Dados bivariados

Tabelas de dupla entrada, proporções condicionais, dispersão, covariância e correlação.

TLDR

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Em cada execução, regista o tamanho da tarefa e o tempo gasto. Cada execução dá um par (xi,yi)(x_i,y_i). Preservar os pares é essencial: ordenar cada coluna separadamente inventa relações que não foram observadas.

Duas variáveis categóricas

Uma tabela de dupla entrada conta cada combinação. Os totais das linhas e colunas são as frequências marginais. Para comparar grupos de tamanhos diferentes, calcula proporções dentro de cada grupo.

GrupoFalhouNão falhouTotal
A124860
B182240
Total3070100

A proporção global de falhas é 30/100=0,3030/100=0,30; no grupo A é 12/60=0,2012/60=0,20 e no grupo B é 18/40=0,4518/40=0,45. Embora B tenha menos unidades, a sua proporção de falhas é maior. Já 12/100=0,1212/100=0,12 é a proporção de unidades que pertencem a A e falharam; o denominador muda a pergunta. Um gráfico de barras com proporções por grupo permite comparar distribuições. Os valores observados sugerem uma associação. Um teste de independência avalia essa evidência sob um modelo amostral.

Uma variável quantitativa e uma categórica

Compara a variável quantitativa entre categorias usando caixas lado a lado na mesma escala. Observa centro, dispersão, assimetria e valores afastados. Caixas sobrepostas não demonstram igualdade de médias; caixas separadas não substituem um teste.

Se as categorias são «antes» e «depois» para as mesmas unidades, a tabela contém pares. Mostra também as diferenças individuais. Uma comparação que ignora o emparelhamento pode esconder uma alteração consistente.

Duas variáveis quantitativas

Um diagrama de dispersão coloca os pares (xi,yi)(x_i,y_i) no plano. Procura direção, forma, grupos e extremos antes de resumir a relação por um coeficiente.

A covariância amostral mede se os desvios em relação às médias tendem a ter o mesmo sinal:

sxy=1n−1∑i(xi−xˉ)(yi−yˉ)=∑ixiyi−nxˉyˉn−1.s_{xy}=\frac{1}{n-1}\sum_i(x_i-\bar x)(y_i-\bar y) =\frac{\sum_i x_i y_i-n\bar x\bar y}{n-1}.

Covariância positiva sugere que valores acima da média de X acompanham valores acima da média de Y. Uma covariância negativa sugere sentidos opostos. A sua unidade é o produto das duas unidades e o valor muda quando se muda de escala. Para ver o sinal, centra cada coluna na média e multiplica os desvios de cada par. A soma destes produtos dá o numerador da covariância.

A correlação de Pearson remove a escala:

r=sxysXsY,−1≤r≤1.r=\frac{s_{xy}}{s_Xs_Y},\qquad -1\le r\le1.

É definida quando os dois desvios são positivos. r=1r=1 ou r=−1r=-1 corresponde a uma relação linear perfeita com declive positivo ou negativo. Valores próximos de zero indicam pouca associação linear, mas podem coexistir com uma relação curva forte.

Cálculo da covariância e correlação

Considera (1,2),(2,4),(3,5),(4,9)(1,2),(2,4),(3,5),(4,9). Temos xˉ=2,5\bar x=2,5, yˉ=5\bar y=5, ∑xiyi=61\sum x_i y_i=61, ∑xi2=30\sum x_i^2=30 e ∑yi2=126\sum y_i^2=126.

Os produtos dos desvios mostram a origem do numerador:

Parxi−2,5x_i-2,5yi−5y_i-5Produto
(1,2)−1,5−34,5
(2,4)−0,5−10,5
(3,5)0,500
(4,9)1,546

A soma é 11. Assim,

sxy=61−4(2,5)(5)3=113,s_{xy}=\frac{61-4(2,5)(5)}3=\frac{11}3, sX2=30−4(2,5)23=53,sY2=126−4(5)23=263.s_X^2=\frac{30-4(2,5)^2}3=\frac53,\qquad s_Y^2=\frac{126-4(5)^2}3=\frac{26}3.

Assim,

r=11130≈0,9648.r=\frac{11}{\sqrt{130}}\approx0,9648.

