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Normal bivariante: marginales y predicción condicionada

Apuntes, tema 4 · 4.6.4 y 4.6.5: densidad normal bivariante, marginales y condicionalesAbrir el PDF en la página 11

Objetivos de la lección

  • Interpretar correlación y elipses de una normal conjunta.
  • Obtener una normal condicional con media y varianza correctas.

Apartado 1 de 4

Dos campanas marginales no bastan

Transcripción

Hola.

Modelemos dos señales medidas juntas: medias treinta y setenta, desviaciones cinco y ocho y correlación un cuarto.

Supondremos una normal bivariante, una distribución para parejas sobre todo el plano.

Tener dos marginales normales y esos momentos no basta por sí solo para demostrar normalidad conjunta.

Mu equis y mu i griega nombran los centros; sigma equis y sigma i griega son desviaciones, no varianzas.

Ro es su correlación.

Para una densidad no degenerada sobre el plano, las desviaciones son positivas y ro está estrictamente entre menos uno y uno, como el cuarto de este ejemplo.

Al integrar toda una coordenada obtenemos la marginal normal de la otra: equis tiene media treinta y varianza veinticinco; i griega, media setenta y varianza sesenta y cuatro.

Ro modifica la inclinación y el alargamiento de las elipses conjuntas, pero no cambia por sí sola esas marginales con los demás parámetros fijados.

Para comparar las dos direcciones quitamos a cada coordenada su centro y dividimos por su propia desviación.

Zeta equis es equis menos mu equis entre sigma equis: en el ejemplo, la distancia a treinta medida en unidades de cinco.

Esto elimina sus unidades originales.

En la otra coordenada usamos i griega menos setenta dividido entre ocho, según esta fórmula general.

Usar cinco en ambas confundiría las escalas.

Tipificar separadamente deja ambas marginales estándar, pero conserva la correlación: no vuelve independientes las señales.

Si ro valiera uno o menos uno, una señal tipificada determinaría linealmente la otra y el vector quedaría sobre una línea.

Seguiría habiendo una distribución, pero no esta densidad bidimensional ordinaria.

Distinguir esos casos degenerados evita dividir por cero al usar la fórmula del modelo sobre áreas.

Conocer X cambia la distribución de Y​

Supongamos normalidad conjunta, medias 12 y 30, desviaciones típicas 2 y 4 y correlación 0,6. Si observamos X=14, ¿cómo cambia nuestra incertidumbre sobre Y?

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La curva rosa mantiene la marginal de Y, con media 30 y desviación 4. La azul representa Y dado X=14: su media es 32,4 y su desviación es 3,2, no su varianza, que vale 10,24. Conocer X desplaza el centro y reduce la dispersión bajo este modelo; no determina exactamente Y ni demuestra causalidad.

Palabras y símbolos de esta lección​

X ∼ N(μ,σ²), Φ(z) · Normal y acumulada estándar

Se lee: equis sigue una normal de media mu y varianza sigma al cuadrado; fi de zeta.

∼ significa sigue la distribución. Φ devuelve el área a la izquierda en una normal de media cero y desviación uno.

Ejemplo: Φ(0) = 0,5: la mitad de la campana queda a la izquierda de su centro.

Cov(X,Y), ρ · Covarianza y correlación

Se lee: covarianza de equis e i griega; ro.

La covarianza compara si ambas medidas se alejan juntas de sus medias. La correlación divide por sus desviaciones y queda entre −1 y 1 si ambas desviaciones son positivas.

Ejemplo: Si al crecer X suele crecer Y, la asociación lineal puede ser positiva. No demuestra una causa.

P(A | B) · Condición conocida

Se lee: probabilidad de a dado be.

La barra significa dado que. Nos limitamos al grupo B y preguntamos qué parte también cumple A. No significa división ni independencia.

Ejemplo: Entre 40 plantas tratadas se recuperan 10: P(recuperar | tratada) = 10/40.

z = (x−μ)/σ · Tipificar

Se lee: zeta es equis menos mu dividido entre sigma.

Resta la media y divide por la desviación típica. El resultado indica cuántas desviaciones separan el valor del centro.

Ejemplo: Con media 40 y desviación 4, el valor 48 está a dos desviaciones: z = 2.

