Korrelationsanalyse

_Statistik

Prof. Dr. Armin Eichinger

TH Deggendorf

10.12.2024

Gesucht: Ein Maß für Zusammenhänge

Wunschliste: Anforderungen

  • Wie sollte ein Maß für Zusammenhänge beschaffen sein? Was sind unsere Anforderungen?

  • Obligatorisch:

    1. Kongruenz: Je größer der Zusammenhang, desto größer der Wert und umgekehrt
    2. Unterscheidbarkeit von positiven und negativen Zusammenhängen
    3. Unabhängigkeit von der Einheit, in der die Variablen gemessen werden (z. B. Zentimeter oder Meter)
  • Optional:

    1. Ein Wert von 0 bedeutet “kein Zusammenhang”.
    2. Begrenzte Bandbreite der Werte (→ Minimal- und Maximalwerte)

Kovarianz

  • Ähnlichkeit zur Varianz (namentlich und formal)

  • Zur Erinnerung die Formel für die Varianz: \(s² = \hat{\sigma}² = \frac{\sum\limits_{i=1}^{n}(x_i - \overline{x})²}{n-1}\)

  • Formel der Kovarianz: \(Cov(x,y) = \frac{\sum\limits_{i=1}^{n}(x_{i} - \overline{x})(y_{i} - \overline{y})}{n-1}\)

  • Ersetzen wir \(y\) durch \(x\) erhalten wir die Varianz.

  • Anforderungen:

    • Anforderungen 1 + 2 (Kongruenz + Unterscheidbarkeit) sind erfüllt
    • Anforderung 3: Kovarianz ändert sich mit den verwendeten Einheiten; nicht erfüllt!
    • Beispiel: Kovarianz von Größe und Gewicht
      \(Cov\)(Größe in cm, Gewicht in kg) \(=\) 100 \(\cdot\) \(Cov\)(Größe in m, Gewicht in kg)
    • Anforderung 4 (0 = kein Zusammenhang) ist erfüllt
    • Anforderung 5 (Bandbreite) ist nicht erfüllt

Korrelationskoeffizient \(r\)

  • Lösung: Standardisierung der Kovarianz (d. h. teilen durch die beiden beteiligten Standardabweichungen)

  • Ergebnis: Korrelationskoeffizient \(r\)

  • Formel: \(r(x,y) = \frac{Cov(x,y)}{s_x \cdot s_y}\)

  • Anforderungen:

    • Anforderung 1 erfüllt: \(|r_1| > |r_2| \Rightarrow\) größerer Zusammenhang
    • Anforderung 2 erfüllt: \(r > 0\) für positive Zusammenhänge; \(r < 0\) für negative Zusammenhänge
    • Anforderung 3 erfüllt: \(r\) ändert sich nicht mit den verwendeten Einheiten.
      Alle Einheiten fallen weg; \(r\) ist dimensionslos.

      Beispiel: Korrelation von Größe und Gewicht
      \(r\)(Größe in cm, Gewicht in kg) \(=\) \(r\)(Größe in m, Gewicht in kg)
    • Anforderungen 4 erfüllt: \(r = 0\) bedeutet “kein Zusammenhang”.
    • Anforderung 5 erfüllt: \(r\) ist auf das Intervall \([-1; 1]\) begrenzt.

Darstellung von Korrelationen

Scatterplot (Streudiagramm)

Korrelationsmatrix:

          Height    Weight
Height 1.0000000 0.5143289
Weight 0.5143289 1.0000000
Ausgangsdaten
Height Weight
190 95
169 79
165 75
160 71
163 55
176 65
199 90
180 70
179 57
190 80
179 81
190 78
192 60
157 58
196 77
168 77
153 63
165 84
194 79
185 90
160 72
192 73
193 87
163 59
154 59
183 94
174 92

Scatterplot + Regressionsgerade

Korrelationsmatrix:

          Height    Weight
Height 1.0000000 0.5143289
Weight 0.5143289 1.0000000
Ausgangsdaten
Height Weight
190 95
169 79
165 75
160 71
163 55
176 65
199 90
180 70
179 57
190 80
179 81
190 78
192 60
157 58
196 77
168 77
153 63
165 84
194 79
185 90
160 72
192 73
193 87
163 59
154 59
183 94
174 92

