2.1 L'idée : quatre zones autour du point moyen
Les droites passant par G, parallèles aux axes, partagent le plan en quatre zones. Pour un point Mi, on regarde le produit des écarts (xi−x)(yi−y) :
- il est positif si Mi est en haut à droite de G (deux écarts positifs) ou en bas à gauche (deux écarts négatifs) ;
- il est négatif dans les deux autres zones.
2.2 Définition
Définition. La covariance de x et de y est la moyenne des produits des écarts :
cov(x,y)=n1∑i=1n(xi−x)(yi−y).
Signe. Si la plupart des points sont dans les zones où le produit est positif, la covariance est positive : le nuage « monte ». Si elle est négative, le nuage « descend ». On remarque que cov(x,x)=V(x).
Théorème 1.
cov(x,y)=n1∑i=1nxiyi−xy.
Démonstration. (xi−x)(yi−y)=xiyi−yxi−xyi+xy. En faisant la moyenne, et comme n1∑xi=x et n1∑yi=y :
cov(x,y)=n1∑xiyi−yx−xy+xy=n1∑xiyi−xy.
Exemple 2. Covariance de la série de l'exemple 1, de deux façons.
- Par la définition. Avec x=6 et y=9 :
| xi |
3 |
4 |
6 |
7 |
7 |
9 |
Total |
| yi |
6 |
8 |
8 |
10 |
9 |
13 |
|
| xi−x |
−3 |
−2 |
0 |
1 |
1 |
3 |
|
| yi−y |
−3 |
−1 |
−1 |
1 |
0 |
4 |
|
| produit |
9 |
2 |
0 |
1 |
0 |
12 |
24 |
Donc cov(x,y)=624=4.
- Par le théorème 1. ∑xiyi=18+32+48+70+63+117=348, donc cov(x,y)=6348−6×9=58−54=4.
La covariance est positive : le nuage monte.
Exemple 3 (données simplifiées). Sur un quai de pêche artisanale, on relève pendant cinq jours la quantité de poisson débarquée x, en tonnes, et le prix moyen du kilo y, en centaines de francs CFA.
| xi (t) |
2 |
4 |
5 |
6 |
8 |
| yi (centaines de F CFA) |
11 |
7 |
7 |
5 |
5 |
x=525=5, y=535=7, ∑xiyi=22+28+35+30+40=155, donc
cov(x,y)=5155−5×7=31−35=−4.
La covariance est négative : les jours où il y a plus de poisson, le prix est plus bas.
2.4 Organiser les calculs
On présente les calculs dans un tableau à cinq lignes : xi, yi, xi2, yi2, xiyi, avec une colonne des totaux. Pour l'exemple 1 :
| xi |
3 |
4 |
6 |
7 |
7 |
9 |
36 |
| yi |
6 |
8 |
8 |
10 |
9 |
13 |
54 |
| xi2 |
9 |
16 |
36 |
49 |
49 |
81 |
240 |
| yi2 |
36 |
64 |
64 |
100 |
81 |
169 |
514 |
| xiyi |
18 |
32 |
48 |
70 |
63 |
117 |
348 |
Les totaux donnent tout le reste : x=6, y=9, V(x)=4, V(y)=314, cov(x,y)=4.
Remarque (changement d'origine ou d'unité). Si ui=αxi+β et vi=γyi+δ (α, β, γ, δ réels), alors ui−u=α(xi−x) et vi−v=γ(yi−y), d'où
u=αx+β,V(u)=α2V(x),cov(u,v)=αγcov(x,y).
On s'en sert pour simplifier les calculs, par exemple en remplaçant une année par son rang (exercices 2 et 4).