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数学I

データの相関そうかん

最終確認日:

このしょうまなぶこと

だい 9 しょうでは 1 種類しゅるいデータでーた性質せいしつ調しらべましたが、 このしょうでは 2 種類しゅるい のデータの関係かんけいかずあらわします。 「身長しんちょう体重たいじゅう」 「気温きおんとアイスの売上うりあげ」 のような 2 変数へんすうのデータを解析かいせきする手法しゅほうです。

  • 散布図さんぷずかた
  • 共分散きょうぶんさん sxys_{xy}定義ていぎ
  • 相関係数そうかんけいすう rr公式こうしき範囲はんい
  • 正の相関せいのそうかん相関そうかん相関そうかん
  • 回帰直線かいきちょくせん概念がいねん

ポイント: 「2 つのりょう一緒いっしょうごくか」かずあらわすのがこのしょう因果いんが関係かんけいとは別物べつもの (相関そうかんがある ≠ 一方いっぽうがもう一方いっぽう原因げんいん) という注意ちゅうい大事だいじ

1. 散布さんぷ

散布さんぷとは

よこじくxxたてじくyy をとり、 かくデータ (xi,yix_i, y_i) をてんった散布図さんぷず という。

相関そうかん種類しゅるい

散布さんぷ様子ようす相関そうかん
みぎがりにならせい相関そうかん (xxだいyyだい)
みぎがりになら相関そうかん (xxだいyyしょう)
らばっている相関そうかん (関係かんけいなし)

つよさの判定はんてい

ならかたつよ
直線ちょくせんにぴったりつよ相関そうかん
直線ちょくせんのまわりにらばるよわ相関そうかん
完全かんぜんにばらばら相関そうかん

れい

気温きおん」 と 「つめたいもの売上うりあげ」 → せい相関そうかん (気温きおんたかいほど売上うりあげがる)。

気温きおん」 と 「カイロの売上うりあげ」 → 相関そうかん (気温きおんたかいほど売上うりあげがる)。

大事だいじ: 散布さんぷえがくだけで 直感ちょっかんてき相関そうかん判定はんてい できます。 数値すうち計算けいさんするまえにまず確認かくにんする習慣しゅうかんを。

2. きょう分散ぶんさん

定義ていぎ

xxyy共分散きょうぶんさん sxys_{xy} は、 かくデータの 「xx偏差へんいyy偏差へんいせき」 の平均へいきん:

sxy=1ni=1n(xixˉ)(yiyˉ)s_{xy} = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} (x_i - \bar{x})(y_i - \bar{y})

べつ公式こうしき

sxy=xyxˉyˉs_{xy} = \overline{xy} - \bar{x} \cdot \bar{y}

(平均へいきんせきを 「せき平均へいきん」 からく)

符号ふごう意味いみ

sxys_{xy}符号ふごう相関そうかん
>0> 0せい相関そうかん
<0< 0相関そうかん
0\approx 0相関そうかん

例題れいだい

xix_iyiy_ixi3x_i - 3yi4y_i - 4つむ
11222-22-244
22331-11-111
3344000000
4455111111
5566222244
けい00001010

平均へいきんxˉ=3,yˉ=4\bar{x} = 3, \bar{y} = 4きょう分散ぶんさんsxy=105=2s_{xy} = \dfrac{10}{5} = 2せいせい相関そうかん

ポイント: xxyyおなきにうごくと偏差へんいせきが +、 ぎゃくきだと −」。 これを平均へいきんしたのがきょう分散ぶんさん直感ちょっかんともよく一致いっちします。

3. 相関そうかん係数けいすう

定義ていぎ

共分散きょうぶんさんx,yx, y それぞれの標準偏差ひょうじゅんへんさわれると、 1-1 から +1+1範囲はんい標準ひょうじゅんされた 相関係数そうかんけいすう rr になる:

r=sxyσxσyr = \frac{s_{xy}}{\sigma_x \sigma_y}

範囲はんい解釈かいしゃく

1r1-1 \leq r \leq 1

rrあたい相関そうかん
r=1r = 1完全かんぜんせい相関そうかん (一直線いっちょくせんならぶ)
0.710.7 \sim 1つよせい
0.40.70.4 \sim 0.7ややつよせい
0.20.40.2 \sim 0.4よわせい
0.20.2-0.2 \sim 0.2ほぼ相関そうかん
0.40.2-0.4 \sim -0.2よわ
10.7-1 \sim -0.7つよ
r=1r = -1完全かんぜん相関そうかん

(目安めやす分野ぶんやにより基準きじゅんちがう)

例題れいだい

だい 2 ふしれいでは σx=2,σy=2\sigma_x = \sqrt{2}, \sigma_y = \sqrt{2} (xx1,2,3,4,51, 2, 3, 4, 5yy2,3,4,5,62, 3, 4, 5, 6 とともに等差とうさならぶ)。

r=222=22=1r = \frac{2}{\sqrt{2} \cdot \sqrt{2}} = \frac{2}{2} = 1

完全かんぜんせい相関そうかん (実際じっさいすべてのてんy=x+1y = x + 1上にならぶ)。

大事だいじ: r|r|おおきいほど直線ちょくせんちかなら。 ただし r=0r = 0 でも 「曲線きょくせんてき関係かんけい」 があることがあります (rr線形せんけい関係かんけいだけをはかる)。

4. 相関そうかん係数けいすう計算けいさん (実践じっせん)