Scatterplot: X und Y vertauscht

Korrelationsmatrix:

          Height    Weight
Height 1.0000000 0.5143289
Weight 0.5143289 1.0000000
Ausgangsdaten
Height Weight
190 95
169 79
165 75
160 71
163 55
176 65
199 90
180 70
179 57
190 80
179 81
190 78
192 60
157 58
196 77
168 77
153 63
165 84
194 79
185 90
160 72
192 73
193 87
163 59
154 59
183 94
174 92

Konfidenzintervall für \(r\)

KI: Allgemeines Schema

  • KI = Schätzwert \(\pm\) Teststatistik \(\cdot\) Standardfehler

  • Zur Erinnerung (1): 95%-KI für Stichprobenmittelwerte (bei Normalverteilung):
    \[ \begin{eqnarray} 95\%\text{-}KI &=& \overline{x} \pm z_{0.975} \cdot \hat\sigma_{\overline{x}} \\\ &=& \overline{x} \pm 1.96 \cdot \hat\sigma_{\overline{x}} \\\ \end{eqnarray} \]

  • Zur Erinnerung (2): 95%-KI für Stichprobenmittelwerte (bei t-Verteilung):
    \[ \begin{eqnarray} 95\%\text{-}KI &=& \overline{x} \pm t_{df, 0.975} \cdot \hat\sigma_{\overline{x}} \\\ \end{eqnarray} \]

  • Neu: Schätzwert ist ein Korrelationskoeffizient r

KI für Korrelationskoeffizient r

  • Eigentlich …: KI = \(r\) \(\pm\) Teststatistik \(\cdot\) Standardfehler

  • Problem: \(r\) als Schätzer einer Grundgesamtheit ist nicht symmetrisch verteilt (z. B. normal bzw. t-verteilt) wie Stichprobenmittelwerte

  • Damit können wir mit \(r\) nicht “rechnen” – z. B. Mittelwerte bilden o. ä.

  • Lösung: Fisher-z-Transformation

  • Standardfehler dieser transformierten Verteilung: \(\textit{SE}_z = \frac{1}{\sqrt{n - 3}}\)

  • KI(Fisher-z) = Fisher-z(r) \(\pm\) 1.96 \(\cdot \textit{SE}_z\)

  • Das Ergebnis ist von Fisher-z nach r rückzutransformieren (siehe wieder: Fisher-z-Transformation)

Fisher-z-Transformation

Transformation: r \(\rightarrow\) Fisher-z

\[ (Fisher\text{-})z = 0.5 \cdot ln{\frac{1 + r}{1 - r}} \]

Rücktransformation: Fisher-z \(\rightarrow\) r

\[ r = \frac{e^{2z}-1}{e^{2z}+1} \] Beispiel: Mittelwert von \(r_1\) = 0.1, \(r_2\) = 0.3, \(r_3\) = 0.8

  • Achtung: \(\bar{r} \neq\frac{.1+.3+.8}{3}\)
  • F.-z-Trafo.:
    • 0.1 \(\rightarrow\) 0.1
    • 0.3 \(\rightarrow\) 0.31
    • 0.8 \(\rightarrow\) 1.099
  • \(\overline{z}\) = 0.503 \(\rightarrow \bar{r}\) = 0.464

Beispiel KI

  • 95%-KI für die Korrelation zwischen Größe und Gewicht (n = 27)

  • r = 0.5143

  • \(\textit{SE}_z\) = \(\frac{1}{\sqrt{n - 3}}\) = 0.2041

  • Fisher-z(0.5143) = 0.5686

  • KI(Fisher-z)

    • Untere Grenze = 0.5686 - 1.96 \(\cdot\) \(\frac{1}{\sqrt{24}}\) = 0.1685
    • Obere Grenze = 0.5686 + 1.96 \(\cdot\) \(\frac{1}{\sqrt{24}}\) = 0.9686
  • KI(Fisher-z \(\rightarrow\) r)

    • Untere Grenze = 0.1669
    • Obere Grenze = 0.7481

Ausgangsdaten
Height Weight
190 95
169 79
165 75
160 71
163 55
176 65
199 90
180 70
179 57
190 80
179 81
190 78
192 60
157 58
196 77
168 77
153 63
165 84
194 79
185 90
160 72
192 73
193 87
163 59
154 59
183 94
174 92

Beispiel KI: grafisch

Signifikanztest für \(r\)

Übersicht

  • Fragestellung: Unterscheidet sich der Korrelationskoeffizient r einer Stichprobe von 0?

