Почему инверсия ковариационной матрицы дает частичные корреляции между случайными величинами?


32

Я слышал, что частичные корреляции между случайными переменными можно найти, инвертировав ковариационную матрицу и взяв соответствующие ячейки из такой результирующей матрицы точности (этот факт упоминается в http://en.wikipedia.org/wiki/Partial_correlation , но без доказательства) ,

Почему это так?


1
Если вы хотите получить частичную корреляцию в ячейке, контролируемой для всех других переменных, то последний абзац здесь может пролить свет.
— ttnphns

Ответы:


34

Когда многомерная случайная величина имеет невырожденную ковариационную матрицу , множество все действительные линейные комбинации образуют мерное вещественное векторное пространство с базисом и невырожденным внутренним произведением, задаваемымC = ( γ i j ) = ( Cov ( X i , X j ) ) X i n E = ( X 1 , X 2 , … , X n )(X1,X2,…,Xn)C=(γij)=(Cov(Xi,Xj))XinE=(X1,X2,…,Xn)

⟨Xi,Xj⟩=γij .

Его двойной базис относительно этого внутреннего произведения , , однозначно определяется отношениямиE∗=(X1∗,X2∗,…,Xn∗)

⟨Xi∗,Xj⟩=δij ,

дельта Кронекера (равна когда и противном случае).я = J 01i=j0

Двойственный базис представляет интерес здесь, потому что частичная корреляция и получается как корреляция между частью которая остается после проецирования его в пространство, охватываемое всеми другими векторами (давайте просто назовем его «остаточным», ) и сопоставимая часть , его остаточный . И все же - это вектор, который ортогонален всем векторам, кроме и имеет положительное внутреннее произведение на поэтому должно быть неотрицательным кратным , а также дляX j X i X i ∘ X j X j ∘ X ∗ i X i X i X i ∘ X ∗ i X jXiXjXiXi∘XjXj∘Xi∗XiXiXi∘Xi∗Xj, Поэтому давайте напишем

Xi∘=λiXi∗, Xj∘=λjXj∗

для положительных действительных чисел и .λ jλiλj

Частичная корреляция - это нормализованное скалярное произведение остатков, которое не изменяется при масштабировании:

ρij∘=⟨Xi∘,Xj∘⟩⟨Xi∘,Xi∘⟩⟨Xj∘,Xj∘⟩=λiλj⟨Xi∗,Xj∗⟩λi2⟨Xi∗,Xi∗⟩λj2⟨Xj∗,Xj∗⟩=⟨Xi∗,Xj∗⟩⟨Xi∗,Xi∗⟩⟨Xj∗,Xj∗⟩ .

(В любом случае частичная корреляция будет равна нулю всякий раз, когда остатки ортогональны, независимо от того, являются ли они ненулевыми.)

Нам нужно найти внутренние произведения двойных базисных элементов. С этой целью разверните двойные базисные элементы в терминах исходного базиса :E

Xi∗=∑j=1nβijXj .

Тогда по определению

δik=⟨Xi∗,Xk⟩=∑j=1nβij⟨Xj,Xk⟩=∑j=1nβijγjk .

В матричной записи с единичной матрицей и матрицей изменения базиса это означаетB = ( β i j )I=(δij)B=(βij)

I=BC .

То есть, , это именно то, что утверждает статья в Википедии. Предыдущая формула для частичной корреляции даетB=C−1

ρij⋅=βijβiiβjj=Cij−1Cii−1Cjj−1 .

3
+1, отличный ответ. Но почему вы называете этот двойной базис «двойным базисом по отношению к этому внутреннему продукту» - что именно означает «по отношению к этому внутреннему продукту»? Похоже, что вы используете термин «двойной базис», как здесь определено mathworld.wolfram.com/DualVectorSpace.html во втором абзаце («При заданном базисе векторного пространства для существует двойной базис ..» . ") или здесь en.wikipedia.org/wiki/Dual_basis , и он не зависит от любого скалярного продукта. Vv1,...,vnV
— амеба говорит восстановить монику

