Statistik

Kapitel 3 · Bivariate deskriptive Statistik

Kovarianz & Korrelation

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Vom Streudiagramm zur Kovarianz

Das Streudiagramm (Scatterplot) zeigt die Punktwolke (xi,yi)(x_i, y_i). Die Abweichungsprodukte (xi−xˉ)(yi−yˉ)(x_i - \bar x)(y_i - \bar y) sind positiv im 1./3. Quadranten (bezogen auf den Schwerpunkt (xˉ,yˉ)(\bar x, \bar y)) und negativ im 2./4. Ihre Summe, geteilt durch nn, ist die empirische Kovarianz:

s~XY=1n∑i=1n(xi−xˉ)(yi−yˉ)\tilde s_{XY} = \frac{1}{n}\sum_{i=1}^n (x_i - \bar x)(y_i - \bar y)

Sie ist positiv/negativ je nach Richtung — aber nicht normiert (sie hängt von den Maßeinheiten ab). Die Kovarianz mit Nenner n−1n-1 heißt sXYs_{XY}.

Pearson-Korrelation

Teilt man die Kovarianz durch das Produkt der Standardabweichungen, erhält man den dimensionslosen Bravais-Pearson-Korrelationskoeffizienten:

r=∑i(xi−xˉ)(yi−yˉ)∑i(xi−xˉ)2 ∑i(yi−yˉ)2,−1≤r≤1r = \frac{\sum_i (x_i-\bar x)(y_i-\bar y)}{\sqrt{\sum_i (x_i-\bar x)^2}\,\sqrt{\sum_i (y_i-\bar y)^2}}, \qquad -1 \le r \le 1

Ziehe selbst Punkte und beobachte rr, die Regressionsgerade und R2R^2 live:

r = 0.935 (stark)R² = 0.874ŷ = 1.11 + 0.81·x

Klick setzt einen Punkt, Ziehen verschiebt ihn. Probiere eine Punktwolke mit r ≈ 0 und eine mit einem Ausreißer, der r kippt.

Faustregel: ∣r∣<0,5|r| < 0{,}5 schwach, 0,5≤∣r∣<0,80{,}5 \le |r| < 0{,}8 mittel, 0,8≤∣r∣0{,}8 \le |r| stark.

Spearman, Ausreißer und Anscombe

rr misst nur lineare Zusammenhänge und reagiert empfindlich auf Ausreißer — ein einzelner Punkt kann rr von ≈0\approx 0 auf nahe 11 ziehen. Das berühmte Anscombe-Quartett zeigt vier völlig verschiedene Punktwolken mit identischem r=0,82r = 0{,}82. Deshalb: rr immer zusammen mit dem Streudiagramm interpretieren.

Für ordinale Daten oder robustere Aussagen nutzt man Spearmans rSPr_{SP} — Pearson angewandt auf die Ränge. Es erfasst monotone Zusammenhänge.

Eine zweite Rangkorrelation ist Kendalls τ\tau: Sie zählt konkordante Paare (gleiche Richtung in xx und yy, CC) gegen diskordante (DD):

τb=C−D(C+D+Tx)(C+D+Ty)\tau_b = \frac{C - D}{\sqrt{(C+D+T_x)(C+D+T_y)}}

(Tx,TyT_x, T_y = nur in xx bzw. nur in yy gebundene Paare). τ\tau ist interpretierbar als Differenz der Anteile gleich- und gegenläufiger Paare.

Korrelation ≠ Kausalität

Die wichtigste Klausur- und Lebensfalle: Korrelation misst nur einen statistischen Zusammenhang. Sie sagt nichts über Ursache und Wirkung und nicht über die Richtung (X↔YX \leftrightarrow Y, nicht X→YX \to Y). Eine dritte Variable kann beide treiben (Scheinkorrelation).

Quellen:K03 S.151, K03 S.153, K03 S.161, K03 S.169, K03 S.171, K03 S.179, K03 S.180, K03 S.199

Abruf-Quiz

Frage 1 / 4

Punktwolke mit ∑(xi−xˉ)(yi−yˉ)=68\sum(x_i-\bar x)(y_i-\bar y)=68, ∑(xi−xˉ)2=68\sum(x_i-\bar x)^2=68, ∑(yi−yˉ)2=94\sum(y_i-\bar y)^2=94. Wie groß ist Pearsons rr? (2 Nachkommastellen)