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Rangkorrelation nach Spearman und Kendall

Der Korrelationskoeffizient nach Pearson misst, wie gut eine Gerade zu den Punkten passt. Oft interessiert aber nur: Gehört zu einem größeren x-Wert meistens auch ein größerer y-Wert? Oder es gibt gar keine Messwerte, sondern nur Platzierungen. Dann nimmt man eine Rangkorrelation: Spearmans $r_s$ oder Kendalls $\tau$. Beide messen monotone Zusammenhänge und sind unempfindlich gegen Ausreißer.

Spearmans Rangkorrelationskoeffizient

Man ersetzt die x-Werte und die y-Werte getrennt durch ihre Ränge und berechnet für jedes Paar die Rangdifferenz $d_i$. Stimmen die Rangfolgen genau überein, sind alle $d_i = 0$.

Merke: Spearman ohne gleiche Werte

\[r_s = 1 - \frac{6 \sum d_i^2}{n(n^2 - 1)}\]

$r_s = 1$: gleiche Rangfolge, $r_s = -1$: genau umgekehrte Rangfolge, $r_s \approx 0$: kein monotoner Zusammenhang. Gibt es gleiche Werte (Durchschnittsränge), berechnet man $r_s$ genauer als Pearson-Korrelation der Ränge; die Kurzformel ist dann nur eine Näherung.

Sind sich zwei Jurys einig?

Beim Backwettbewerb platzieren zwei Jurys dieselben sieben Kuchen A bis G:

KuchenABCDEFG
Jury 11234567
Jury 22143756
d−1+1−1+1−2+1+1
d²1111411

$\sum d_i^2 = 10$ und damit $r_s = 1 - \frac{6 \cdot 10}{7 \cdot 48} = 1 - \frac{60}{336} \approx 0{,}821$ – die Jurys sind sich weitgehend einig. Nur bei Kuchen E gehen die Meinungen um zwei Plätze auseinander.

Kendalls Tau

Kendall schaut auf Paare von Objekten: Zwei Kuchen sind konkordant, wenn beide Jurys sie in derselben Reihenfolge sehen, und diskordant, wenn die Jurys sie vertauschen. Bei $n$ Objekten gibt es $\binom{n}{2}$ Paare.

Merke: Kendall ohne gleiche Werte

\[\tau = \frac{n_c - n_d}{\binom{n}{2}}\]

$n_c$ = Anzahl konkordanter, $n_d$ = Anzahl diskordanter Paare. Auch $\tau$ liegt zwischen −1 und 1. Bei gleichen Werten nimmt man $\tau_b$, das Paare mit Gleichstand im Nenner herausrechnet.

Im Beispiel sind von den 21 Paaren 4 vertauscht (A–B, C–D, E–F, E–G), also $n_c = 17$, $n_d = 4$ und $\tau = \frac{17 - 4}{21} \approx 0{,}619$. Kendalls $\tau$ ist fast immer kleiner als $r_s$, lässt sich aber anschaulicher deuten: Zieht man zwei Kuchen zufällig, stimmen die Jurys mit Wahrscheinlichkeit $\frac{1 + \tau}{2} \approx 0{,}81$ in der Reihenfolge überein.

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Ist der Zusammenhang signifikant?

Getestet wird $H_0\!: \rho_s = 0$ (kein monotoner Zusammenhang). Bei kleinem $n$ ohne gleiche Werte lassen sich alle $n!$ Anordnungen der Ränge abzählen: Für die Kuchen ist $P(r_s \geq 0{,}821) \approx 0{,}017$, rechtsseitig wird $H_0$ bei α = 5 % also abgelehnt. Mit Kendall ergibt sich $p \approx 0{,}035$. Für größere $n$ benutzt man

\[t = r_s \sqrt{\frac{n - 2}{1 - r_s^2}} \quad \text{(t-Verteilung mit } n - 2 \text{ Freiheitsgraden)} \qquad z = \frac{3 (n_c - n_d)}{\sqrt{n(n - 1)(2n + 5) : 2}} \quad \text{(Kendall)}\]

Kritische Werte für r_s (zweiseitig)

$H_0$ wird abgelehnt, wenn $|r_s|$ mindestens so groß ist wie der Tabellenwert. Bis $n = 8$ sind die Werte exakt abgezählt, darüber über die t-Verteilung genähert.

nα = 5 %α = 1 %berechnet
50,950–exakt
60,8570,971exakt
70,7680,911exakt
80,7260,869exakt
90,6660,798Näherung über t
100,6320,765Näherung über t
110,6020,735Näherung über t
120,5760,708Näherung über t
140,5320,661Näherung über t
160,4970,623Näherung über t
180,4680,590Näherung über t
200,4440,561Näherung über t
250,3960,505Näherung über t
300,3610,463Näherung über t
400,3120,403Näherung über t
500,2790,361Näherung über t

Rangkorrelation oder Pearson?

Monoton, aber nicht linear

Übungszeit in Stunden und erreichte Punkte: (1|20); (2|38); (3|50); (4|58); (6|66); (8|70); (10|72); (12|73). Mit jeder Stunde gibt es mehr Punkte, aber der Zuwachs wird immer kleiner. Die Rangfolgen stimmen perfekt überein: $r_s = 1$. Der Pearson-Koeffizient ist dagegen nur $r \approx 0{,}879$, weil die Punkte auf einer Kurve und nicht auf einer Geraden liegen.

  • Pearson (Regression und Korrelation): linearer Zusammenhang, Messwerte, empfindlich gegen Ausreißer.
  • Spearman: monotoner Zusammenhang, auch für Platzierungen und Noten; entspricht Pearson auf den Rängen.
  • Kendall: ebenfalls monoton, anschaulich über Paare, bei vielen gleichen Werten und kleinen Stichproben oft bevorzugt.

