由于偏差可正可负，故协方差也可正可负，也可为零，其具体表现如下：当Cov(X,Y)0时，称X与Y正相关，这时两个偏差 X-E(X) 与 Y-E(Y) 同时增加或同时减少，由于E(X)与E(Y)都是常数，故等价于X与Y同时增加或同时减少，这就是正相关的含义。当Cov(X,Y)0,0.则称 =为X与Y的（线性）相关系数。利用施瓦茨不等式我们不难得到-11.也就是说相关系数是介于-1到1之间的，并且可以对它作以下几点说明：若=0，则称X与Y不相关。不相关是指X与Y

3、没有线性关系，但也有可能有其他关系，比如平方关系、立方关系等。若=1，则称X与Y完全正相关；若=-1，则称X与Y完全,负相关。若00，由协方差Cov(U,V)=3是恒大于0的，再由相关系数=，就很好的说明协方差与相关系数均可以反映二维随机变量关联程度。我们再看下一个例题，看能否能出这个结论呢？例二 将一枚硬币重复掷n次，以X和Y分别表示正面向上和反面向上的次数，试求X 和Y的协方差和相关系数。 解：因为X+Y=n，且Xb（n，1/2），Yb（n，1/2），所以 (X) =(Y)=， Cov(X,Y)=Cov(X ,nX)=Cov(X,X)= = =1 我们假定n=1，Cov(X,Y)=；n=1

4、00，Cov(X,Y)=25；n=10000，Cov(X,Y)=2500我们可以得出，随着n的增大，协方差Cov(X,Y)就越来越小，随之X与Y的负相关性就表现得越来越强烈。就有Cov(X,Y)=，X与Y间是完全负相关的。又由于=1，表明X与Y间是完全负相关的。其实，这个结论早就蕴含在线性关系式X+Y=n之中了。综上，就说明：在某种情况下，协方差和相关系数在反映X与Y间的关联程度时保持一致性。若是这样的话，研究相关系数似乎有点多余了。因为，我们已经有一个可以反映X与Y间的关联程度的量了（即协方差），那我们能否找出相关系数更优秀的地方呢？3 协方差与相关系数的“矛盾性” 越接近1，则线性相关程度

5、越高；越接近0，则线性相关程度越低。而协方差看不出这一点。若协方差很小，而其两个标准差和也很小，则其比值就不一定小，下面我们来看实例。例三 已知随机向量(X,Y)的联合密度函数为 其他 求X,Y的协方差及相关系数。 解：先计算两个边际密度函数，再分别计算、 、及。 最后得协方差和相关系数为 =0.0471 =0.8243这个协方差很小，但其相关系数并不小。从相关系数=0.8243看，X与Y有相当程度的正相关；但从相应的协方差=0.0471看，X与Y的相关性很微弱，几乎可以忽略不计。造成这种错觉的原因在于没有考虑标准差，若两个标准差都很小，即使协方差小一些，相关系数也能显示一定程度的相关性。由此可见，在协方差的基础上加工形成的相关系数是更为重要的相关性的特征数。参考文献1 茆诗松，程依明，濮晓龙.概率论与数理统计教程