Matemáticas 11.º

Coeficiente de correlación y recta de regresión

60 min · DBA 9

Lo que vas a aprender
  • Calcular el coeficiente de correlación de Pearson de un conjunto pequeño de datos e interpretar su signo y su tamaño.
  • Hallar la recta de regresión de mínimos cuadrados y usarla para predecir dentro del rango de los datos.
  • Reconocer que un coeficiente cercano a cero no descarta una relación curva, y que un coeficiente alto no prueba una causa.
  • Complementar la descripción de cada variable con su media, su desviación y su coeficiente de variación.

Para qué

¿Para qué sirve esto?

En la lección anterior decidiste si una nube de puntos sube o baja. Pero «sube» no basta para comparar: dos nubes pueden subir y una ser mucho más ordenada que la otra. Para decir qué tan fuerte es una relación lineal se usa un número, el coeficiente de correlación, y para resumirla y hacer predicciones se usa una recta calculada, la recta de regresión.

Con ellos un orientador puede decir, por ejemplo, cuántos aciertos en un simulacro suelen ir con cierta cantidad de horas de estudio, y también hasta dónde llega esa predicción y dónde deja de tener sentido.

Antes de empezar repasa la media, la desviación y el coeficiente de variación, y los cuadrantes de las medias de la lección anterior.

Explicación

Del signo al tamaño: el coeficiente de correlación

Recuerda la suma de productos $(x - \bar{x})(y - \bar{y})$ de todos los puntos. Su signo da la dirección, pero su tamaño depende de las unidades y de cuántos datos hay. Para tener una medida que no dependa de eso, se divide entre la raíz cuadrada del producto de las sumas de cuadrados de cada variable. Con las abreviaturas

$$S_{xy} = \sum (x - \bar{x})(y - \bar{y}), \qquad S_{xx} = \sum (x - \bar{x})^2, \qquad S_{yy} = \sum (y - \bar{y})^2,$$

el coeficiente de correlación de Pearson es

$$r = \frac{S_{xy}}{\sqrt{S_{xx}\, S_{yy}}}.$$

Si divides arriba y abajo entre $n$, aparecen las desviaciones que ya conoces: $r = \dfrac{S_{xy}/n}{\sigma_x\, \sigma_y}$. Por eso a $r$ no le importa si las desviaciones se calculan dividiendo entre $n$ o entre $n - 1$, siempre que se haga igual arriba y abajo. Al coeficiente de variación, en cambio, sí le importa, como se ve al final.

Cómo se lee r

  • $r$ siempre está entre $-1$ y $1$.
  • El signo es la dirección: positivo si la nube sube, negativo si baja.
  • El tamaño $|r|$ es la fuerza de la relación lineal. $r = 1$ o $r = -1$ solo pasa cuando todos los puntos están exactamente sobre una recta. Como guía aproximada, un $|r|$ mayor que $0{,}8$ suele llamarse fuerte, entre $0{,}5$ y $0{,}8$ moderado, y menor que $0{,}5$ débil; no es una regla fija y depende del tema.
  • $r$ no tiene unidades: no cambia si pasas las horas a minutos o los metros a centímetros.

Tres advertencias que valen más que la fórmula:

  1. $r$ cercano a cero no quiere decir «sin relación». Quiere decir «sin relación lineal». Los puntos pueden estar sobre una curva perfecta y dar $r = 0$, como verás en el último ejemplo. Por eso siempre se mira el diagrama antes de calcular.
  2. Un $r$ alto no prueba una causa. La tercera variable, la dirección contraria y el azar siguen ahí, aunque el número sea $0{,}99$.
  3. Un solo dato atípico puede subir o bajar mucho a $r$ cuando hay pocos datos.

La recta de regresión

Entre todas las rectas que se pueden trazar en la nube, ¿cuál es la mejor? Para cada punto, la distancia vertical entre el valor observado y el valor de la recta se llama residuo. La recta de mínimos cuadrados es la que hace más pequeña la suma de los cuadrados de los residuos. Su pendiente y su intercepto salen de las mismas sumas:

$$b = \frac{S_{xy}}{S_{xx}}, \qquad a = \bar{y} - b\,\bar{x}, \qquad \hat{y} = b\,x + a.$$

La segunda fórmula dice que la recta siempre pasa por el punto de las medias $(\bar{x};\ \bar{y})$. El sombrero de $\hat{y}$ recuerda que es una predicción, no un dato. La pendiente $b$ tiene el mismo signo que $r$ y sí tiene unidades: en el ejemplo de esta lección, aciertos por cada hora de estudio.

