Теория вероятности

Корреляция и причинность

Задача «соотнесите коэффициент корреляции и диаграмму рассеяния» встречается постоянно. А вопрос «можно ли сказать, что X влияет на Y» — в каждой задаче с данными.

Коэффициент корреляции Пирсона

r = Σ(xᵢ − x̄)(yᵢ − ȳ) / √( Σ(xᵢ − x̄)² · Σ(yᵢ − ȳ)² )
  • −1 ≤ r ≤ 1.
  • Знак — направление связи: r > 0 — с ростом X растёт Y.
  • |r| — насколько точно точки ложатся на прямую. Наклон прямой тут ни при чём.
  • r не меняется, если X или Y сдвинуть или умножить на положительное число (перевести рубли в тысячи рублей). При умножении на отрицательное число знак r меняется.
  • r² — доля разброса Y, которую объясняет линейная зависимость от X (в парной регрессии r² = R²).

Как сопоставить r и картинку

|r|Как выглядит облако точек
0,9–1узкая «сосиска» почти по прямой
0,6–0,8вытянутый эллипс, наклон хорошо виден
0,3–0,5широкое облако, наклон угадывается
0–0,15круглое облако или явная нелинейность

Алгоритм

  1. Разделите графики по знаку: облако идёт вверх или вниз.
  2. Внутри каждой группы упорядочьте графики по тому, насколько облако узкое.
  3. Самое узкое облако получает самый большой |r|.

Где корреляция обманывает

  • Нелинейная связь. Если точки лежат на параболе, r ≈ 0, хотя связь идеальная. r = 0 значит «нет линейной связи».
  • Выбросы. Одна далёкая точка может создать сильную корреляцию на пустом месте или уничтожить настоящую.
  • Смесь групп. Внутри каждой группы связь может быть отрицательной, а в объединённых данных — положительной (см. парадокс Симпсона).
  • Узкий диапазон. Если оставить только отличников, корреляция «оценка ~ часы занятий» ослабнет.

Корреляция Спирмена считается по рангам. Она ловит любую монотонную связь и меньше реагирует на выбросы.

Корреляция ≠ причинность

Если X и Y связаны, возможны такие объяснения:

  1. X влияет на Y.
  2. Обратная причинность: Y влияет на X. В богатых странах много врачей, потому что страна богатая, а не наоборот.
  3. Общий скрытый фактор (конфаундер) влияет на оба. Продажи мороженого и число утоплений растут из-за жары.
  4. Отбор: из-за того, как набрана выборка, появляется связь, которой нет во всей совокупности.
  5. Случайность: если перебрать много пар переменных, какие-то окажутся связаны случайно.

Как всё-таки проверять, что X влияет на Y, разобрано на странице про причинный анализ.

Ещё примеры

Корреляция между ростом в сантиметрах и весом равна 0,7. Чему она будет равна, если рост перевести в метры?

Тоже 0,7: от масштаба r не зависит.

В городах, где больше пожарных, больше ущерб от пожаров. Значит ли это, что пожарные вредят?

Нет. Скорее всего, есть общий фактор: размер города и число пожаров. Возможна и обратная связь: где пожаров больше, туда направляют больше пожарных.