典型相关分析《研究多个变量与多个变量之间的相关性》
典型相关分析及其应用实例
摘要典型相关分析是多元统计分析的一个重要研究课题.它是研究两组变量之间相关的一种统计分析方法，能够有效地揭示两组变量之间的相互线性依赖关系.它借助主成分分析降维的思想，用少数几对综合变量来反映两组变量间的线性相关性质.目前它已经在众多领域的相关分析和预测分析中得到广泛应用.本文首先描述了典型相关分析的统计思想，定义了总体典型相关变量及典型相关系数，并简要概述了它们的求解思路，然后深入对样本典型相关分析的几种算法做了比较全面的论述.根据典型相关分析的推理，归纳总结了它的一些重要性质并给出了证明，接着推导了典型相关系数的显著性检验.最后通过理论与实例分析两个层面论证了典型相关分析的应用于实际生活中的可行性与优越性.【关键词】典型相关分析，样本典型相关，性质，实际应用ABSTRACTThe Canonical Correlation Analysis is an important studying topicof the Multivariate Statistical Analysis. It is the statistical analysis method which studies the correlation between two sets of variables. It can work to reveal the mutual line dependence relation availably between two sets of variables. With the help of the thought about the Principal Components, we can use a few comprehensive variables to reflect the linear relationship between two sets of variables. Nowadays It has already been used widely in the correlation analysis and forecasted analysis.This text describes the statistical thought of the Canonical Correlation Analysis firstly, and then defines the total canonical correlation variables and canonical correlation coefficient, and sum uptheir solution method briefly. After it I go deep into discuss some algorithm of the sample canonical correlation analysis thoroughly. According to the reasoning of the Canonical Correlation Analysis, sum up some of its important properties and give the identification, following it, I infer the significance testing about the canonical correlation coefficient. According to the analysis from the theories and the application, we can achieve the possibility and the superiority from canonical correlation analysis in the real life.【Key words】Canonical Correlation Analysis，Sample canonical correlation，Character，Practical applications目录前言 1第1章典型相关分析的数学描述 2第2章典型变量与典型相关系数 32.1 总体典型相关 32.2 样本典型相关 42.2.1 第一对典型相关变量的解法 42.2.2 典型相关变量的一般解法 92.2.3 从相关矩阵出发计算典型相关 9第3章典型相关变量的性质 12第4章典型相关系数的显著性检验 16第5章典型相关分析的计算步骤及应用实例 195.1 典型相关分析的计算步骤 195.2 实例分析 20结语 27致谢 28参考文献 29附录 29前言典型相关分析(Canonical Correlation Analysis ,CCA)作为多元统计学的一个重要部分，是相关分析研究的一个主要内容.典型相关分析不仅其方法本身具有重要的理论意义，而且它还可以作为其他分析方法，如多重回归、判别分析和相应分析的工具，因此在多元分析方法中占有特殊的地位.典型相关的概念是在两个变量相关的基础上发展起来的.我们知道，两个随机变量的相关关系可以用它们的简单相关系数来衡量；一个随机变量与一组随机变量之间的相关关系可以用复相关系数来衡量.但考虑一组随机变量与另一组随机变量的关系时，如果运用两个变量的相关关系，分别考虑第一组每个变量和第二组中每个变量的相关，或者运用复相关关系，考虑一组变量中的每个变量和另一组变量的相关，这样做比较繁琐，抓不住要领.因此，为了用比较少的变量来反映两组变量之间的相关关系，一种考虑的思路就是类似主成分分析，考虑两组变量的线性组合，从这两个线性组合中找出最相关的综合变量，通过少数几个综合变量来反映两组变量的相关性质，这样便引出了典型相关分析.典型相关分析的基本思想是首先在每组变量中找出变量的线性组合，使其具有最大相关性，然后再在每组变量中找出第二对线性组合，使其分别与第一对线性组合不相关，而第二对本身具有最大的相关性，如此继续下去，直到两组变量之间的相关性被提取完毕为止.