Entendendo que


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Acabei de ver esta pergunta e a maravilhosa resposta aceita neste fórum. Fui então desencadeado para tentar entender intuitivamente por que a divisão de SxSy está normalizando a covariância:

COV⁡(X,Y)SxSy∈[−1,1]

Eu acho que será útil Se eu apenas entender por que SxSx normaliza o COV⁡(X,X) como 1 . Claro que entendo que, por definição, são iguais. Mas minha pergunta é basicamente a seguinte: usando a terminologia da resposta aceita, por que a soma total de vermelho no gráfico é exatamente SxSx=VAR⁡(X) (mais preciso, tanto quanto eu entendo, é dizer a soma de os retângulos divididos por n2 devem ser VAR⁡(X) ). Quero dizer, se tirarmos amostra de10 observações, do que temos45 retângulos, enquanto usamos a definição, temos que encontrar a média de apenas10 valores.

Respostas:


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Este post apresenta um método poderoso de raciocínio que evita uma grande quantidade de álgebra e cálculo. Para aqueles familiarizados com esse método, o trabalho é tão automático e natural que a resposta inicial de alguém a uma pergunta como essa é "é óbvio!" Mas talvez não seja tão óbvio até você ver o método. Portanto, todos os detalhes são explicados passo a passo.

fundo

Existem várias fórmulas para a variação dos dados (com média ˉ x = ( x 1 + ⋯ + x n ) / n ), incluindox=x1,x2,…,xnx¯=(x1+⋯+xn)/n

(1)Var⁡(x)=1n∑i=1n(xi−x¯)2=1n(∑i=1nxi2)−x¯2.

Isso determina a covariância dos dados emparelhados via(x1,y1),…,(xn,yn)

Cov⁡(x,y)=14(Var⁡(x+y)−Var⁡(x−y)).

A fórmula implícita no posto de covariância com giz de cera mencionado é

(2)C(x,y)=∑i=1n−1∑j=i+1n(xj−xi)(yj−yi)=12∑i,j=1n(xj−xi)(yj−yi).

Esse post afirma que é proporcional à covariância. A constante de proporcionalidade c ( n ) pode (e faz) variar com n . Assim, quando x = y, uma implicação dessa afirmação é queCc(n)nx=y

C(x,x)=c(n)Var⁡(x).

Análise

Embora isso possa ser demonstrado com álgebra de força bruta, existe uma maneira melhor: vamos explorar as propriedades fundamentais da covariância. Quais seriam essas propriedades? Eu gostaria de sugerir o seguinte é básico:

  1. Independência de localização. Ou seja, para qualquer número a . (A expressão x - a refere-se ao conjunto de dados x 1 - a , x 2 - a , … , x n - a .)

    Cov⁡(x,y)=Cov⁡(x−a,y)
    ax−ax1−a,x2−a,…,xn−a
  2. Multilinearidade. Isso implica para qualquer número λ . (A expressão λ x refere-se ao conjunto de dados λ x 1 , λ x 2 , … , λ x n .)

    Cov⁡(λx,y)=λCov⁡(x,y)
    λλxλx1,λx2,…,λxn
  3. Simetria. A covariância de e y é a covariância de y e x : Cov ( x , y ) = Cov ( y , x ) .xyyx

    Cov⁡(x,y)=Cov⁡(y,x).
  4. (xi,yi)

    Cov⁡(x,y)=Cov⁡(xσ,yσ)
    σ∈Snxσxiσxσ=xσ(1),xσ(2),…,xσ(n).

VarC(1)(2)xi

xi−x¯=(xi−a)−x−a¯

e

xj−xi=(xj−a)−(xi−a).

(1)(2)


Solução

Ccij=cji

C(x,y)=∑i,j=1ncijxiyj.

cij=ci′j′i,j,i′,j′i≠ji′≠j′cii=ci′i′ii′Cc11c12

0=C(0,0)=location-invarianceC(1,0)=symmetryC(0,1)=location-invarianceC(1,1)

01n

0=C(1,1)=∑i,jncij=nc11+(n2−n)c12,
c11c12

CCov(1)(2)x12c11(1)x121/n−(1/n)2(2)y=xx12n−1(x,x)n−1n−1

c(n)=n−11/n−(1/n)2=n2,

QED . Este foi o único cálculo necessário para demonstrar

Cov⁡(x,y)=1n2C(x,y)=1n2∑i=1n−1∑j=i+1n(xj−xi)(yj−yi).
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