Apakah kovarians sama dengan nol menyiratkan independensi untuk variabel acak biner?


14

Jika dan adalah dua variabel acak yang hanya dapat mengambil dua kemungkinan keadaan, bagaimana saya bisa menunjukkan bahwa menyiratkan independensi? Jenis ini bertentangan dengan apa yang saya pelajari kembali pada hari dimana tidak menyiratkan independensi ...XYCov(X,Y)=0Cov(X,Y)=0

Petunjuk mengatakan mulai dengan dan sebagai status yang memungkinkan dan digeneralisasi dari sana. Dan saya bisa melakukan itu dan menunjukkan , tetapi ini tidak menyiratkan independensi ???10E(XY)=E(X)E(Y)

Agak bingung bagaimana melakukan ini secara matematis, saya kira.


Itu tidak benar secara umum seperti judul pertanyaan Anda menyarankan ..
Michael R. Chernick

5
Pernyataan yang Anda coba buktikan memang benar. Jika dan adalah variabel acak Bernoulli masing-masing dengan parameter p 1 dan p 2 , maka E [ X ] = p 1 dan E [ Y ] = p 2 . Jadi, cov ( X , Y ) = E [ X Y ] - E [ X ] E [ Y ] sama dengan 0Xhanya jika E [ X YYp1p2E[X]=p1E[Y]=p2cov(X,Y)=E[XY]E[X]E[Y]0E[XY]=P{X=1,Y=1} sama denganp1p2=P{X=1}P{Y=1} menunjukkan bahwa{X=1} dan{Y=1} adalahindependen acara . Ini adalah hasil standar bahwa jika A dan Badalah sepasang peristiwa independen, maka begitu juga A,Bc , dan Ac,B , dan Ac,Bc peristiwa independen, yaitu X dan Y adalah variabel acak independen. Sekarang menggeneralisasi.
Dilip Sarwate

Jawaban:


23

Untuk variabel biner, nilai yang diharapkan sama dengan probabilitas bahwa mereka sama dengan satu. Karena itu,

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

Jika keduanya memiliki nol kovarians ini berarti E(XY)=E(X)E(Y) , yang berarti

P(X=1Y=1)=P(X=1)P(Y=1)

Sepele untuk melihat semua probabilitas gabungan lainnya berlipat ganda juga, menggunakan aturan dasar tentang peristiwa independen (yaitu jika A dan B independen, maka pelengkap mereka independen, dll.), Yang berarti fungsi massa sendi difaktorkan, yang merupakan definisi dari dua variabel acak yang independen.


2
Ringkas dan elegan. Berkelas! +1 = D
Marcelo Ventura

9

Baik korelasi dan kovarian mengukur hubungan linier antara dua variabel yang diberikan dan tidak berkewajiban untuk mendeteksi bentuk asosiasi lain apa pun.

Jadi kedua variabel tersebut dapat dikaitkan dengan beberapa cara non-linear dan kovarian (dan, oleh karena itu, korelasi) tidak dapat dibedakan dari kasus independen.

Sebagai sangat didaktik, buatan dan contoh non realistis, seseorang dapat mempertimbangkan X sehingga P(X=x)=1/3 untuk x=1,0,1 dan juga mempertimbangkan Y=X2 . Perhatikan bahwa mereka tidak hanya terkait, tetapi satu adalah fungsi dari yang lain. Meskipun demikian, kovarians mereka adalah 0, karena hubungan mereka ortogonal dengan asosiasi yang dapat dideteksi oleh kovarians.

EDIT

Memang, seperti yang ditunjukkan oleh @whuber, jawaban asli di atas sebenarnya adalah komentar tentang bagaimana pernyataan itu tidak benar secara universal jika kedua variabel tidak harus dikotomis. Salahku!

Jadi mari kita berhitung. (Setara dengan Barney Stinson's "Suit up!")