  • Mögliche Erweiterung der Fragestellung (bleibt hier unberücksichtigt): Unterscheidet sich der Korrelationskoeffizient r einer Stichprobe von einem Wert ungleich \(\rho \neq 0\) in der Population (\(\rho\) – “rho” – ist das griechische r)?

  • Voraussetzungen:

    • Mindestens Intervallskalenniveau
    • Linearität
    • Normalverteilung
    • Varianzhomogenität
  • Hypothesen:

    • \(H_{0}\colon \rho =0; H_{1}\colon \rho \neq 0\) (zweiseitig)
    • \(H_{0}\colon \rho \leq 0; H_{1}\colon \rho > 0\) bzw.
      \(H_{0}\colon \rho \geq 0; H_{1}\colon \rho < 0\) bzw. (einseitig)
  • Teststatistik/Prüfgröße: \(t = \frac{r \sqrt{n-2}}{\sqrt{1-r^2}}\)

  • \(t\) ist t-verteilt mit n - 2 Freiheitsgraden.

  • Nicht-parametrische Alternative für ordinale Daten: Rangkorrelation nach Spearman. Der Signifikanztest erfolgt analog.

Beispiel

Eine kleine Stichprobe von VPn (n = 5) sieht eine Anzahl von Werbungen und kauft im Anschluss eine bestimmte Anzahl an Produkten. Hängen beide Variablen signifikant positiv zusammen? Wie lautet das 95%-KI für r?

Ergebnisse der Rechenschritte:

  • Kovarianz: \(Cov(Werbungen,Käufe)=\) 4.25
  • Standardabweichung: \(\textit{SD}_{Werbungen}=\) 1.6733
  • Standardabweichung: \(\textit{SD}_{Käufe}=\) 2.9155
  • Korrelationskoeffizient: \(r=\) 0.8712
  • Empirischer t-Wert: \(t_{emp}(3)=\) 3.0737
  • Kritischer t-Wert: \(t_{krit, .95}(3) =\) 2.3534
  • Fisher-z-Wert: \(z =\) 1.338
  • 95%-KI für r, untere Grenze: -0.0479
  • 95%-KI für r, obere Grenze: 0.9914
Ausgangsdaten
Werbungen Käufe
5 8
4 9
4 10
6 13
8 15

Korrelation für ordinale Daten

Rangkorrelation nach Spearman

  • Angenommen, die Daten sind nicht intervallskaliert – Problem …?!

  • Lösung: ordinale Information ausnutzen; (falls erforderlich Daten sortieren und) Rangplätze zuweisen

  • Rangkorrelation nach Spearman \(r_S\): Zusammenhangsmaß für zwei ordinalskalierte Merkmale

  • Monotoner statt linearer Zusammenhang

  • Aber: \(r_S\) ist linear in den Rängen!

  • Die Rangkorrelation nach Spearman ist identisch mit der Produkt-Moment-Korrelation nach Pearson der in Ränge transformierten Werte.

  • Rangkorrelation wird auch berechnet für den Zusammenhang zwischen einer ordinalskalierten und einer intervallskalierten Variablen.

