Pythonでのピアソン相関と有意性の計算

2つのリストを入力として受け取り、ピアソン相関と相関の有意性を返す関数を探しています。

あなたは見ることができますscipy.stats：

from pydoc import help
from scipy.stats.stats import pearsonr
help(pearsonr)

>>>
Help on function pearsonr in module scipy.stats.stats:

pearsonr(x, y)
 Calculates a Pearson correlation coefficient and the p-value for testing
 non-correlation.

 The Pearson correlation coefficient measures the linear relationship
 between two datasets. Strictly speaking, Pearson's correlation requires
 that each dataset be normally distributed. Like other correlation
 coefficients, this one varies between -1 and +1 with 0 implying no
 correlation. Correlations of -1 or +1 imply an exact linear
 relationship. Positive correlations imply that as x increases, so does
 y. Negative correlations imply that as x increases, y decreases.

 The p-value roughly indicates the probability of an uncorrelated system
 producing datasets that have a Pearson correlation at least as extreme
 as the one computed from these datasets. The p-values are not entirely
 reliable but are probably reasonable for datasets larger than 500 or so.

 Parameters
 ----------
 x : 1D array
 y : 1D array the same length as x

 Returns
 -------
 (Pearson's correlation coefficient,
  2-tailed p-value)

 References
 ----------
 http://www.statsoft.com/textbook/glosp.html#Pearson%20Correlation

ピアソンの相関関係はnumpyで計算できますcorrcoef。

import numpy
numpy.corrcoef(list1, list2)[0, 1]

別の方法としては、以下を計算するlinregressのネイティブscipy関数を使用できます。

勾配：回帰直線の勾配

切片：回帰直線の切片

r値：相関係数

p値：帰無仮説が勾配がゼロであるという仮説検定の両側p値

stderr：推定の標準誤差

そしてここに例があります：

a = [15, 12, 8, 8, 7, 7, 7, 6, 5, 3]
b = [10, 25, 17, 11, 13, 17, 20, 13, 9, 15]
from scipy.stats import linregress
linregress(a, b)

あなたを返します：

LinregressResult(slope=0.20833333333333337, intercept=13.375, rvalue=0.14499815458068521, pvalue=0.68940144811669501, stderr=0.50261704627083648)

scipyをインストールしたくない場合は、プログラミングコレクティブインテリジェンスから少し変更した次のクイックハックを使用しました。

（正確性のために編集。）

from itertools import imap

def pearsonr(x, y):
  # Assume len(x) == len(y)
  n = len(x)
  sum_x = float(sum(x))
  sum_y = float(sum(y))
  sum_x_sq = sum(map(lambda x: pow(x, 2), x))
  sum_y_sq = sum(map(lambda x: pow(x, 2), y))
  psum = sum(imap(lambda x, y: x * y, x, y))
  num = psum - (sum_x * sum_y/n)
  den = pow((sum_x_sq - pow(sum_x, 2) / n) * (sum_y_sq - pow(sum_y, 2) / n), 0.5)
  if den == 0: return 0
  return num / den

次のコードは、定義をまっすぐに解釈したものです。

import math

def average(x):
    assert len(x) > 0
    return float(sum(x)) / len(x)

def pearson_def(x, y):
    assert len(x) == len(y)
    n = len(x)
    assert n > 0
    avg_x = average(x)
    avg_y = average(y)
    diffprod = 0
    xdiff2 = 0
    ydiff2 = 0
    for idx in range(n):
        xdiff = x[idx] - avg_x
        ydiff = y[idx] - avg_y
        diffprod += xdiff * ydiff
        xdiff2 += xdiff * xdiff
        ydiff2 += ydiff * ydiff

    return diffprod / math.sqrt(xdiff2 * ydiff2)

テスト：

print pearson_def([1,2,3], [1,5,7])

