เป็นไปได้ไหมที่เวกเตอร์ 3 ตัวนั้นมีความสัมพันธ์เชิงลบแบบคู่ทั้งหมด


16

ให้เวกเตอร์สามตัว ,และเป็นไปได้หรือไม่ที่สหสัมพันธ์ระหว่างและ ,และและและนั้นเป็นลบทั้งหมด? นั่นเป็นไปได้ไหมabcabacbc

corr(a,b)<0corr(a,c)<0corr(b,c)<0

3
ค่าสหสัมพันธ์เชิงลบหมายถึงเรขาคณิตซึ่งเวกเตอร์ที่อยู่ตรงกลางทำให้เกิดมุมป้าน คุณไม่ควรมีปัญหาในการวาดโครงร่างของเวกเตอร์สามตัวในระนาบที่มีคุณสมบัตินี้
— whuber

พวกเขาไม่สามารถมีความสัมพันธ์เชิงลบได้อย่างสมบูรณ์ ( ) แต่โดยทั่วไปจะมีความสัมพันธ์เชิงลบบางอย่างอีกครั้งขอบเขตที่กำหนดโดยความสัมพันธ์อื่น ๆ ρ=−1
— karakfa

2
@whuber ความคิดเห็นของคุณดูเหมือนจะขัดแย้งกับคำตอบของ Heikki Pulkkinen ซึ่งอ้างว่าเป็นไปไม่ได้สำหรับเวกเตอร์ในเครื่องบิน หากคุณสนับสนุนคุณควรเปลี่ยนความคิดเห็นของคุณเป็นคำตอบ
— RM

2
@RM ไม่มีข้อขัดแย้งระหว่าง whuber และ Heikki คำถามนี้ถามเกี่ยวกับข้อมูลเมทริกซ์ของขนาด ปกติเราจะพูดคุยเกี่ยวกับจุดข้อมูลใน 3 มิติ แต่ Q มีการพูดคุยเกี่ยวกับสาม "พาหะ" ในมิติ Heikki กล่าวว่าความสัมพันธ์เชิงลบทั้งหมดไม่สามารถเกิดขึ้นได้หาก (จริง ๆ แล้วสองคะแนนหลังจากการรวมศูนย์มีความสัมพันธ์กันอย่างสมบูรณ์แบบเสมอดังนั้นความสัมพันธ์ต้องเป็นและไม่สามารถเป็นได้ทั้งหมด) Whuber กล่าวว่า 3 ในเวกเตอร์มิติอย่างมีประสิทธิภาพสามารถอยู่ในสเปซ 2 มิติ (เช่นเป็นอันดับ 2) และแสดงให้เห็นที่จะจินตนาการโลโก้ Mercedes Xn×3nnn=2±1−1nX
— อะมีบากล่าวว่า Reinstate Monica

1
ที่เกี่ยวข้อง: Bound สำหรับความสัมพันธ์ของสามตัวแปรสุ่ม (cc, @amoeba)
— gung - Reinstate Monica

คำตอบ:


19

เป็นไปได้ถ้าขนาดของเวกเตอร์เท่ากับ 3 หรือใหญ่กว่า ตัวอย่างเช่น

a=(−1,1,1)b=(1,−9,−3)c=(2,3,−1)

ความสัมพันธ์เป็น

cor(a,b)=−0.80...cor(a,c)=−0.27...cor(b,c)=−0.34...

เราสามารถพิสูจน์ได้ว่าสำหรับเวกเตอร์ขนาด 2 ซึ่งเป็นไปไม่ได้:

cor(a,b)<02(∑iaibi)−(∑iai)(∑ibi)<02(a1b1+a2b2)−(a1+a2)(b1b2)<02(a1b1+a2b2)−(a1+a2)(b1b2)<02(a1b1+a2b2)−a1b1+a1b2+a2b1+a2b2<0a1b1+a2b2−a1b2+a2b1<0a1(b1−b2)+a2(b2−b1)<0(a1−a2)(b1−b2)<0

The formula makes sense: if a1 is larger than a2, b1 has to be larger than b1 to make the correlation negative.

Similarly for correlations between (a,c) and (b,c) we get

(a1−a2)(c1−c2)<0(b1−b2)(c1−c2)<0

Clearly, all of these three formulas can not hold in the same time.


3
Another example of something unexpected that only happens in dimension three or higher.
— nth

1
With vectors of size 2, correlations are usually ±1 (straight line through two points), and you cannot have three correlations of −1 with three vectors of any size
— Henry

9

Yes, they can.

Suppose you have a multivariate normal distribution X∈R3,X∼N(0,Σ). The only restriction on Σ is that it has to be positive semi-definite.

So take the following example Σ=(1−0.2−0.2−0.21−0.2−0.2−0.21)

Its eigenvalues are all positive (1.2, 1.2, 0.6), and you can create vectors with negative correlation.


7

let's start with a correlation matrix for 3 variables

Σ=(1pqp1rqr1)

non-negative definiteness creates constraints for pairwise correlations p,q,r which can be written as

pqr≥p2+q2+r2−12

For example, if p=q=−1, the values of r is restricted by 2r≥r2+1, which forces r=1. On the other hand if p=q=−12, r can be within 2±34 range.

Answering the interesting follow up question by @amoeba: "what is the lowest possible correlation that all three pairs can simultaneously have?"

Let p=q=r=x<0, Find the smallest root of 2x3−3x2+1, which will give you −12. Perhaps not surprising for some.

A stronger argument can be made if one of the correlations, say r=−1. From the same equation −2pq≥p2+q2, we can deduce that p=−q. Therefore if two correlations are −1, third one should be 1.



2

A simple R function to explore this:

f <- function(n,trials = 10000){
  count <- 0
  for(i in 1:trials){
    a <- runif(n)
    b <- runif(n)
    c <- runif(n)
    if(cor(a,b) < 0 & cor(a,c) < 0 & cor(b,c) < 0){
      count <- count + 1
    }
  }
  count/trials
}

As a function of n, f(n) starts at 0, becomes nonzero at n = 3 (with typical values around 0.06), then increases to around 0.11 by n = 15, after which it seems to stabilize:

enter image description here So, not only is it possible to have all three correlations negative, it doesn't seem to be terribly uncommon (at least for uniform distributions).

โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.