Predecir con cuidado

Una predicción dentro del rango de los datos (interpolación) es razonable si la relación es fuerte. Fuera de ese rango (extrapolación) nada garantiza que la tendencia siga: la recta no sabe que una prueba tiene un máximo de preguntas o que una planta deja de crecer.

La media, la desviación y el coeficiente de variación de cada variable

Antes de hablar de la relación conviene describir cada variable sola: su media, su desviación y su coeficiente de variación, $CV = \sigma / \bar{x}$. Como en todo el curso, $\sigma$ es la desviación poblacional, la que divide entre $n$. Con la muestral, que divide entre $n - 1$ (la de DESVEST o DESVEST.M en una hoja de cálculo y la tecla $s$ de muchas calculadoras), el CV sale un poco mayor; en una hoja de cálculo, la poblacional es DESVEST.P. El CV dice cuál de las dos variables está más dispersa en relación con su tamaño, aunque se midan en unidades distintas. La respuesta completa a una pregunta de asociación junta todo: cómo es cada variable, cómo es la nube, cuánto vale $r$ y qué dice la recta.

12345678910112468101214161820xyy = 1,3x + 3,5(10; 17)(5; 10)

Seis estudiantes inventados: horas de estudio en la semana anterior a un simulacro (x) y aciertos en sus 20 preguntas (y), con la recta de regresión. La recta pasa por el punto de las medias, (5; 10), que no es un estudiante.

Ejemplo resuelto

El coeficiente de correlación paso a paso

Seis estudiantes inventados anotaron sus horas de estudio en la semana anterior a un simulacro (x) y sus aciertos en las 20 preguntas (y): (1; 5), (3; 7), (4; 8), (5; 12), (7; 11), (10; 17). Calcula el coeficiente de correlación.

Ver la solución paso a paso
  1. La media de las horas: $\operatorname{media}\left(\left[1;\ 3;\ 4;\ 5;\ 7;\ 10\right]\right)$

  2. $5$

  3. La media de los aciertos: $\operatorname{media}\left(\left[5;\ 7;\ 8;\ 12;\ 11;\ 17\right]\right)$

  4. $10$

  5. Las distancias a la media son −4, −2, −1, 0, 2, 5 en x y −5, −3, −2, 2, 1, 7 en y. La suma de productos: $\left(1 - 5\right) \cdot \left(5 - 10\right) + \left(3 - 5\right) \cdot \left(7 - 10\right) + \left(4 - 5\right) \cdot \left(8 - 10\right) + \left(5 - 5\right) \cdot \left(12 - 10\right) + \left(7 - 5\right) \cdot \left(11 - 10\right) + \left(10 - 5\right) \cdot \left(17 - 10\right)$

  6. $20 + 6 + 2 + 0 + 2 + 35$

  7. $S_{xy} =$ $65$

  8. La suma de cuadrados de x: $\left(1 - 5\right)^{2} + \left(3 - 5\right)^{2} + \left(4 - 5\right)^{2} + \left(5 - 5\right)^{2} + \left(7 - 5\right)^{2} + \left(10 - 5\right)^{2}$

  9. $S_{xx} =$ $50$

  10. La suma de cuadrados de y: $\left(5 - 10\right)^{2} + \left(7 - 10\right)^{2} + \left(8 - 10\right)^{2} + \left(12 - 10\right)^{2} + \left(11 - 10\right)^{2} + \left(17 - 10\right)^{2}$

  11. $S_{yy} =$ $92$

  12. Reemplazamos en la fórmula: $\frac{65}{\sqrt{50 \cdot 92}}$

  13. $\frac{65}{\sqrt{4600}}$

  14. Con la calculadora, r está entre 0,958 y 0,959:

    $$0{,}958 < \frac{65}{\sqrt{4600}} < 0{,}959$$

  15. Lo mismo sale con las desviaciones poblacionales, dividiendo $S_{xy}$ entre los 6 datos:

    $$\frac{\frac{65}{6}}{σ\left(\left[1;\ 3;\ 4;\ 5;\ 7;\ 10\right]\right)σ\left(\left[5;\ 7;\ 8;\ 12;\ 11;\ 17\right]\right)} = \frac{65}{\sqrt{4600}}$$

Respuesta: r ≈ 0,96: en esta muestra hay una correlación lineal positiva y fuerte entre las horas de estudio y los aciertos.