手順てじゅん

  1. xˉ,yˉ\bar{x}, \bar{y}計算けいさん
  2. Vx=x2xˉ2V_x = \overline{x^2} - \bar{x}^2, Vy=y2yˉ2V_y = \overline{y^2} - \bar{y}^2
  3. σx=Vx,σy=Vy\sigma_x = \sqrt{V_x}, \sigma_y = \sqrt{V_y}
  4. sxy=xyxˉyˉs_{xy} = \overline{xy} - \bar{x}\bar{y}
  5. r=sxyσxσyr = \dfrac{s_{xy}}{\sigma_x \sigma_y}

例題れいだい

データ (n=4n = 4):

xix_iyiy_i
1144
2233
4422
5511

(1) 平均へいきん: xˉ=3,yˉ=2.5\bar{x} = 3, \bar{y} = 2.5

(2) x2=1+4+16+254=464=11.5\overline{x^2} = \dfrac{1 + 4 + 16 + 25}{4} = \dfrac{46}{4} = 11.5, Vx=11.59=2.5V_x = 11.5 - 9 = 2.5

(3) y2=16+9+4+14=304=7.5\overline{y^2} = \dfrac{16 + 9 + 4 + 1}{4} = \dfrac{30}{4} = 7.5, Vy=7.56.25=1.25V_y = 7.5 - 6.25 = 1.25

(4) xy=4+6+8+54=234=5.75\overline{xy} = \dfrac{4 + 6 + 8 + 5}{4} = \dfrac{23}{4} = 5.75, sxy=5.7532.5=1.75s_{xy} = 5.75 - 3 \cdot 2.5 = -1.75

(5) r=1.752.51.25=1.753.1251.751.7680.99r = \dfrac{-1.75}{\sqrt{2.5} \cdot \sqrt{1.25}} = \dfrac{-1.75}{\sqrt{3.125}} \approx \dfrac{-1.75}{1.768} \approx -0.99

ほぼ完全かんぜん相関そうかん (xxおおきくなるほど yyちいさくなる)。

ポイント: rr符号ふごうきょう分散ぶんさん符号ふごうかなら一致いっち (σ>0\sigma > 0 なので)。 計算けいさんミスを検算けんざんするさい使つかえます。

5. 相関そうかん因果いんが

注意ちゅうい 1: 相関そうかん因果いんが

「アイスクリームの売上うりあげ水難すいなん事故じこ件数けんすうにはつよせい相関そうかん」 があるとしても、 「アイスが事故じここす」 わけではない。 だいさん要因よういん (気温きおん = なつになると両方りょうほうえる) がいています。

注意ちゅうい 2: はず影響えいきょう

ひとつの極端きょくたんてんがあるだけで rrあたいおおきくわることがある。 かなら散布図さんぷずえがいて確認かくにん

注意ちゅうい 3: 線形せんけい関係かんけい測定そくていだけ

r=0r = 0 でも 「y=x2y = x^2 のような曲線きょくせん関係かんけい」 があることあり。 rr直線ちょくせんてき関係かんけいつよはかるだけ。

大事だいじ: 相関そうかん = 因果いんが」 と早合点はやがてんしない入試にゅうしでも 「因果いんが関係かんけいとしてかなら結論けつろんできるか」 を設問せつもんがあります。

6. 回帰かいき直線ちょくせん

概念がいねん

散布図さんぷずてんの 「なかとお直線ちょくせん」 を 回帰直線かいきちょくせん という。 yyxx予測よそくする直線ちょくせん

公式こうしき (参考さんこう)

最小さいしょう乗法じょうほうられる回帰かいき直線ちょくせんy=ax+by = ax + b

a=sxyVx,b=yˉaxˉa = \frac{s_{xy}}{V_x}, \quad b = \bar{y} - a\bar{x}

れい

だい 2 ふしのデータでは a=22=1a = \dfrac{2}{2} = 1, b=413=1b = 4 - 1 \cdot 3 = 1 なので回帰かいき直線ちょくせん

y=x+1y = x + 1

実際じっさいすべてのてんがこの直線ちょくせんじょうならんでいる (r=1r = 1整合せいごう)。

用途ようと

ある xx から yy予測よそく する:

れい: 過去かこデータの 「気温きおんとアイスの売上うりあげ」 で回帰かいき直線ちょくせんy=50x+200y = 50x + 200 なら、 気温きおん30°30°予測よそく売上うりあげy=5030+200=1700y = 50 \cdot 30 + 200 = 1700個。

ポイント: 回帰直線かいきちょくせん予測よそく使つかうが、 データの範囲はんいおおきくえる xx での予測よそく危険きけん (外挿がいそう)。 かならずデータの範囲はんいないで。

まとめ

  • 2 変数へんすう関係かんけい散布図さんぷず直感ちょっかん相関係数そうかんけいすう rr数値すうち
  • 1r1-1 \leq r \leq 1符号ふごうせい / r|r|つよ
  • 計算けいさんは 「平均へいきん分散ぶんさんきょう分散ぶんさんr=sxyσxσyr = \dfrac{s_{xy}}{\sigma_x \sigma_y}
  • 相関そうかん因果いんがだいさん要因よういんはず非線形ひせんけい関係かんけい注意ちゅうい
  • 回帰直線かいきちょくせん y=ax+by = ax + b予測よそくできる

これで数学すうがくI のぜん 10 しょうわりました。 かずしきからはじまり、 集合しゅうごう命題めいだい不等式ふとうしき関数かんすう三角さんかく、 データまで、 高校こうこう数学すうがく全体ぜんたいの 「足場あしば」 をつく内容ないようでした。 つぎ数学すうがくA の 「場合ばあいかず確率かくりつ」 「図形ずけい性質せいしつ」 「整数せいすう性質せいしつ」 へとすすみましょう。

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