有了这样线性组合的最大相关，则讨论两组变量之间的相关，就转化为只研究这些线性组合的最大相关，从而减少研究变量的个数.典型相关分析是由Hotelling于1936年提出的.就目前而言，它的理论己经比较完善，计算机的发展解决了典型相关分析在应用中计算方面的困难，成为普遍应用的进行两组变量之间相关性分析技术.如在生态环境方面，用典型相关理论对预报场与因子场进行分析，实现了短期气象预测；借助典型相关，分析了植被与环境的关系；在社会生活领域，应用典型相关分析了物价指标和影响物价因素的相关关系等等.第1章典型相关分析的数学描述一般地，假设有一组变量与另一组变量，我们要研究这两组变量之间的相关关系，如何给两组变量之间的相关性以数量的描述.当1时，就是我们常见的研究两个变量与之间的简单相关关系，其相关系数是最常见的度量，定义为：当（或）时，维随机向量，设，，其中，是第一组变量的协方差阵，是第一组与第二组变量的协方差阵，是第二组变量的协方差阵.则称为与的全相关系数，全相关系数用于度量一个随机变量与另一组随机变量的相关系数.当时，利用主成分分析的思想，可以把多个变量与多个变量之间的相关化为两个新的综合变量之间的相关.也就是做两组变量的线性组合即其中，和为任意非零向量，于是我们把研究两组变量之间的问题化为研究两个变量之间的相关问题，希望寻求，使，之间最大可能的相关，我们称这种相关为典型相关，基于这种原则的分析方法就是典型相关分析.第2章典型变量与典型相关系数2.1 总体典型相关设有两组随机变量,,分别为随机向量，根据典型相关分析的思想，我们用和的线性组合和之间的相关性来研究两组随机变量和之间的相关性.我们希望找到，使得最大.由相关系数的定义易得出对任意常数，均有这说明使得相关系数最大的并不唯一.因此，为避免不必要的结果重复，我们在求综合变量时常常限定，于是，我们就有了下面的定义：设有两组随机变量，，维随机向量的均值向量为零，协方差阵（不妨设）.如果存在和，使得在约束条件，下，则称是的典型相关变量，它们之间的相关系数称为典型相关系数；其他典型相关变量定义如下：定义了前对典型相关变量之后，第对典型相关变量定义为：如果存在和，使得⑴和前面的对典型相关变量都不相关；⑵，；⑶的相关系数最大，则称是的第对（组）典型相关变量，它们之间的相关系数称为第个典型相关系数（）.2.2 样本典型相关以上是根据总体情况已知的情形进行，而实际研究中，总体均值向量和协方差阵通常是未知的，因而无法求得总体的典型相关变量和典型相关系数，首先需要根据观测到的样本数据阵对进行估计.2.2.1 第一对典型相关变量的解法设总体，已知总体的次观测数据为：（），于是样本数据阵为若假定则由参考文献【2】中定理2.5.1知协方差阵的最大似然估计为其中=，样本协方差矩阵为：。
典型相关分析方法研究
典型相关分析方法研究摘要：典型相关分析是研究两组变量（或两个随机向量）之间的相关关系的一种统计方法。
与仅研究二个变量间线性关系的简单相关分析相比,典型相关分析能揭示出两组变量之间的内在联系,且两组变量的数目可以改变,这确定了它的重要性。
随着计算机技术的发展,典型相关分析在各个行业试验研究中应用日渐广泛.本文主要介绍典型相关分析的基本原理与步骤并举例说明其应用.关键词:典型相关分析;基本原理；步骤；应用Abstract:Canonical correlation analysis is the study of two groups of variables （or two random vectors）a statistical method the relationship between the. Compared with only the simple correlation analysis of linear relationship between two variables and canonical correlation analysis can reveal the internal relations between two sets of variables，and the number of two groups of variables can change，this determines the importance of it. With the development of computer technology, the canonical correlation analysis system has been widely used in various industries in experimental study。
This paper mainly introduces the basic principle and procedure of canonical correlation analysis and examples of its application.Key words：Canonical correlation analysis; basic principle；step; application一、引言典型相关分析（Canonical Correlation Analysis 简称CCA)是处理两个随机矢量之间相关性的统计方法,在多元统计分析中占有非常重要的地位。
典型相关分析与多维标度法
分别对 a, b 求偏导并令为零, 得到 { ΣXY b − λ1 ΣXX a = 0 ΣY X a − λ2 ΣY Y b = 0 由此得到 λ1 = λ1 a′ ΣXX a = a′ ΣXY b = λ2
1 因此记 λ = λ1 = λ2 , 将 λb = Σ− Y Y ΣY X a 带入得到
广义特征根问题
A−1 ai , b∗ i = B −1 bi , ai , bi 为 X, Y 的第 i 对典型相关变量的系数.