Kasus tertentu

Jika X dan Y keduanya dikotomis, maka Anda dapat mengasumsikan, tanpa kehilangan keumuman, bahwa keduanya hanya mengasumsikan nilai 0 dan 1 dengan probabilitas arbitrer p , q dan r diberikan oleh

P(X=1)=p[0,1]P(Y=1)=q[0,1]P(X=1,Y=1)=r[0,1],
yang mencirikan sepenuhnya distribusi gabungan dariXdanY. Mengambil petunjuk @ DilipSarwate, perhatikan bahwa ketiga nilai tersebut cukup untuk menentukan distribusi gabungan(X,Y), karena (Di samping catatan, tentu sajarterikat untuk menghormatip-r[0,1],q-r[0,1]dan1-p-q-r[
P(X=0,Y=1)=P(Y=1)P(X=1,Y=1)=qrP(X=1,Y=0)=P(X=1)P(X=1,Y=1)=prP(X=0,Y=0)=1P(X=0,Y=1)P(X=1,Y=0)P(X=1,Y=1)=1(qr)(pr)r=1pqr.
rpr[0,1]qr[0,1] luar r [ 0 , 1 ] , yaitu r [ 0 , min ( p , q , 1 - p - q ) ] .)1pqr[0,1]r[0,1]r[0,min(p,q,1pq)]

Perhatikan bahwa mungkin sama dengan produk p q = P ( X = 1 ) P ( Y = 1 ) , yang akan membuat X dan Y independen, karena P ( X = 0 , Y = 0 )r=P(X=1,Y=1)pq=P(X=1)P(Y=1)XY

P(X=0,Y=0)=1pqpq=(1p)(1q)=P(X=0)P(Y=0)P(X=1,Y=0)=ppq=p(1q)=P(X=1)P(Y=0)P(X=0,Y=1)=qpq=(1p)q=P(X=0)P(Y=1).

Ya, mungkin sama dengan p q , TAPI itu bisa berbeda, asalkan itu menghormati batas-batas di atas.rpq

Nah, dari distribusi bersama di atas, kita akan memiliki

E(X)=0P(X=0)+1P(X=1)=P(X=1)=pE(Y)=0P(Y=0)+1P(Y=1)=P(Y=1)=qE(XY)=0P(XY=0)+1P(XY=1)=P(XY=1)=P(X=1,Y=1)=rCov(X,Y)=E(XY)E(X)E(Y)=rpq

Now, notice then that X and Y are independent if and only if Cov(X,Y)=0. Indeed, if X and Y are independent, then P(X=1,Y=1)=P(X=1)P(Y=1), which is to say r=pq. Therefore, Cov(X,Y)=rpq=0; and, on the other hand, if Cov(X,Y)=0, then rpq=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=XabaandY=Ycdc
would be distributed just as characterized above, since
X=aX=0,X=bX=1,Y=cY=0andY=dY=1.
So X and Y are independent if and only if X and Y are independent.

Also, we would have

E(X)=E(Xaba)=E(X)abaE(Y)=E(Ycdc)=E(Y)cdcE(XY)=E(XabaYcdc)=E[(Xa)(Yc)](ba)(dc)=E(XYXcaY+ac)(ba)(dc)=E(XY)cE(X)aE(Y)+ac(ba)(dc)Cov(X,Y)=E(XY)E(X)E(Y)=E(XY)cE(X)aE(Y)+ac(ba)(dc)E(X)abaE(Y)cdc=[E(XY)cE(X)aE(Y)+ac][E(X)a][E(Y)c](ba)(dc)=[E(XY)cE(X)aE(Y)+ac][E(X)E(Y)cE(X)aE(Y)+ac](ba)(dc)=E(XY)E(X)E(Y)(ba)(dc)=1(ba)(dc)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.

independencezero cov, yet

zero covindependence.

Great example: XN(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=1Y=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=xY=y)xy=0 iff x×y0Pr(X=1Y=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(AB)=P(A)P(B).

But B=(AB)+(AcB), so P(B)=P(AB)+P(AcB), which yields:

P(AcB)=P(B)P(AB)=P(B)P(A)P(B)=P(B)[1P(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
Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.