戻り値

0.981980506062

これは、それぞれ0.981980506、0.9819805060619657、0.98198050606196574を返すExcel、この計算機、SciPy（NumPyとも同じ）と一致します。

R：

> cor( c(1,2,3), c(1,5,7))
[1] 0.9819805

編集：コメント投稿者が指摘したバグを修正しました。

あなたもこれを行うことができますpandas.DataFrame.corr：

import pandas as pd
a = [[1, 2, 3],
     [5, 6, 9],
     [5, 6, 11],
     [5, 6, 13],
     [5, 3, 13]]
df = pd.DataFrame(data=a)
df.corr()

これは与える

          0         1         2
0  1.000000  0.745601  0.916579
1  0.745601  1.000000  0.544248
2  0.916579  0.544248  1.000000

numpy / scipyに依存するのではなく、ピアソン相関係数（PCC）を計算する手順をコーディングして理解するのが最も簡単な答えになると思います。

import math

# calculates the mean
def mean(x):
    sum = 0.0
    for i in x:
         sum += i
    return sum / len(x) 

# calculates the sample standard deviation
def sampleStandardDeviation(x):
    sumv = 0.0
    for i in x:
         sumv += (i - mean(x))**2
    return math.sqrt(sumv/(len(x)-1))

# calculates the PCC using both the 2 functions above
def pearson(x,y):
    scorex = []
    scorey = []

    for i in x: 
        scorex.append((i - mean(x))/sampleStandardDeviation(x)) 

    for j in y:
        scorey.append((j - mean(y))/sampleStandardDeviation(y))

# multiplies both lists together into 1 list (hence zip) and sums the whole list   
    return (sum([i*j for i,j in zip(scorex,scorey)]))/(len(x)-1)

PCC の重要性は、基本的に2つの変数/リストがどれほど強く相関しているかを示すことです。PCC値の範囲は-1から1であることに注意することが重要です。0から1の間の値は、正の相関を示します。値0 =変動が最も大きい（相関はまったくない）。-1から0までの値は、負の相関を示します。

Pythonでパンダを使用したピアソン係数の計算：データにリストが含まれているため、このアプローチを試すことをお勧めします。データ構造を視覚化して必要に応じて更新できるため、データを操作してコンソールから簡単に操作できます。データセットをエクスポートして保存し、後で分析するためにpythonコンソールから新しいデータを追加することもできます。このコードはより単純で、コードの行数が少なくなっています。さらに分析するためにデータをスクリーニングするために数行の短いコードが必要だと思います

例：

data = {'list 1':[2,4,6,8],'list 2':[4,16,36,64]}

import pandas as pd #To Convert your lists to pandas data frames convert your lists into pandas dataframes

df = pd.DataFrame(data, columns = ['list 1','list 2'])

from scipy import stats # For in-built method to get PCC

pearson_coef, p_value = stats.pearsonr(df["list 1"], df["list 2"]) #define the columns to perform calculations on
print("Pearson Correlation Coefficient: ", pearson_coef, "and a P-value of:", p_value) # Results 

ただし、データセットのサイズや分析の前に必要になる可能性のある変換を確認するために、データを投稿していません。

うーん、これらの応答の多くはコードが長くて読みにくいです...

配列を扱う場合は、numpyとその気の利いた機能を使用することをお勧めします。

import numpy as np
def pcc(X, Y):
   ''' Compute Pearson Correlation Coefficient. '''
   # Normalise X and Y
   X -= X.mean(0)
   Y -= Y.mean(0)
   # Standardise X and Y
   X /= X.std(0)
   Y /= Y.std(0)
   # Compute mean product
   return np.mean(X*Y)

# Using it on a random example
from random import random
X = np.array([random() for x in xrange(100)])
Y = np.array([random() for x in xrange(100)])
pcc(X, Y)

これは、numpyを使用したピアソン相関関数の実装です。

def corr(data1, data2):
    "data1 & data2 should be numpy arrays."
    mean1 = data1.mean() 
    mean2 = data2.mean()
    std1 = data1.std()
    std2 = data2.std()

