第3回 2変量データの整理(3.1–3.3.5)

作者

村澤 康友

公開

2025年10月3日

注意
  • 3.3.6節の時系列データは扱わない( 「数理統計学」と「時系列解析」の方法論は異なる).
  • 3.4節の回帰分析は13章で扱うので今回は飛ばす.
今日のポイント
  1. 2変量データの度数分布表を分割表という.量的な2変量データは散布図に表せる.
  2. 2つの変量の関係の強さは(積率)相関係数,2つの順位の関係の強さは順位相関係数で表す.
  3. 相関は必ずしも因果関係を意味しない.因果関係のない相関を見かけ上の相関という.

1 散布図(p. 43)

定義 1 2変量データを xy 平面上の座標で表した図を散布図という.

注釈. 量的変量に用いる.

注釈. 散布図から2変量の関係(相関関係)が読み取れる(図 1).

図 1: 散布図と相関関係

例 1 某大学1年生の英語と数学の入試成績(図 2).

図 2: 某大学1年生の英語と数学の入試成績

2 分割表(p. 45)

定義 2 2変量データの度数分布表を分割(クロス)表という.

注釈. 相対度数は縦比・横比でみることもできる.

例 2 東大(学部・院)の学生構成(表 1).

表 1: 東大(学部・院)の学生構成
度数
日本人 留学生 計
学部 14,871 96 14,967
学部研究生 252 17 269
修士 2,415 274 2,689
博士 2,002 620 2,622
院研究生 143 454 597
計 19,683 1,461 21,144
相対度数
日本人 留学生 計
学部 70.3 0.5 70.8
学部研究生 1.2 0.1 1.3
修士 11.4 1.3 12.7
博士 9.5 2.9 12.4
院研究生 0.7 2.1 2.8
計 93.1 6.9 100.0
縦比
日本人 留学生 計
学部 75.6 6.6 70.8
学部研究生 1.3 1.2 1.3
修士 12.3 18.8 12.7
博士 10.2 42.4 12.4
院研究生 0.7 31.1 2.8
計 100.0 100.0 100.0
横比
日本人 留学生 計
学部 99.4 0.6 100.0
学部研究生 93.7 6.3 100.0
修士 89.8 10.2 100.0
博士 76.4 23.6 100.0
院研究生 24.0 76.0 100.0
計 93.1 6.9 100.0

定義 3 (該当数)/(非該当数)を該当/非該当のオッズという.

注釈. (該当率)/(非該当率)と同じ.該当率を p とすると p/(1-p).

例 3 検査の陽性率が p なら陽性/陰性のオッズは p/(1-p).

定義 4 2群のオッズの比をオッズ比という.

例 4 処置群・対照群の陽性率が p,q なら各群の陽性/陰性のオッズは p/(1-p)と q/(1-q). したがってオッズ比は [p/(1-p)]/[q/(1-q)](表 2).

表 2: 処置群と対照群の陽性率
処置群と対照群の陽性率
陽性 陰性 計 オッズ
処置群 p 1-p 1 p/(1-p)
対照群 q 1-q 1 q/(1-q)

3 相関係数(p. 47)

3.1 共分散(p. 49)

2変量データを ((x_1,y_1),\dots,(x_n,y_n)) とする.

定義 5 各変量の平均からの偏差の積の平均を共分散という.

注釈. 式で表すと \sigma_{xy}:=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n(x_i-\mu_x)(y_i-\mu_y)

注釈. x_i が大きいと y_i も大きいなら共分散は正,x_i が大きいと y_i は小さいなら共分散は負,「無関係」なら0となる.

3.2 標準化(p. 39)

定義 6 変量の値から平均を引き,標準偏差で割る変換を標準化という.

注釈. 式で表すと z_i:=\frac{x_i-\mu_x}{\sigma_x}

注釈. 標準化した変量の平均は0,分散は1となる.

3.3 (積率)相関係数(p. 48)

定義 7 標準化した2変量の共分散を(ピアソンの積率)相関係数という.

注釈. 式で表すと \begin{align*} \rho_{xy} & =\frac{1}{n} \sum_{i=1}^n\frac{x_i-\mu_x}{\sigma_x}\frac{y_i-\mu_y}{\sigma_y} \\ & =\frac{(1/n)\sum_{i=1}^n(x_i-\mu_x)(y_i-\mu_y)}{\sigma_x\sigma_y} \\ & =\frac{\sigma_{xy}}{\sigma_x\sigma_y} \end{align*}

注釈. 「関係」が強いほど1か-1に近くなる.

3.4 順位相関係数(p. 54)

順位を表す2変量の相関を定義する.

定義 8 順位の(積率)相関係数をスピアマンの順位相関係数という.

定理 1 2変量データ ((x_1,y_1),\dots,(x_n,y_n)) が順位を表すなら \rho_{xy}=1-\frac{6}{(n-1)n(n+1)}\sum_{i=1}^n(x_i-y_i)^2

証明. 省略.

注釈. x_1=y_1, \dots, x_n=y_n なら \rho_{xy}=1.

定義 9 ケンドールの順位相関係数は \tau_{xy} :=\frac{\sum_{i=2}^n\sum_{j=1}^{i-1}\operatorname{sgn}(x_i-x_j)\operatorname{sgn}(y_i-y_j)}{{}_nC_2}]

注釈. \operatorname{sgn}(.)は符号関数. すなわち \operatorname{sgn}(x):=\begin{cases} -1 & \text{for $x<0$} \\ 0 & \text{for $x=0$} \\ 1 & \text{for $x>0$} \\ \end{cases}

注釈. 2つの観測値 (x_i,y_i),(x_j,y_j) を取り出したとき, 「x_i>x_j だと y_i>y_j」なら順位相関係数は正, 「x_i>x_j だと y_i<y_j」なら順位相関係数は負となる.

3.5 相関と因果(p. 50)

2変量が相関をもつ理由は2つ考えられる.

定義 10 原因と結果の関係を因果関係という.

例 5 身長→体重(?),年齢→血圧,所得→消費,人口→商店数.

定義 11 因果関係のない相関を見かけ上の相関という.

注釈. 2変量の原因となる第3の変量が存在する場合に生じる.

例 6 数学と理科の成績(?),飲食店数と金融機関店舗数.

まとめ

今日のキーワード

散布図, 分割表, オッズ, オッズ比, 共分散, 標準化, (積率)相関係数, 順位相関係数(スピアマン,ケンドール), 因果関係, 見かけ上の相関

次回までの準備