Означает ли ковариация, равная нулю, независимость для двоичных случайных величин?


14

Если и - две случайные величины, которые могут принимать только два возможных состояния, как я могу показать, что подразумевает независимость? Этот вид противоречит тому, что я узнал в тот день, что не подразумевает независимость ...XYCov(X,Y)=0Cov(X,Y)=0

Подсказка говорит, что нужно начинать с и как возможных состояний и обобщать оттуда. И я могу сделать это и показать , но это не означает независимость ???10E(XY)=E(X)E(Y)

Вид путать, как это сделать математически, я думаю.


Это не совсем так, как подсказывает заголовок вашего вопроса ..
— Майкл Р. Черник

5
Утверждение, которое вы пытаетесь доказать, действительно верно. Если X и Y являются случайными величинами Бернулли параметрами p 1p1 и p2 соответственно, то E[X]=p1 и E[Y]=p2 . Итак, cov⁡(X,Y)=E[XY]−E[X]E[Y] равно 0только тогда , когда E[XY]=P{X=1,Y=1} равна p1p2=P{X=1}P{Y=1} , показывающий , что {X=1} и {Y=1} являются независимые события . Это стандартный результат, если A и Bявляются парой независимых событий, то же самое происходит с независимыми событиями A,Bc и Ac,B и Ac,Bc , то есть X и Y являются независимыми случайными величинами. Теперь обобщите.
— Дилип

Ответы:


23

Для двоичных переменных их ожидаемое значение равно вероятности того, что они равны единице. Следовательно,

E(XY)=P(XY=1)=P(X=1∩Y=1)E(X)=P(X=1)E(Y)=P(Y=1)

Если два имеют нулевую ковариацию, это означает, что E(XY)=E(X)E(Y) , что означает

P(X=1∩Y=1)=P(X=1)⋅P(Y=1)

Тривиально также увидеть, как все другие совместные вероятности умножаются, используя основные правила о независимых событиях (т. Е. Если A и B независимы, то их дополнения независимы и т. Д.), Что означает, что объединенная функция массы факторизуется, что является определением двух случайных величин, являющихся независимыми.


2
Краткий и элегантный. Классный! +1 = D
— Марсело Вентура

9

И корреляция, и ковариация измеряют линейную связь между двумя заданными переменными, и она не обязана обнаруживать какую-либо другую форму ассоциации.

Таким образом, эти две переменные могут быть связаны несколькими другими нелинейными способами, и ковариация (и, следовательно, корреляция) не может отличить от независимого случая.

Как очень дидактические, искусственный и не реалистичный пример, можно считать X такое , что P(X=x)=1/3 для x=−1,0,1 , а также рассмотреть Y=X2 . Обратите внимание, что они не только связаны, но и являются функцией другого. Тем не менее, их ковариация равна 0, поскольку их ассоциация ортогональна той ассоциации, которую может обнаружить ковариация.

РЕДАКТИРОВАТЬ

Действительно, как указывал @whuber, приведенный выше оригинальный ответ был фактически комментарием о том, что утверждение не является универсально верным, если обе переменные не обязательно являются дихотомическими. Виноват!

Итак, давайте посчитаем. (Местный эквивалент Барни Стинсона "Оденься!")

Частный случай

Если и и Y были дихотомическими, то можно предположить без ограничения общности, что оба принимают только значения 0 и 1 с произвольными вероятностями p , q и r, заданными как P ( X = 1 ) = p ∈ [ 0 , 1 ] P ( Y = 1 ) = q ∈ [ 0 , 1 ] P ( X = 1 , YXY01pqr которые характеризуют полностью совместное распределениеXиY. Принимая подсказку @ DilipSarwate, обратите внимание, что этих трех значений достаточно для определения совместного распределения(X,Y), поскольку P ( X = 0 , Y = 1 )

