統計学基礎

共分散とは?求め方と相関係数との違い|標本共分散と n−1 で割る理由

共分散の記事のアイキャッチ。トレーに並んだ樹脂の成形部品と温湿度計の写真に「共分散とは 11.2」の文字

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工場の室温が高い日ほど、樹脂部品の寸法が伸びている気がする。この「一緒に動く度合い」を1つの数で表せないか。

答え

共分散とは、2つのデータが同じ向きに動くか逆向きに動くかを表す数で、x の偏差と y の偏差をかけて平均したものです。プラスなら一緒に増え、マイナスなら片方が増えると片方が減ります。単位で大きさが変わるので、関係の強さを比べるときは、標準偏差で割った相関係数(−1〜1)を使います。

共分散とは?「偏差のかけ算」で向きがわかる

共分散とは、各データの「x の平均からのずれ」と「y の平均からのずれ」をかけ、その平均をとった値です。かけ算の符号で、2つが同じ向きにずれたか逆向きかがわかります。

点の場所x の偏差y の偏差かけ算
右上(両方とも平均より大きい)+++
左下(両方とも平均より小さい)−−+
右下・左上(逆向き)+と− の組−

右上と左下の点が多ければ共分散はプラス、右下と左上が多ければマイナス、まんべんなく散らばれば0に近くなります。

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共分散の図。室温と寸法の伸びの5点の散布図で、平均で4つに分けた右上と左下の点は偏差の積がプラスになり、共分散は11.2

共分散の求め方|例題で手計算する

例題:5日間の工場の室温 x(℃)と、樹脂部品の寸法の伸び y(μm)です(説明のために作った数字)。

日室温 x伸び yx の偏差y の偏差偏差の積
12010−4−624
22214−2−24
32416000
42618+2+24
52822+4+624
合計120800056
STEP 1 平均
x の平均 120÷5=24、y の平均 80÷5=16
STEP 2 偏差の積
各日の (x−24)×(y−16) を計算。合計 56
STEP 3 共分散
56÷5=11.2(プラス:室温が高い日ほど伸びが大きい)
共分散
sxy = Σ( x − x の平均 )( y − y の平均 ) ÷ n

標本から母集団の共分散を見積もるときは n−1 で割る(下の節)

共分散の簡単な公式|xyの平均 − xの平均×yの平均

偏差を出さずに、共分散=(xy の平均)−(x の平均)×(y の平均) でも求められます。電卓で計算するときに便利です。

例題では xy が 200・308・384・468・616 で合計1,976、平均 395.2。395.2−24×16=395.2−384=11.2 で同じ答えです。大きな数どうしの引き算になるので、途中で四捨五入すると誤差が出やすい点には気をつけます。

共分散と相関係数の違い|単位で変わるか、変わらないか

共分散は単位によって大きさが変わり、相関係数は変わりません。関係の強さを比べたいときは相関係数を使います。

相関係数
r = 共分散 ÷ ( x の標準偏差 × y の標準偏差 )

−1〜1 の値。1 に近いほど強い正の相関、−1 に近いほど強い負の相関

例題では x の標準偏差 √8≒2.83、y の標準偏差 4(どちらも n で割った値)。r=11.2÷(2.83×4)=0.990 で、とても強い正の相関です。

共分散相関係数
例題(℃・μm)11.20.990
単位を ℉・mm に変えると0.020160.990(変わらない)
わかること向き(+か−か)向きと強さ
範囲決まっていない−1〜1

同じデータなのに、単位を変えただけで共分散は 11.2 から 0.02016 になりました。共分散の大きさだけで「関係が強い」とは判断できない理由です。

標本共分散と標本相関係数|n−1 で割る理由

標本共分散とは、標本から母集団の共分散を見積もるために、偏差の積の合計を n−1 で割った値です。n で割ると、平均として真の値より小さく出るためです。

理由は、偏差を「標本の平均」から測っているからです。標本の平均は、そのデータにいちばん近い位置に来るので、母集団の本当の平均から測るより偏差が小さめに出ます。n−1 で割ると、この小さく出る分がちょうど打ち消されます。考え方は分散の n−1 と同じ。自由度の話につながります。

確かめるために、真の共分散が 0.6 になる母集団から5個ずつ取って共分散を計算する作業を、乱数で4万回くり返しました。n で割った値の平均は約 0.48、n−1 で割った値の平均は約 0.60。n で割ると2割小さい。5個なら 4/5 倍です。

割る数例題の値Excel使う場面
n(5)56÷5=11.2COVARIANCE.P手元のデータそのものを要約する
n−1(4)56÷4=14COVARIANCE.S標本から母集団を見積もる(QC検定・統計検定)