#     corr = ((data1-mean1)*(data2-mean2)).mean()/(std1*std2)
    corr = ((data1*data2).mean()-mean1*mean2)/(std1*std2)
    return corr

これは、それよりもはるかに高速に実行されるmkhの回答の変形と、numbaを使用したscipy.stats.pearsonrです。

import numba

@numba.jit
def corr(data1, data2):
    M = data1.size

    sum1 = 0.
    sum2 = 0.
    for i in range(M):
        sum1 += data1[i]
        sum2 += data2[i]
    mean1 = sum1 / M
    mean2 = sum2 / M

    var_sum1 = 0.
    var_sum2 = 0.
    cross_sum = 0.
    for i in range(M):
        var_sum1 += (data1[i] - mean1) ** 2
        var_sum2 += (data2[i] - mean2) ** 2
        cross_sum += (data1[i] * data2[i])

    std1 = (var_sum1 / M) ** .5
    std2 = (var_sum2 / M) ** .5
    cross_mean = cross_sum / M

    return (cross_mean - mean1 * mean2) / (std1 * std2)

以下は、スパースベクトルに基づくピアソン相関の実装です。ここでのベクトルは、（インデックス、値）として表されるタプルのリストとして表されます。2つのスパースベクトルは異なる長さでもかまいませんが、すべてのベクトルサイズは同じでなければなりません。これは、ほとんどの機能が単語のバッグであるためにベクトルサイズが非常に大きいため、通常、スパースベクトルを使用して計算が実行されるテキストマイニングアプリケーションに役立ちます。

def get_pearson_corelation(self, first_feature_vector=[], second_feature_vector=[], length_of_featureset=0):
    indexed_feature_dict = {}
    if first_feature_vector == [] or second_feature_vector == [] or length_of_featureset == 0:
        raise ValueError("Empty feature vectors or zero length of featureset in get_pearson_corelation")

    sum_a = sum(value for index, value in first_feature_vector)
    sum_b = sum(value for index, value in second_feature_vector)

    avg_a = float(sum_a) / length_of_featureset
    avg_b = float(sum_b) / length_of_featureset

    mean_sq_error_a = sqrt((sum((value - avg_a) ** 2 for index, value in first_feature_vector)) + ((
        length_of_featureset - len(first_feature_vector)) * ((0 - avg_a) ** 2)))
    mean_sq_error_b = sqrt((sum((value - avg_b) ** 2 for index, value in second_feature_vector)) + ((
        length_of_featureset - len(second_feature_vector)) * ((0 - avg_b) ** 2)))

    covariance_a_b = 0

    #calculate covariance for the sparse vectors
    for tuple in first_feature_vector:
        if len(tuple) != 2:
            raise ValueError("Invalid feature frequency tuple in featureVector: %s") % (tuple,)
        indexed_feature_dict[tuple[0]] = tuple[1]
    count_of_features = 0
    for tuple in second_feature_vector:
        count_of_features += 1
        if len(tuple) != 2:
            raise ValueError("Invalid feature frequency tuple in featureVector: %s") % (tuple,)
        if tuple[0] in indexed_feature_dict:
            covariance_a_b += ((indexed_feature_dict[tuple[0]] - avg_a) * (tuple[1] - avg_b))
            del (indexed_feature_dict[tuple[0]])
        else:
            covariance_a_b += (0 - avg_a) * (tuple[1] - avg_b)

    for index in indexed_feature_dict:
        count_of_features += 1
        covariance_a_b += (indexed_feature_dict[index] - avg_a) * (0 - avg_b)

    #adjust covariance with rest of vector with 0 value
    covariance_a_b += (length_of_featureset - count_of_features) * -avg_a * -avg_b

    if mean_sq_error_a == 0 or mean_sq_error_b == 0:
        return -1
    else:
        return float(covariance_a_b) / (mean_sq_error_a * mean_sq_error_b)

