Багатовимірні дискретні величини; сумісний розподіл; кореляційна матриця
Розділ: Прикладна математика
📌 Про що ця тема
Тут вивчають, як описати ОДНОЧАСНО дві або більше випадкові величини (наприклад, зріст і вагу людини). Ключові поняття: сумісний (спільний) розподіл, маргінальні розподіли, коваріація і кореляція. Головне, що перевіряють, — уміння скласти таблицю сумісного розподілу, порахувати ймовірності та оцінити звʼязок між величинами.
📖 Головне
• Багатовимірна дискретна величина — це набір із кількох величин (X, Y, …), що набувають дискретних значень. Для двох величин розподіл задають ТАБЛИЦЕЮ: рядки — значення X, стовпці — значення Y, у клітинках — ймовірності p(xi, yj).
• Сумісний розподіл: сума ВСІХ клітинок таблиці = 1. Кожна p(xi, yj) ≥ 0.
• Маргінальний (частковий) розподіл X: p(xi) = сума по всьому рядку. Для Y: p(yj) = сума по всьому стовпці.
• Незалежність: X і Y незалежні, якщо p(xi, yj) = p(xi)·p(yj) для ВСІХ клітинок. Якщо хоч одна рівність порушена — залежні.
• Математичне сподівання: M(X) = Σ xi·p(xi). Так само M(Y).
• Дисперсія: D(X) = M(X²) − (M(X))². Стандартне відхилення σ = √D.
• Коваріація: cov(X,Y) = M(XY) − M(X)·M(Y), де M(XY) = Σ xi·yj·p(xi,yj). Показує напрям звʼязку.
• Коефіцієнт кореляції: r = cov(X,Y) / (σX·σY). Завжди −1 ≤ r ≤ 1.
• r > 0 — прямий звʼязок, r < 0 — обернений, r = 0 — лінійного звʼязку немає. |r| ближче до 1 — звʼязок сильніший.
• Якщо X і Y незалежні, то cov = 0 і r = 0. Обернене НЕ завжди вірно.
• Кореляційна матриця — квадратна таблиця коефіцієнтів кореляції між усіма парами величин. На головній діагоналі завжди 1 (кореляція величини із собою). Матриця симетрична.
🔢 Як це працює на прикладі
Таблиця сумісного розподілу (X: 0,1; Y: 0,1):
p(0,0)=0,2; p(0,1)=0,3; p(1,0)=0,1; p(1,1)=0,4. Сума = 1 ✓
Маргінальні: p(X=0)=0,2+0,3=0,5; p(X=1)=0,5. p(Y=0)=0,3; p(Y=1)=0,7.
M(X)=0·0,5+1·0,5=0,5. M(Y)=0·0,3+1·0,7=0,7.
M(XY)=1·1·0,4=0,4 (ненульовий тільки доданок x=1,y=1).
cov=0,4 − 0,5·0,7 = 0,4 − 0,35 = 0,05 > 0 → прямий звʼязок.
Перевірка незалежності: p(0,0)=0,2, а p(X=0)·p(Y=0)=0,5·0,3=0,15 ≠ 0,2 → величини ЗАЛЕЖНІ.
🎯 Типові помилки
• Плутають сумісну ймовірність p(xi,yj) з маргінальною p(xi) — перша стоїть у клітинці, друга є сумою рядка/стовпця.
• Забувають перевірити, що сума всіх клітинок = 1, і беруть неузгоджену таблицю.
• Вважають: «cov=0 → величини незалежні». Насправді з незалежності випливає cov=0, але не навпаки.
• У формулі M(XY) множать на ймовірність маргінальну, а треба на сумісну p(xi,yj).
• Забувають, що на діагоналі кореляційної матриці завжди 1, а не дисперсія.
🎯 Що завчити напамʼять
• Сума всіх p(xi,yj) = 1.
• Маргінальний розподіл = сума рядка (стовпця).
• Незалежність: p(xi,yj)=p(xi)·p(yj).
• cov(X,Y)=M(XY)−M(X)·M(Y).
• r=cov/(σX·σY), −1≤r≤1.
• Діагональ кореляційної матриці = 1, матриця симетрична.
🧠 Перевір себе
1. Чому дорівнює сума всіх клітинок таблиці сумісного розподілу?
2. Як отримати маргінальний розподіл X?
3. Якщо cov(X,Y)=0, чи обовʼязково X і Y незалежні?
4. Що стоїть на головній діагоналі кореляційної матриці?
Відповіді: 1 — одиниці; 2 — підсумувати ймовірності по кожному рядку X; 3 — ні, незалежність дає cov=0, але не навпаки; 4 — одиниці (кореляція величини із собою).