3
@amoeba Есть два вида парных. (Естественным) дуальным любого векторного пространства над полем является множество линейных функций , называемое . Не существует канонического способа отождествления с , даже если они имеют одинаковую размерность, когда конечномерно. Любому внутреннему произведению соответствует такое отображение , и наоборот , через(Невырожденность гарантирует, что является изоморфизмом векторного пространства.) Это дает возможность просматривать элементыR ϕ : V → R V ∗ V ∗ V V γ g : V → V ∗ g ( v ) ( w ) = γ ( v , w ) . γ g V V ∗ γVRϕ:V→RV∗V∗VVγg:V→V∗
g(v)(w)=γ(v,w).
γgVкак будто они были элементами дуального но это зависит от . V∗γ
— whuber

3
@mpettis Эти точки было трудно заметить. Я заменил их маленькими открытыми кружками, чтобы облегчить чтение обозначений. Спасибо за указание на это.
— whuber

4
Ответы Самолета @ Энди Рона Кристенсена на сложные вопросы могут быть тем, что вы ищете. К сожалению, его подход делает (ИМХО) чрезмерное использование координатных аргументов и расчетов. В оригинальном введении (см. Стр. XIII) Кристенсен объясняет это по педагогическим причинам.
— whuber

3
@whuber, ваши доказательства потрясающие. Интересно, есть ли в какой-либо книге или статье такое доказательство, чтобы я мог ссылаться?
— Гарри

12

Вот доказательство с помощью только матричных вычислений.

Я ценю ответ по whuber. Это очень проницательно по математике за сценой. Однако все еще не так тривиально, как использовать его ответ для получения знака минус в формуле, указанной в википедии Partial_correlation # Using_matrix_inversion .

ρXiXj⋅V∖{Xi,Xj}=−pijpiipjj

Чтобы получить этот знак минус, вот другое доказательство, которое я нашел в «Графических моделях Lauriten 1995». Это просто делается с помощью некоторых матричных расчетов.

Ключом является следующая идентификационная матрица: где E = A - B D - 1 C , и .

(ABCD)−1=(E−1−E−1G−FE−1D−1+FE−1G)
E=A−BD−1CG = B D - 1F=D−1CG=BD−1

Запишите ковариационную матрицу как где - это ковариационная матрица из и является ковариационной матрицей из .

Ω=(Ω11Ω12Ω21Ω22)
Ω11(Xi,Xj)Ω22V∖{Xi,Xj}

Пусть . Аналогично, запишите как P=Ω−1P

P=(P11P12P21P22)

По ключевой матричной идентичности

P11−1=Ω11−Ω12Ω22−1Ω21

Ω11−Ω12Ω22−1Ω21(Xi,Xj)|V∖{Xi,Xj}

ρXiXj⋅V∖{Xi,Xj}=[P11−1]12[P11−1]11[P11−1]22.
(k,l)M[M]kl

([P11−1]11[P11−1]12[P11−1]21[P11−1]22)=P11−1=1detP11([P11]22−[P11]12−[P11]21[P11]11)

ρXiXj⋅V∖{Xi,Xj}=[P11−1]12[P11−1]11[P11−1]22=−1detP11[P11]121detP11[P11]221detP11[P11]11=−[P11]12[P11]22[P11]11

Если мы позволим i=j, то rho_ii V\{X_i, X_i} = -1, Как мы интерпретируем эти диагональные элементы в матрице точности?
— Джейсон

Хорошая точка зрения. Формула должна быть действительной только для i = / = j. Из доказательства знак минус исходит из инверсии матрицы 2 на 2. Этого не произойдет, если я = J.
— По С.

Таким образом, диагональные числа не могут быть связаны с частичной корреляцией. Что они представляют? Они не просто противоположности дисперсий, не так ли?
— Джейсон

Эта формула действительна для i = / = j. Это бессмысленно для i = j.
— По С.

4

XiXjn−1XiXjn−2ϵiϵjρϵiϵj−ρ

Это объясняет путаницу в комментариях выше, а также в Википедии. Второе определение используется повсеместно из того, что я могу сказать, поэтому должен быть отрицательный знак.

Первоначально я опубликовал правку для другого ответа, но допустил ошибку - извините за это!

Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.