  • Weiterer Einsatz von \(r_S\): nicht-linearer aber monotoner Zusammenhang zwischen metrischen Variablen

  • Zentrale Eigenschaften entsprechen denen des Produkt-Moment-Korrelationskoeffizienten:

    • Grenzen: -1 ≤ \(r_S\) ≤ 1
    • Interpretation des Determinationskoeffizienten

Beispiel

Korrelation der Rohwerte: 0.602

Korrelation der Ränge: 0.59

Ausgangsdaten
Groesse Rang1 Gewicht Rang2
147 19 54 17
187 6 86 3
158 16 70 10
195 1 85 4
190 3 81 6
165 15 58 14
174 12 76 7
185 7 55 15
169 14 68 11
184 8 85 4
189 4 74 8
181 9 99 2
191 2 100 1
178 10 68 11
148 18 41 19
151 17 61 13
188 5 52 18
176 11 55 15
171 13 71 9

Zum Nachdenken

Anscombe-Quartett

Anhang

SNV: Tabelle der z-Werte

Achtung: Die Tabelle hat zwei Hälften – oben negative unten positive z-Werte

-.00 -.01 -.02 -.03 -.04 -.05 -.06 -.07 -.08 -.09
0 0.5000 0.4960 0.4920 0.4880 0.4840 0.4801 0.4761 0.4721 0.4681 0.4641
-0.1 0.4602 0.4562 0.4522 0.4483 0.4443 0.4404 0.4364 0.4325 0.4286 0.4247
-0.2 0.4207 0.4168 0.4129 0.4090 0.4052 0.4013 0.3974 0.3936 0.3897 0.3859
-0.3 0.3821 0.3783 0.3745 0.3707 0.3669 0.3632 0.3594 0.3557 0.3520 0.3483
-0.4 0.3446 0.3409 0.3372 0.3336 0.3300 0.3264 0.3228 0.3192 0.3156 0.3121
-0.5 0.3085 0.3050 0.3015 0.2981 0.2946 0.2912 0.2877 0.2843 0.2810 0.2776
-0.6 0.2743 0.2709 0.2676 0.2643 0.2611 0.2578 0.2546 0.2514 0.2483 0.2451
-0.7 0.2420 0.2389 0.2358 0.2327 0.2296 0.2266 0.2236 0.2206 0.2177 0.2148
-0.8 0.2119 0.2090 0.2061 0.2033 0.2005 0.1977 0.1949 0.1922 0.1894 0.1867
-0.9 0.1841 0.1814 0.1788 0.1762 0.1736 0.1711 0.1685 0.1660 0.1635 0.1611
-1 0.1587 0.1562 0.1539 0.1515 0.1492 0.1469 0.1446 0.1423 0.1401 0.1379
-1.1 0.1357 0.1335 0.1314 0.1292 0.1271 0.1251 0.1230 0.1210 0.1190 0.1170
-1.2 0.1151 0.1131 0.1112 0.1093 0.1075 0.1056 0.1038 0.1020 0.1003 0.0985
-1.3 0.0968 0.0951 0.0934 0.0918 0.0901 0.0885 0.0869 0.0853 0.0838 0.0823
-1.4 0.0808 0.0793 0.0778 0.0764 0.0749 0.0735 0.0721 0.0708 0.0694 0.0681
-1.5 0.0668 0.0655 0.0643 0.0630 0.0618 0.0606 0.0594 0.0582 0.0571 0.0559
-1.6 0.0548 0.0537 0.0526 0.0516 0.0505 0.0495 0.0485 0.0475 0.0465 0.0455
-1.7 0.0446 0.0436 0.0427 0.0418 0.0409 0.0401 0.0392 0.0384 0.0375 0.0367
-1.8 0.0359 0.0351 0.0344 0.0336 0.0329 0.0322 0.0314 0.0307 0.0301 0.0294
-1.9 0.0287 0.0281 0.0274 0.0268 0.0262 0.0256 0.0250 0.0244 0.0239 0.0233
-2 0.0228 0.0222 0.0217 0.0212 0.0207 0.0202 0.0197 0.0192 0.0188 0.0183
-2.1 0.0179 0.0174 0.0170 0.0166 0.0162 0.0158 0.0154 0.0150 0.0146 0.0143
-2.2 0.0139 0.0136 0.0132 0.0129 0.0125 0.0122 0.0119 0.0116 0.0113 0.0110