∗ ∗′ ′ ′ (2) corr(a∗′ i X , b i Y ) = corr (ai X, bi Y ), 即线性变换不改变相
关性. 注: 若在定理中取 A = (diag ΣXX )1/2 , B = (diag ΣY Y )−1/2 , 则 前面关于协方差矩阵的结果都可以应用到相关系数矩阵下.
多维标度法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
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1
1.1
典型相关分析
• 典型相关分析 (Canonical correlation analysis, CCA) 研究多 个变量与多个变量之间的相关性 • 工厂对原料的主要质量指标 X = (X1 , . . . , Xp )′ 和产品质量的 主要指标 Y = (Y1 , . . . , Yq )′ 之间的关系很感兴趣 • 婚姻研究中, 小伙子对他所追求姑娘的主要指标 X 和姑娘向往 的主要指标 Y 之间的关系 • 直接使用 Cov (X, Y)(或者相关系数矩阵) 在多元场合无法从整 体上合适解释两者之间相关性 • Hotelling (1935,1936) 最早提出使用它们的线性组合变量 (典 型变量)a′ X 和 b′ Y 之间的相关性来度量 X 和 Y 之间的相关 性. 什么样的 a, b 合适呢? Previous Next First Last Back Forward 1
数据分析中的相关性分析方法与应用
数据分析中的相关性分析方法与应用数据分析在当今信息时代扮演着至关重要的角色。
它可以帮助我们理解数据之间的关系，揭示隐藏的模式和趋势。
在数据分析中，相关性分析是一种常用的方法，用于确定变量之间的关联程度。
本文将探讨相关性分析的方法和应用。
一、相关性分析的基本概念相关性是指两个或多个变量之间的关系程度。
它可以帮助我们了解变量之间的相互作用，并预测未来的趋势。
相关性分析通常通过计算相关系数来衡量。
常用的相关系数包括皮尔逊相关系数、斯皮尔曼相关系数和切比雪夫相关系数等。
1. 皮尔逊相关系数皮尔逊相关系数是最常用的相关系数之一，用于衡量两个连续变量之间的线性关系。
它的取值范围为-1到1，其中1表示完全正相关，-1表示完全负相关，0表示无相关。
通过计算样本数据的协方差和标准差，可以得出皮尔逊相关系数。
2. 斯皮尔曼相关系数斯皮尔曼相关系数用于衡量两个变量之间的等级关系。
它不要求变量呈现线性关系，而是通过将数据转换为等级来计算相关系数。
斯皮尔曼相关系数的取值范围也是-1到1，其中1表示完全正相关，-1表示完全负相关，0表示无相关。
3. 切比雪夫相关系数切比雪夫相关系数是一种非参数相关系数，用于衡量两个变量之间的最大差异。
它不依赖于数据的分布情况，适用于任何类型的数据。
切比雪夫相关系数的取值范围为0到1，其中0表示无相关，1表示完全相关。
二、相关性分析的应用相关性分析在各个领域都有广泛的应用。
以下是几个常见的应用场景。
1. 金融领域在金融领域，相关性分析可以帮助投资者了解不同资产之间的关系，从而制定更有效的投资策略。
例如，通过分析股票价格和利率之间的相关性，投资者可以预测股票市场的变化。
2. 市场营销在市场营销中，相关性分析可以帮助企业了解不同变量对销售额的影响程度。
通过分析广告投放、促销活动和销售额之间的相关性，企业可以优化市场策略，提高销售绩效。