Ejemplo resuelto

La recta de mínimos cuadrados

Con los mismos datos, halla la recta de regresión de los aciertos sobre las horas de estudio.

Ver la solución paso a paso
  1. La pendiente es $S_{xy}$ dividido entre $S_{xx}$: $\frac{65}{50}$

  2. $1{,}3$ aciertos por hora.

  3. El intercepto es $\bar{y} - b\,\bar{x}$: $10 - 1{,}3 \cdot 5$

  4. $3{,}5$

  5. La recta es $\hat{y} = 1{,}3x + 3{,}5$. Comprobamos que pasa por el punto de las medias, (5; 10):

    $$1{,}3 \cdot 5 + 3{,}5 = 10$$

  6. El residuo del estudiante que estudió 5 horas y acertó 12 es lo observado menos lo predicho:

    $$12 - \left(1{,}3 \cdot 5 + 3{,}5\right)$$

  7. $2$: acertó 2 preguntas más de lo que predice la recta.

Respuesta: La recta de regresión es ŷ = 1,3x + 3,5. En esta muestra, cada hora más de estudio va acompañada, en promedio, de 1,3 aciertos más.

Ejemplo resuelto

Interpolar sí, extrapolar con cuidado

Con la recta ŷ = 1,3x + 3,5, predice los aciertos de un estudiante que estudia 6 horas y los de uno que estudia 15 horas.

Ver la solución paso a paso
  1. Con 6 horas, dentro del rango de los datos (de 1 a 10 horas): $1{,}3 \cdot 6 + 3{,}5$

  2. $11{,}3$ aciertos, es decir, unos 11.

  3. Con 15 horas, fuera del rango: $1{,}3 \cdot 15 + 3{,}5$

  4. $23$ aciertos.

  5. Pero el simulacro tiene 20 preguntas, y la predicción las supera:

    $$23 > 20$$

Respuesta: Con 6 horas la recta predice unos 11,3 aciertos, una predicción razonable. Con 15 horas predice 23, que es imposible: la recta no sabe que la prueba tiene un tope, y por eso no se extrapola.

Ejemplo resuelto

r = 0 con una relación perfecta

Un dron de juguete inventado sube y baja. Cada segundo, desde t = 0 hasta t = 6, se anota su altura en metros: 0; 5; 8; 9; 8; 5; 0. Calcula su coeficiente de correlación entre tiempo y altura.

Ver la solución paso a paso
  1. La media del tiempo: $\operatorname{media}\left(\left[0;\ 1;\ 2;\ 3;\ 4;\ 5;\ 6\right]\right)$

  2. $3$

  3. La media de la altura: $\operatorname{media}\left(\left[0;\ 5;\ 8;\ 9;\ 8;\ 5;\ 0\right]\right)$

  4. $5$

  5. La suma de productos: $\left(0 - 3\right) \cdot \left(0 - 5\right) + \left(1 - 3\right) \cdot \left(5 - 5\right) + \left(2 - 3\right) \cdot \left(8 - 5\right) + \left(3 - 3\right) \cdot \left(9 - 5\right) + \left(4 - 3\right) \cdot \left(8 - 5\right) + \left(5 - 3\right) \cdot \left(5 - 5\right) + \left(6 - 3\right) \cdot \left(0 - 5\right)$

  6. $15 + 0 - 3 + 0 + 3 + 0 - 15$

  7. $0$. Como el numerador de r es cero, r = 0.

  8. Y sin embargo todos los puntos cumplen exactamente $h = 6t - t^2$. Por ejemplo, en t = 2:

    $$6 \cdot 2 - 2^{2} = 8$$

Respuesta: r = 0, aunque la altura depende por completo del tiempo: la relación es una loma, no una recta. Un r cercano a cero solo descarta una relación lineal.

123456712345678910xyy = 6x − x²(3; 9)

La altura del dron (y) contra el tiempo (x): los siete puntos están sobre y = 6x − x² y, sin embargo, r = 0.

