9 Covariância
9.1 Definição
O que acontece com a variância quando adicionamos variáveis?
Exemplo 9.1.
Lance cinco moedas justas. Seja o número de "Cara"nos primeiros dois lançamentos de moedas, e o número de "Cara"nos últimos três lançamentos de moedas. Seja o número total de "Cara"em todos os cinco lançamentos. Após cálculos (que omitimos), obtemos , e . Neste caso, a relação foi verificada. Isso é uma coincidência? Em quais condições essa relação é verificada?
Exemplo 9.2.
Suponha que e seja . Neste caso, temos , , , então .
Para entender melhor o que acontece com , expandimos:
(9.3) | ||||
(9.4) |
Definição 9.5 (Covariância).
Suponha que e são variáveis aleatórias discretas de variância quadrática integrável. Definimos a covariância de e como
A partir dos cálculos anteriores, vemos que se e somente se . Quando essa condição é satisfeita, dizemos que e são não correlacionados.
9.2 Propriedades
Vejamos as principais propriedades da covariância. Trocando e , temos
Substituindo no lugar de , obtemos
Proposição 9.6.
Suponha que , e são variáveis aleatórias discretas de variância quadrática integrável. Então
para todo .
Demonstração.
Basta expandir e agrupar:
(9.7) | ||||
(9.8) | ||||
(9.9) | ||||
(9.10) | ||||
(9.11) |
provando a identidade. ∎
Corolário 9.12.
Suponha que são variáveis aleatórias discretas de variância quadrática integrável. Então
para todo .
Demonstração.
Usando a proposição anterior repetidamente e a simetria,
(9.13) | ||||
(9.14) | ||||
(9.15) | ||||
(9.16) |
o que prova a identidade declarada. ∎
Corolário 9.17.
Sejam variáveis aleatórias discretas de variância quadrática integrável. Então
Demonstração.
Usando as propriedades anteriores,
(9.18) | ||||
(9.19) | ||||
(9.20) | ||||
(9.21) |
Definição 9.22.
Dizemos que uma coleção de variáveis aleatórias discretas de variância quadrática integrável é não correlacionada se para cada .
Corolário 9.23.
Se são variáveis aleatórias discretas não correlacionadas, então
Demonstração.
Aplique a fórmula anterior e observe que a covariância entre termos diferentes é zero. ∎
Isso nos dá a "lei da raiz quadrada": se são variáveis aleatórias discretas não correlacionadas com a mesma média e variância , então
Isso começa a explicar por que a lei das médias emerge quando somamos muitas variáveis aleatórias.
9.3 Somas de variáveis independentes duas a duas
Talvez uma expressão mais conveniente para a covariância:
Se e são independentes, então, pelo Teorema 7.28, .
Corolário 9.24.
Se são variáveis aleatórias discretas de variância quadrática integrável independentes duas a duas, então
Pela observação anterior, uma família de variáveis aleatórias discretas independentes duas a duas também é não correlacionada.