P(X=1)=p∈[0,1]P(Y=1)=q∈[0,1]P(X=1,Y=1)=r∈[0,1],
XY(X,Y) (На заметку, конечно,rобязан соблюдать обаp-r∈[0,1],q-r∈[0,1]и1-p-q-r∈[
P(X=0,Y=1)=P(Y=1)−P(X=1,Y=1)=q−rP(X=1,Y=0)=P(X=1)−P(X=1,Y=1)=p−rP(X=0,Y=0)=1−P(X=0,Y=1)−P(X=1,Y=0)−P(X=1,Y=1)=1−(q−r)−(p−r)−r=1−p−q−r.
rp−r∈[0,1]q−r∈[0,1] за пределами r ∈ [ 0 , 1 ] , то есть r ∈ [ 0 , min ( p , q , 1 - p - q ) ] .)1−p−q−r∈[0,1]r∈[0,1]r∈[0,min(p,q,1−p−q)]

Обратите внимание, что может быть равно произведению p ⋅ q = P ( X = 1 ) P ( Y = 1 ) , что сделает X и Y независимыми, поскольку P ( X = 0 , Y = 0 )r=P(X=1,Y=1)p⋅q=P(X=1)P(Y=1)XY

P(X=0,Y=0)=1−p−q−pq=(1−p)(1−q)=P(X=0)P(Y=0)P(X=1,Y=0)=p−pq=p(1−q)=P(X=1)P(Y=0)P(X=0,Y=1)=q−pq=(1−p)q=P(X=0)P(Y=1).

Yes, r might be equal to pq, BUT it can be different, as long as it respects the boundaries above.

Well, from the above joint distribution, we would have

E(X)=0⋅P(X=0)+1⋅P(X=1)=P(X=1)=pE(Y)=0⋅P(Y=0)+1⋅P(Y=1)=P(Y=1)=qE(XY)=0⋅P(XY=0)+1⋅P(XY=1)=P(XY=1)=P(X=1,Y=1)=rCov(X,Y)=E(XY)−E(X)E(Y)=r−pq

XY Cov(X,Y)=0XYP(X=1,Y=1)=P(X=1)P(Y=1), which is to say r=pq. Therefore, Cov(X,Y)=r−pq=0; and, on the other hand, if Cov(X,Y)=0, then r−pq=0, which is to say r=pq. Therefore, X and Y are independent.

General Case

About the without loss of generality clause above, if X and Y were distributed otherwise, let's say, for a<b and c<d,

P(X=b)=pP(Y=d)=qP(X=b,Y=d)=r
then X′ and Y′ given by
X′=X−ab−aandY′=Y−cd−c
would be distributed just as characterized above, since
X=a⇔X′=0,X=b⇔X′=1,Y=c⇔Y′=0andY=d⇔Y′=1.
So X and Y are independent if and only if X′ and Y′ are independent.

Also, we would have

E(X′)=E(X−ab−a)=E(X)−ab−aE(Y′)=E(Y−cd−c)=E(Y)−cd−cE(X′Y′)=E(X−ab−aY−cd−c)=E[(X−a)(Y−c)](b−a)(d−c)=E(XY−Xc−aY+ac)(b−a)(d−c)=E(XY)−cE(X)−aE(Y)+ac(b−a)(d−c)Cov(X′,Y′)=E(X′Y′)−E(X′)E(Y′)=E(XY)−cE(X)−aE(Y)+ac(b−a)(d−c)−E(X)−ab−aE(Y)−cd−c=[E(XY)−cE(X)−aE(Y)+ac]−[E(X)−a][E(Y)−c](b−a)(d−c)=[E(XY)−cE(X)−aE(Y)+ac]−[E(X)E(Y)−cE(X)−aE(Y)+ac](b−a)(d−c)=E(XY)−E(X)E(Y)(b−a)(d−c)=1(b−a)(d−c)Cov(X,Y).
So Cov(X,Y)=0 if and only Cov(X′,Y′)=0.