3. 医学研究在医学研究中，相关性分析可以帮助研究人员了解不同变量之间的关系，从而揭示疾病的发病机制和预测疾病的风险。
对应分析、典型相关分析、定性数据分析
应用领域的拓展
对应分析的应用领域 拓展
随着数据科学和商业智能的不断 发展，对应分析的应用领域将不 断拓展，如市场细分、消费者行 为分析、社交网络分析等，对应 分析将为这些领域提供更有效的 分析和预测工具。
典型相关分析的应用 领域拓展
典型相关分析作为一种重要的多 元统计分析方法，其应用领域也 将不断拓展，如生物信息学、环 境科学、金融风险管理等，典型 相关分析将为这些领域提供更准 确的数据分析和预测工具。
典型相关分析
能够揭示两组变量之间的关联，但需要较大的样本量， 且对异常值敏感。
定性数据分析
能够挖掘数据中的模式和规律，但主观性强，需要经 验丰富的分析师进行操作。
05
对应分析、典型相关分析、定性数据分析的 未来发展
CHAPTER
新方法的出现
对应分析的新方法
随着数据科学和统计学的不断发展，对应分析的新方法将不断涌现，如基于机器学习的对应分析方法、网络分析方法 等，这些新方法将为对应分析提供更强大的工具和更广泛的应用领域。
心理学研究
在心理学研究中，对应分析可用于揭示人类行为和心理状态之间的关系。
例如，它可以用于研究不同性格类型或心理状态的人在不同情境下的行
为反应。
02 典型相关分析
CHAPTER
典型相关分析的定义
典型相关分析是一种多元统计分析方 法，用于研究两组变量之间的相关关 系。
它通过寻找两组变量之间的典型相关 变量，来解释两组变量之间的相互关 系。
市场调研
在市场调研中，定性数据分析可用于深入了解消费者需求、 态度和行为，为产品定位和市场策略提供依据。
01
社会学研究
在社会学研究中，定性数据分析常用于 探究社会现象、文化差异和群体行为等， 以揭示社会结构和动态。
典型相关分析
Var (u1 ) = a′Var ( X )a 1 = a′ Σ 11a 1 = 1 1 1
Var ( v 1 ) = b ′Var (Y)b 1 = b ′ Σ 22b 1 = 1 1 1
ρ u 1 , v 1 = C o v ( u 1 ,v 1 ) = a ′ C o v (X , Y )b 1 = a ′ Σ 1 2 b 1 1 1
cov(ui , v j ) = cov(a′x,b′jy ) i = a i cov(x,y )b′j = a′ Σ12b j i
λi , i = j = 0, i ≠ j
同对相关系数为 λi ，不同对则为零。
3、原始变量与典型变量之间的相关系数
R11 R= R21 R12 R22
结论： 2 既是M1又是M2的特征根， a1 和 b1是相应于 λ M1和M2的特征向量。 至此，典型相关分析转化为求M1和M2特征根和特 征向量的问题。 第一对典型变量提取了原始变量X与Y之间相关的 主要部分，如果这部分还不能足以解释原始变量，可 以在剩余的相关中再求出第二对典型变量和他们的典 型相关系数。
如何研究两组变量之间的相关关系呢？
x2
x1
y1
y2
x3
rx1 y1 rx2 y1 rx3 y1
rx1 y2 rx2 y2 rx3 y2
如何进一步确定两组变量在整体上的相关程度呢？
3
通常情况下，为了研究两组变量
(x1, x2 ,⋯, xp ) ( y1, y2 ,⋯, yq )