Há uma associação linear positiva forte nesta amostra. Não concluímos que aumentar X cause Y. Pode existir um fator comum, uma seleção particular de unidades ou uma relação causal no sentido inverso.

Converter X de metros em centímetros multiplica a sua covariância com Y por 100 e o seu desvio por 100, deixando rr igual. Multiplicar X por um número negativo troca o sinal de rr. Somar constantes às colunas não altera a covariância nem a correlação.

Quando zero não significa ausência de relação

A figura compara os quatro pares usados na conta com x=−2,−1,0,1,2x=-2,-1,0,1,2 e y=x2y=x^2. No segundo caso, xˉ=0\bar x=0 e yˉ=2\bar y=2. Os produtos centrados são −4,1,0,−1,4-4,1,0,-1,4: somam zero. Como ambos os desvios são positivos, r=0r=0, embora Y seja completamente determinado por X.

r ≈ 0,9648012340510xyy = x²; r = 0-2-1012024xy
A correlação descreve a associação linear. A segunda figura mostra uma relação determinística que esse coeficiente não resume.

Exercícios

Proporções globais e dentro dos grupos

Num grupo A há 30 falhas em 90 unidades; em B há 10 em 20. Calcula a percentagem de falhas em cada grupo e na amostra total. Explica por que comparar 30 com 10 dá uma impressão diferente da comparação dentro dos grupos.

Pista

Escolhe o universo de cada pergunta antes do denominador.

Solução

Em A, 100(30/90)≈33,33%100(30/90)\approx33,33\%; em B, 100(10/20)=50%100(10/20)=50\%. Globalmente, 100(40/110)≈36,36%100(40/110)\approx36,36\%. A tem mais falhas em número absoluto porque tem mais unidades, mas B tem maior proporção. A percentagem global é uma média ponderada pelos tamanhos: 901103090+201101020=40110\frac{90}{110}\frac{30}{90}+\frac{20}{110}\frac{10}{20}=\frac{40}{110}, não a média simples das duas proporções.

Confere a tua resposta:

  • Obtive 33,33% em A e 50% em B.
  • Obtive 36,36% no total usando os tamanhos como pesos.
  • Expliquei a diferença entre contagem e proporção.
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Covariância e correlação

Cinco pares têm médias 3 e 5, soma dos produtos 90 e desvios amostrais 2 e 3. Calcula a correlação de Pearson.

Pista

Calcula a covariância antes de normalizar.

Solução

sxy=(90−75)/4=3,75s_{xy}=(90-75)/4=3,75. Assim, r=3,75/(2×3)=0,625r=3,75/(2\times3)=0,625. A covariância usa as unidades dos dados; a correlação é adimensional.

Erros frequentes

Não usar n em vez de n−1 num passo e desvios amostrais no outro.

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Correlação zero

Para x = −2, −1, 0, 1, 2 e y = x², a correlação é zero. Pode concluir-se que não há relação? Explica usando os pares.

Pista

Desenha os cinco pontos.

Solução

Não. Cada y é determinado por x². Os termos de covariância para x opostos cancelam-se, dando r=0. Pearson resume uma relação linear; o diagrama revela a relação curva.

Confere a tua resposta:

  • Identifica a relação determinística em forma de parábola.
  • Explica que os produtos centrados de x com y se cancelam por simetria.
  • Distingue ausência de associação linear de ausência de relação.

Erros frequentes

Não interpretar r=0 como prova de independência.

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Conservar os pares

Quatro pares são (1,2), (2,4), (3,5) e (4,9), com r aproximado 0,9648. Baralham-se os y para 9, 2, 4 e 5, mantendo os x por ordem. Calcula o novo r e explica o que aconteceu.

Pista

Os pares deixam de ser os observados.

Solução

Nos pares baralhados, a covariância é menos 1,6667 e r é menos 0,4385. Ordenar em separado troca os parceiros e inventa uma relação nova: a correlação passa de positiva a negativa e tem menor módulo. A covariância soma produtos de desvios do mesmo par, por isso exige os pares originais.

Confere a tua resposta:

  • Calcula r aproximado 0,9648 nos pares originais.
  • Calcula r aproximado menos 0,4385 depois de baralhar.
  • Explica que a fórmula multiplica desvios da mesma unidade.

Erros frequentes

Não calcular a correlação sobre colunas reordenadas.

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