=D


1
I recycled that answer from this post.
— Marcelo Ventura

Verbatim cut and paste from your other post. Love it. +1
— gammer

2
The problem with copy-and-paste is that your answer no longer seems to address the question: it is merely a comment on the question. It would be better, then, to post a comment with a link to your other answer.
— whuber

2
How is thus an answer to the question asked?
— Dilip Sarwate

1
Your edits still don't answer the question, at least not at the level the question is asked. You write "Notice that r … not necessarily equal to the product pq. That exceptional situation corresponds to the case of independence between X and Y." which is a perfectly true statement but only for the cognoscenti because for the hoi polloi, independence requires not just that
(1)P(X=1,Y=1)=P(X=1)P(Y=1)
but also
(2)P(X=u,Y=v)=P(X=u)P(Y=v), u.v∈{0,1}.
Yes, (1)⟹(2) as the cognoscenti know; for lesser mortals, a proof that (1)⟹(2) is helpful.
— Dilip Sarwate

3

IN GENERAL:

The criterion for independence is F(x,y)=FX(x)FY(y). Or

(1)fX,Y(x,y)=fX(x)fY(y)

"If two variables are independent, their covariance is 0. But, having a covariance of 0 does not imply the variables are independent."

This is nicely explained by Macro here, and in the Wikipedia entry for independence.

independence⇒zero cov, yet

zero cov⇏independence.

Great example: X∼N(0,1), and Y=X2. Covariance is zero (and E(XY)=0, which is the criterion for orthogonality), yet they are dependent. Credit goes to this post.


IN PARTICULAR (OP problem):

These are Bernoulli rv's, X and Y with probability of success Pr(X=1), and Pr(Y=1).

cov(X,Y)=E[XY]−E[X]E[Y]=∗Pr(X=1∩Y=1)−Pr(X=1)Pr(Y=1)⟹Pr(X=1,Y=1)=Pr(X=1)Pr(Y=1).

This is equivalent to the condition for independence in Eq. (1).


(∗):

E[XY]=∗∗∑domain X, YPr(X=x∩Y=y)xy=≠0 iff x×y≠0Pr(X=1∩Y=1).

(∗∗): by LOTUS.


As pointed out below, the argument is incomplete without what Dilip Sarwate had pointed out in his comments shortly after the OP appeared. After searching around, I found this proof of the missing part here:

If events A and B are independent, then events Ac and B are independent, and events Ac and Bc are also independent.

Proof By definition,

A and B are independent ⟺P(A∩B)=P(A)P(B).

But B=(A∩B)+(Ac∪B), so P(B)=P(A∩B)+P(Ac∪B), which yields:

P(Ac∩B)=P(B)−P(A∩B)=P(B)−P(A)P(B)=P(B)[1−P(A)]=P(B)P(Ac).

Repeat the argument for the events Ac and Bc, this time starting from the statement that Ac and B are independent and taking the complement of B.

Similarly. A and Bc are independent events.

So, we have shown already that

Pr(X=1,Y=1)=Pr(X=1)Pr(Y=1)
and the above shows that this implies that
Pr(X=i,Y=j)=Pr(X=i)Pr(Y=j),  i,j∈{0,1}
that is, the joint pmf factors into the product of marginal pmfs everywhere, not just at (1,1). Hence, uncorrelated Bernoulli random variables X and Y are also independent random variables.

2
Actually that's not an equivalent condition to Eq (1). All you showed was that fX,Y(1,1)=fX(1)fY(1)
— gammer

Please consider replacing that image with your own equations, preferably ones that don't use overbars to denote complements. The overbars in the image are very hard to see.
— Dilip Sarwate

@DilipSarwate No problem. Is it better, now?
— Antoni Parellada

1
Thanks. Also, note that strictly speaking, you also need to show that A and Bc are independent events since the factorization of the joint pdf into the product of the marginal pmts must hold at all four points. Perhaps adding the sentence "Similarly. A and Bc are independent events" right after the proof that Ac and B are independent events will work.
— Dilip Sarwate

@DilipSarwate Thank you very much for your help getting it right. The proof as it was before all the editing seemed self-explanatory, because of all the inherent symmetry, but it clearly couldn't be taken for granted. I am very appreciative of your assistance.
— Antoni Parellada
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.