Wie bei jeder Korrelation gilt: Ein Zusammenhang ist noch keine Ursache. Eigene Wertepaare mit Rangtabelle und Streudiagramm der Ränge rechnet der Rangkorrelations-Rechner.

Übungsaufgaben

Stufe 1: r_s aus Σd², Stufe 2: r_s aus Wertepaaren, Stufe 3: Signifikanz mit dem t-Test.

Stufe 1 Stufe 2 Stufe 3 Neue Aufgaben

Stufe 1: r_s aus Σd²

  1. Aufgabe 1
    \(n = 14,\ \sum d_i^2 = 826\text{. } r_s\text{?}\)
    \(r_s \approx\)
    \(r_s = 1 - \tfrac{6 \cdot 826}{14 \cdot (14^2 - 1)}\) \(= 1 - \tfrac{4956}{2730}\) \(\approx -0{,}815\)
  2. Aufgabe 2
    \(n = 15,\ \sum d_i^2 = 858\text{. } r_s\text{?}\)
    \(r_s \approx\)
    \(r_s = 1 - \tfrac{6 \cdot 858}{15 \cdot (15^2 - 1)}\) \(= 1 - \tfrac{5148}{3360}\) \(\approx -0{,}532\)
  3. Aufgabe 3
    \(n = 8,\ \sum d_i^2 = 168\text{. } r_s\text{?}\)
    \(r_s \approx\)
    \(r_s = 1 - \tfrac{6 \cdot 168}{8 \cdot (8^2 - 1)}\) \(= 1 - \tfrac{1008}{504}\) \(= -1\)
  4. Aufgabe 4
    \(n = 7,\ \sum d_i^2 = 102\text{. } r_s\text{?}\)
    \(r_s \approx\)
    \(r_s = 1 - \tfrac{6 \cdot 102}{7 \cdot (7^2 - 1)}\) \(= 1 - \tfrac{612}{336}\) \(\approx -0{,}821\)
  5. Aufgabe 5
    \(n = 8,\ \sum d_i^2 = 142\text{. } r_s\text{?}\)
    \(r_s \approx\)
    \(r_s = 1 - \tfrac{6 \cdot 142}{8 \cdot (8^2 - 1)}\) \(= 1 - \tfrac{852}{504}\) \(\approx -0{,}69\)
  6. Aufgabe 6
    \(n = 12,\ \sum d_i^2 = 472\text{. } r_s\text{?}\)
    \(r_s \approx\)
    \(r_s = 1 - \tfrac{6 \cdot 472}{12 \cdot (12^2 - 1)}\) \(= 1 - \tfrac{2832}{1716}\) \(\approx -0{,}65\)

Tippe Deine Lösung ein und klicke auf „Prüfen“ (oder drücke Enter). Brüche als 3/4, Dezimalzahlen mit Komma, mehrere Lösungen mit ; trennen, Potenzen als x^2, Wurzeln als sqrt(5). Punkte: 10 für richtig beim ersten Versuch, 6 nach einem Fehlversuch, 5 mit Tipp, 0 wenn Du Dir vorher die Lösung anschaust. Deine Punkte und Abzeichen siehst Du unter Mein Training.

Arbeitsblatt: Rangkorrelation nach Spearman

Eine volle DIN-A4-Seite Aufgaben mit Lösungsblatt zum Ausdrucken – bei jedem Klick neue Aufgaben. Klasse 12–13.

Schwierigkeit

Weiterlesen: Rangkorrelationskoeffizient, Kendalls Tau bei Wikipedia

RechnerRangkorrelations-Rechner – Spearman und Kendall mit p-WertWertepaare eingeben und Rangtabelle, Spearmans r_s, Kendalls τ, exakten oder genäherten p-Wert, Entscheidung und Streudiagramm der Ränge erhalten.Klasse 12–13 · Studium & BrückenkursErklärungRegression und Korrelation – Regressionsgerade, Kovarianz, Korrelationskoeffizient und R²Streudiagramm, Kovarianz, Korrelationskoeffizient nach Pearson, Regressionsgerade mit der Methode der kleinsten Quadrate, Bestimmtheitsmaß und Prognosen – und warum Korrelation keine Kausalität ist.Klasse 10–13 · Stochastik & StatistikErklärungt-Test – Ein-Stichproben-, Zwei-Stichproben- und gepaarter t-TestMittelwerte testen, wenn σ unbekannt ist – t-Verteilung und Freiheitsgrade, Konfidenzintervall, Zwei-Stichproben-t-Test (gepoolt und Welch), gepaarter t-Test, p-Wert und Tabelle der t-Quantile.Klasse 13 · Studium & BrückenkursÜbungenBrückenkurs Mathe – fit fürs Studium mit Mathe-Check und LernpfadMathe-Check mit 22 Aufgaben und ein Lernpfad in zehn Stationen von Bruchrechnung bis Integral – mit Häkchen für Deinen Fortschritt.Klasse 13 · Studium & BrückenkursErklärungSummenzeichen und Produktzeichen – Regeln, Indexverschiebung, SummenformelnΣ und Π lesen und umformen – Rechenregeln, Indexverschiebung, Gaußsche Summenformel, geometrische Summe und Teleskopsumme.Klasse 13 · Studium & BrückenkursErklärungMengen und Aussagenlogik – Schreibweisen, Intervalle, Junktoren, QuantorenMengen und Zahlenbereiche, Intervalle, Schnitt, Vereinigung und Komplement, Wahrheitstafeln, Implikation und Quantoren richtig verneinen.Klasse 13 · Studium & Brückenkurs
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