Var(X), σ², σ · Varianza y desviación típica

Se lee: varianza de equis; sigma al cuadrado; sigma.

La varianza promedia distancias a la media elevadas al cuadrado. Su raíz, la desviación típica, expresa la dispersión en las unidades originales.

Ejemplo: Desviación 3 mm significa varianza 9 mm².

eˣ, exp(x) · Exponencial natural

Se lee: e elevado a x; exponencial de x.

Son dos escrituras de la misma función. La base e vale aproximadamente 2,71828. Una calculadora científica permite evaluarla.

Ejemplo: e⁰ = 1; exp(−1) es aproximadamente 0,3679.

√x · Raíz cuadrada

Se lee: raíz cuadrada de x.

Devuelve el número no negativo cuyo cuadrado es x. Se usa con x no negativo.

Ejemplo: La raíz de 9 es 3 porque 3 × 3 = 9.

¿Una medida conocida ayuda a describir la otra?​

Medimos dos señales X e Y en la misma célula. Un modelo normal bivariante describe sus dos centros, sus dos dispersiones y la asociación lineal entre ellas, llamada correlación rho. Necesitamos suponer normalidad conjunta: dos histogramas normales por separado no la garantizan.

Supón medias treinta y setenta, desviaciones cinco y ocho y correlación 0,25. Observamos X = 40, diez por encima de su media. La media condicional de Y se desplaza: 70 + 0,25 × (8/5) × (40−30) = 74. Es el centro del grupo descrito por esa condición, no una predicción exacta.

Una campana sobre dos ejes​

La normal bivariante no degenerada se especifica con dos medias, dos desviaciones típicas positivas y una correlación estrictamente entre menos uno y uno. Las marginales son normales. La correlación orienta y alarga las elipses de densidad; no desplaza las medias marginales ni cambia sus varianzas por sí sola.

Tener dos marginales normales no basta para afirmar normalidad conjunta. La estructura conjunta es una hipótesis adicional. Los casos de correlación uno o menos uno concentran el vector en una línea y no tienen la densidad bidimensional ordinaria que usamos aquí. Un modelo degenerado necesita tratarse por separado.

La deducción de las marginales de Tema 4, 4.6.4 (páginas 11 y 12), parte de zx=(x−μX)/σX y zy=(y−μY)/σY. Completar el cuadrado significa reescribir zx2−2ρzxzy+zy2 = (zy−ρzx)2+(1−ρ2)zx2. Al expandir el cuadrado, su término ρ2zx2 se compensa con el del segundo sumando. Por eso la densidad se separa en f(x,y)=[e−zx2/2/(σX√(2π))] · [e−u2/2/(σY√(2π(1−ρ2)))], donde u=(zy−ρzx)/√(1−ρ2). El segundo factor depende de x: esta separación todavía no es independencia.

Fijando x e integrando respecto a y, el primer factor es constante. El cambio de variable satisface dy=σY√(1−ρ2) du y lleva los límites a −∞ y +∞. La integral del segundo factor es [1/√(2π)] ∫−∞∞e−u2/2 du=1. Para justificar la integral gaussiana, llama I a esa integral sin el factor: I2 integra e−(u2+v2)/2 en el plano. Como el integrando es no negativo se pueden reunir las integrales; en coordenadas polares el elemento de área es r dr dθ. Queda I2=∫02π∫0∞e−r2/2r dr dθ=2π, pues la integral radial es uno. I es positivo, así que I=√(2π).

Con ello fX(x)=e−zx2/2/(σX√(2π)): X sigue N(μX,σX2). Intercambiando x e y, usamos (zx−ρzy)2+(1−ρ2)zy2 y dx=σX√(1−ρ2) dv; obtenemos fY(y)=e−zy2/2/(σY√(2π)). La correlación desaparece al marginalizar porque el factor integrado está normalizado. En el ejemplo 4.6.3, μX=100, σX=15, μY=50, σY=10 y ρ=0,5: X∼N(100,225), Y∼N(50,100). En el ejemplo estándar con ρ=0,5 de la página 11, integrar la conjunta en x=1 da e−1/2/√(2π)≈0,2419707; es una densidad marginal, no P(X=1).