単体テスト：

def test_get_get_pearson_corelation(self):
    vector_a = [(1, 1), (2, 2), (3, 3)]
    vector_b = [(1, 1), (2, 5), (3, 7)]
    self.assertAlmostEquals(self.sim_calculator.get_pearson_corelation(vector_a, vector_b, 3), 0.981980506062, 3, None, None)

    vector_a = [(1, 1), (2, 2), (3, 3)]
    vector_b = [(1, 1), (2, 5), (3, 7), (4, 14)]
    self.assertAlmostEquals(self.sim_calculator.get_pearson_corelation(vector_a, vector_b, 5), -0.0137089240555, 3, None, None)

私にはこれに対する非常にシンプルで理解しやすい解決策があります。等しい長さの2つの配列の場合、ピアソン係数は次のように簡単に計算できます。

def manual_pearson(a,b):
"""
Accepts two arrays of equal length, and computes correlation coefficient. 
Numerator is the sum of product of (a - a_avg) and (b - b_avg), 
while denominator is the product of a_std and b_std multiplied by 
length of array. 
"""
  a_avg, b_avg = np.average(a), np.average(b)
  a_stdev, b_stdev = np.std(a), np.std(b)
  n = len(a)
  denominator = a_stdev * b_stdev * n
  numerator = np.sum(np.multiply(a-a_avg, b-b_avg))
  p_coef = numerator/denominator
  return p_coef

特定の方向の相関（負または正の相関）を探すコンテキストで確率をどのように解釈するのか疑問に思われるかもしれません。これを助けるために私が書いた関数は次のとおりです。それも正しいかもしれません！

それは私がから収集情報に基づいていますhttp://www.vassarstats.net/rsig.htmlとhttp://en.wikipedia.org/wiki/Student%27s_t_distribution、他の回答のおかげでここに掲載しました。

# Given (possibly random) variables, X and Y, and a correlation direction,
# returns:
#  (r, p),
# where r is the Pearson correlation coefficient, and p is the probability
# that there is no correlation in the given direction.
#
# direction:
#  if positive, p is the probability that there is no positive correlation in
#    the population sampled by X and Y
#  if negative, p is the probability that there is no negative correlation
#  if 0, p is the probability that there is no correlation in either direction
def probabilityNotCorrelated(X, Y, direction=0):
    x = len(X)
    if x != len(Y):
        raise ValueError("variables not same len: " + str(x) + ", and " + \
                         str(len(Y)))
    if x < 6:
        raise ValueError("must have at least 6 samples, but have " + str(x))
    (corr, prb_2_tail) = stats.pearsonr(X, Y)

    if not direction:
        return (corr, prb_2_tail)

    prb_1_tail = prb_2_tail / 2
    if corr * direction > 0:
        return (corr, prb_1_tail)

    return (corr, 1 - prb_1_tail)

この記事をご覧ください。これは、（Python用の）pandasライブラリを使用して複数のファイルからの過去の外国為替通貨ペアデータに基づいて相関を計算し、seabornライブラリを使用してヒートマッププロットを生成するための、十分に文書化された例です。

http://www.tradinggeeks.net/2015/08/calculating-correlation-in-python/

def pearson(x,y):
  n=len(x)
  vals=range(n)

  sumx=sum([float(x[i]) for i in vals])
  sumy=sum([float(y[i]) for i in vals])

  sumxSq=sum([x[i]**2.0 for i in vals])
  sumySq=sum([y[i]**2.0 for i in vals])

  pSum=sum([x[i]*y[i] for i in vals])
  # Calculating Pearson correlation
  num=pSum-(sumx*sumy/n)
  den=((sumxSq-pow(sumx,2)/n)*(sumySq-pow(sumy,2)/n))**.5
  if den==0: return 0
  r=num/den
  return r