的相关关系，可以用最原始的方法，分别计 算两组变量之间的全部相关系数，一共有pq 个简单相关系数，这样又烦琐又不能抓住问 题的本质。如果能够采用类似于主成分的思 想，分别找出两组变量的各自的某个线性组 合，讨论线性组合之间的相关关系，则更简 捷。
多元统计分析 典型相关分析
第六步：验证与诊断
与其他的多元分析方法一样，典型相关分析的结 果应该验证，以保证结果不是只适合于样本，而是 适合于总体。最直接的方法是构造两个子样本（如 果样本量允许），在每个子样本上分别做分析。这 样结果可以比较典型函数的相似性、典型载荷等。 如果存在显著差别，研究者应深入分析，保证最后 结果是总体的代表而不只是单个样本的反映。
现在的问题是为每一组变量选取一个综合 变量作为代表；而一组变量最简单的综合形 式就是该组变量的线性组合。
由于一组变量可以有无数种线性组合（线 性组合由相应的系数确定），因此必须找到 既有意义又可以确定的线性组合。
典型相关分析的概念
典型相关分析(canonical correlation analysis)就是要找到这两组变量线性组 合的系数使得这两个由线性组合生成的 变量（和其他线性组合相比）之间的相 关系数最大。
2、典型载荷
由于典型权重的缺陷，典型载荷逐步成为 解释典型相关分析结果的基础。典型载荷， 也称典型结构相关系数，是原始变量（自变 量或者因变量）与它的典型变量间的简单线 性相关系数。典型载荷反映原始变量与典型 变量的共同方差，它的解释类似于因子载荷， 就是每个原始变量对典型函数的相对贡献。
3、典型交叉载荷
第五步：解释典型变量.
建立典型相关分析模型后，需要对模型的结果 进行解释，可以用以下三种方法来说明。
三种方法：
1 典型权重（标准化的典型变量系数）
2 典型载荷（解释典型相关分析结果的基础； 反应原始变量与典型变量的共同方差，即每 个原始变量对典型变量的相对贡献）
典型相关分析
典型相关分析研究的问题是，如何选取典型变量的最优线性组合。选取原则是：在所有 线性组合 U 和 V 中， 选取典型相关系数为最大的 U 和 V ， 即选取 a
(1) (1)
和b
(1)
使得 U 1 = a ′ X
(1) ( 2)
与 V1 = b ′ Y 之间的相关系数达到最大（在所有的 U 和 V 中） ，然后选取 a
说明， λ 既是矩阵 A ，同时也是矩阵 B 的特征值，同时也表明，相应的 a 与 b 分别是
2
特征值 λ 的特征向量。
2
而且，根据证明，矩阵 A 和 B 的特征值还具有以下的性质： （1）矩阵 A 和 B 有相同的非零特征值，且相等的非零特征值的数目就等于 p 。 （2）矩阵 A 和 B 的特征值非负。 （3）矩阵 A 和 B 的全部特征值均在 0 和 1 之间。 根据前边，我们知道，λ = ν = a ′
(
X 1 ， X 2 ，…， X p
)′
和Y =
(
Y1 ， Y2 ，…， Yq
)′ ，
E ( X ) = µ1
E (Y ) = µ 2 Cov ( X , Y ) = ∑ 12 =
于是，对于矩阵
Cov ( X ) = ∑ 11 Cov (Y ) = ∑ 22
第二组变量的均值和协方差为矩阵为
第一组与第二组变量的协方差为矩阵为
∑
12
b = ρ ，所以 λ 为其典型变量 U 和 V 之间的简单
相关系数。 又由于要求其相关系数达到最大(按习惯考虑为正相关)，所以取矩阵 A 或 B 的最大特 征值 λ1 的平方根 λ1 ，作为相关系致，同时由特征值 λ1 所对应的两个特征向量 a
2 2 (1)