-2.3 0.0107 0.0104 0.0102 0.0099 0.0096 0.0094 0.0091 0.0089 0.0087 0.0084
-2.4 0.0082 0.0080 0.0078 0.0075 0.0073 0.0071 0.0069 0.0068 0.0066 0.0064
-2.5 0.0062 0.0060 0.0059 0.0057 0.0055 0.0054 0.0052 0.0051 0.0049 0.0048
-2.6 0.0047 0.0045 0.0044 0.0043 0.0041 0.0040 0.0039 0.0038 0.0037 0.0036
-2.7 0.0035 0.0034 0.0033 0.0032 0.0031 0.0030 0.0029 0.0028 0.0027 0.0026
-2.8 0.0026 0.0025 0.0024 0.0023 0.0023 0.0022 0.0021 0.0021 0.0020 0.0019
-2.9 0.0019 0.0018 0.0018 0.0017 0.0016 0.0016 0.0015 0.0015 0.0014 0.0014
-3 0.0013 0.0013 0.0013 0.0012 0.0012 0.0011 0.0011 0.0011 0.0010 0.0010
.00 .01 .02 .03 .04 .05 .06 .07 .08 .09
0 0.5000 0.5040 0.5080 0.5120 0.5160 0.5199 0.5239 0.5279 0.5319 0.5359
0.1 0.5398 0.5438 0.5478 0.5517 0.5557 0.5596 0.5636 0.5675 0.5714 0.5753
0.2 0.5793 0.5832 0.5871 0.5910 0.5948 0.5987 0.6026 0.6064 0.6103 0.6141
0.3 0.6179 0.6217 0.6255 0.6293 0.6331 0.6368 0.6406 0.6443 0.6480 0.6517
0.4 0.6554 0.6591 0.6628 0.6664 0.6700 0.6736 0.6772 0.6808 0.6844 0.6879
0.5 0.6915 0.6950 0.6985 0.7019 0.7054 0.7088 0.7123 0.7157 0.7190 0.7224
0.6 0.7257 0.7291 0.7324 0.7357 0.7389 0.7422 0.7454 0.7486 0.7517 0.7549
0.7 0.7580 0.7611 0.7642 0.7673 0.7704 0.7734 0.7764 0.7794 0.7823 0.7852
0.8 0.7881 0.7910 0.7939 0.7967 0.7995 0.8023 0.8051 0.8078 0.8106 0.8133
0.9 0.8159 0.8186 0.8212 0.8238 0.8264 0.8289 0.8315 0.8340 0.8365 0.8389
1 0.8413 0.8438 0.8461 0.8485 0.8508 0.8531 0.8554 0.8577 0.8599 0.8621
1.1 0.8643 0.8665 0.8686 0.8708 0.8729 0.8749 0.8770 0.8790 0.8810 0.8830
1.2 0.8849 0.8869 0.8888 0.8907 0.8925 0.8944 0.8962 0.8980 0.8997 0.9015
1.3 0.9032 0.9049 0.9066 0.9082 0.9099 0.9115 0.9131 0.9147 0.9162 0.9177
1.4 0.9192 0.9207 0.9222 0.9236 0.9251 0.9265 0.9279 0.9292 0.9306 0.9319
1.5 0.9332 0.9345 0.9357 0.9370 0.9382 0.9394 0.9406 0.9418 0.9429 0.9441
1.6 0.9452 0.9463 0.9474 0.9484 0.9495 0.9505 0.9515 0.9525 0.9535 0.9545
1.7 0.9554 0.9564 0.9573 0.9582 0.9591 0.9599 0.9608 0.9616 0.9625 0.9633
1.8 0.9641 0.9649 0.9656 0.9664 0.9671 0.9678 0.9686 0.9693 0.9699 0.9706
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3 0.9987 0.9987 0.9987 0.9988 0.9988 0.9989 0.9989 0.9989 0.9990 0.9990

t-Verteilung

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4 -3.7469 -2.7764 -2.1318 -1.5332 -0.7407 0 0.7407 1.5332 2.1318 2.7764 3.7469
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92 -2.3676 -1.9861 -1.6616 -1.2908 -0.6772 0 0.6772 1.2908 1.6616 1.9861 2.3676
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