Práctica

Calcula el coeficiente de correlación de los puntos (1; 2), (2; 4), (3; 5), (4; 4), (5; 5). Sus medias son 3 y 4. Escribe el resultado redondeado a la centésima.

Para los mismos puntos (1; 2), (2; 4), (3; 5), (4; 4), (5; 5), con medias 3 y 4, ¿cuál es la pendiente de la recta de regresión? Escríbela como decimal.

En un estudio inventado, S_xy = 30, S_xx = 20 y S_yy = 80. ¿Cuánto vale el coeficiente de correlación?

En otro estudio inventado, S_xy = −48 y S_xx = 32. ¿Cuál es la pendiente de la recta de regresión? Escríbela como decimal.

La recta de regresión de unos datos tiene pendiente 2,5, y las medias son x̄ = 6 e ȳ = 20. ¿Cuál es el intercepto a?

En una huerta escolar inventada, la recta de regresión entre los días desde la siembra (x) y la altura de unas plantas de maíz en centímetros (y) es $\hat{y} =$ $0{,}8x + 12$, calculada con plantas de entre 10 y 40 días. ¿Qué altura predice para una planta de 25 días?

En el ejemplo del simulacro, los aciertos fueron 5; 7; 8; 12; 11; 17. Con la desviación poblacional, la que divide entre el número de datos, ¿cuál es su coeficiente de variación, en porcentaje y redondeado a la décima?

Los puntos (−2; 4), (−1; 1), (0; 0), (1; 1), (2; 4) cumplen todos y = x², y sus medias son 0 y 2. ¿Verdadero o falso? Su suma de productos (x − x̄)(y − ȳ) es cero, así que su coeficiente de correlación es 0.

Los puntos (1; 1), (2; 3), (3; 2) tienen medias 2 y 2. Si x se pasa de horas a minutos, los puntos quedan (60; 1), (120; 3), (180; 2), con media de x igual a 120. ¿Verdadero o falso? El coeficiente de correlación no cambia.

Con los datos inventados de los seis estudiantes, r ≈ 0,96 entre horas de estudio y aciertos. ¿Cuál es la conclusión mejor sustentada?

Un estudiante usa la recta del simulacro para decir que quien estudie 30 horas tendrá unos 42 aciertos. ¿Qué está mal?

Reto

Completa el análisis de un estudio inventado.

En un estudio inventado, S_xy = 40, S_xx = 25 y S_yy = 100, con medias x̄ = 4 e ȳ = 10. Elige el valor de cada hueco.

Reto

Une cada cálculo con su resultado.

Cada ficha de la izquierda es un coeficiente de correlación, una pendiente, un intercepto o una predicción.

Cierre

En resumen

  • El coeficiente de correlación r = S_xy ÷ √(S_xx · S_yy) está entre −1 y 1; su signo es la dirección y su tamaño la fuerza de la relación lineal.

  • r no tiene unidades y no cambia al cambiar las unidades de las variables.

  • La recta de mínimos cuadrados tiene pendiente b = S_xy ÷ S_xx y pasa por el punto de las medias, así que a = ȳ − b·x̄.

  • Se predice con la recta dentro del rango de los datos; extrapolar puede dar valores imposibles.

  • Un r cercano a cero no descarta una relación curva, y un r alto no prueba una causa.

Vocabulario

Coeficiente de correlación

Número r entre −1 y 1 que mide qué tan cerca están los puntos de una recta y si esa recta sube o baja.

Recta de regresión

La recta y = bx + a que hace mínima la suma de los cuadrados de las distancias verticales de los puntos a la recta.

Residuo

La diferencia entre el valor observado de y y el que predice la recta para ese mismo x.

Extrapolación

Usar la recta para predecir fuera del rango de los datos observados; es poco confiable.

Guía para el docente

Tiempos

Preguntas para el salón

Errores típicos

Tarea sugerida

Con cinco o seis parejas de datos inventados o recogidos en el curso (por ejemplo, estatura y largo del pie), calcular las medias, las desviaciones poblacionales y los coeficientes de variación de cada variable, el coeficiente de correlación y la recta de regresión, comprobarlos en una hoja de cálculo y escribir un párrafo que responda la pregunta de asociación sin afirmar una causa.