標本相関係数は、分子と分母を同じ数で割るので、n で割っても n−1 で割っても同じ値になります。例題は 14÷(√10×√20)=14÷14.14=0.990 で、上と一致します。

資料によって、共分散の定義に n を使うものと n−1 を使うものがあります。この記事は、手計算の説明では n、母集団を見積もる場面では n−1 と書き分ける形を採りました。試験の問題では、どちらで割るかが問題文に書いてあるので、そこを先に読みます。

共分散がマイナスの例と、0でも関係がある例

共分散がマイナスなら、片方が増えるともう片方は減る関係です。工具の加工数が増えるほど、刃が摩耗して穴の径が小さくなる、といった場面がこれにあたります。

加工数 x(個)0100200300400
穴径 y(mm)20.0019.9819.9719.9519.92

説明のために作った数字。共分散は −3.8(n で割った値)、相関係数は −0.985

反対に、共分散が0でも関係がないとは限りません。x が −2・−1・0・1・2 で y=x² のとき、y は x で完全に決まっているのに、共分散は 0 です。右半分では一緒に増え、左半分では逆向きに動くので、打ち消し合ってしまう。共分散が測るのは「直線的な」関係だけです。

注意

独立なら共分散は必ず0です。でも、共分散が0だから独立だとはいえません。温度と反応の速さのように山なりの関係は、散布図で見ないと見のがします。

共分散の計算ツール

xとyを同じ順番で、カンマ・スペース・改行で区切って入れてください。

入力すると、その場で計算し直します。入力した数字は画面の中で計算するだけで、どこにも送信されません。

共分散を現場で使うときの判断

計算の前に、散布図を描きます。数字がとらえるのは直線的な関係だけだからです。

筆者なら、共分散の値より先に散布図を見て、外れ値と曲がった関係がないかを確かめます。理由は、外れ値が1点あるだけで共分散の符号まで変わることがあり、U字のような関係は共分散が0に近く出てしまうからです。

品質保証の現場でよく起きるのは、相関が強いことを「室温が上がると寸法が伸びる」という因果だと読んでしまう型です。両方とも季節や稼働時間という第3の要因で動いているだけかもしれない。原因を確かめるには、条件を変えた実験が要ります。

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2つの量の和のばらつきを出すときは、共分散が分散の足し算に入ってきます(分散の加法性)。相関係数が0と言えるかの検定は無相関の検定、相関から直線の式を出すのは回帰分析です。

QC検定での共分散・相関係数の出方

QC検定の手法の問題では、表のデータから偏差平方和と偏差積和を計算し、相関係数を求める形がよく見られます。n で割るか n−1 で割るかは、相関係数では打ち消されるので、偏差積和と偏差平方和のまま計算すると楽です。

  • 相関係数 r=Sxy÷√(Sxx×Syy)(S は偏差の積和・平方和)
  • 共分散の符号で正の相関か負の相関かを答える
  • 単位を変えても r は変わらない

級ごとの出題範囲は、日本規格協会の「品質管理検定レベル表」で確かめてください。確認しようとした時点では公式のページが保守中で開けなかったため、この記事では級を断定していません。標準偏差の求め方は標準偏差の記事で確認できます。

よくある質問

Q. 共分散とは簡単にいうと?

A. 2つのデータが同じ向きに動くか、逆向きに動くかを表す数です。プラスなら同じ向き、マイナスなら逆向きです。

Q. 共分散の求め方は?

A. xとyの偏差を1点ずつかけて合計し、個数で割ります。「xyの平均−x̄ȳ」でも求められます。

Q. 共分散と相関係数の違いは?

A. 共分散は単位で大きさが変わり、向きだけがわかります。相関係数は−1〜+1にそろえ、強さもわかります。

Q. nとn−1のどちらで割る?

A. 手元のデータの要約はn、母集団を推定する不偏共分散はn−1で割ります。問題の定義に合わせます。

Q. Excelで共分散を求めるには?

A. nで割るならCOVARIANCE.P、n−1で割るならCOVARIANCE.S関数を使います。

まとめ|共分散は向き、相関係数は向きと強さ

  • 共分散=偏差のかけ算の平均。プラスなら同じ向き、マイナスなら逆向き
  • 簡単な公式:xy の平均 − x の平均 × y の平均(例題は 11.2)
  • 単位で大きさが変わるので、強さは相関係数(例題 0.990)で比べる
  • 標本から母集団を見積もるときは n−1 で割る(n で割ると小さく出る)
参考にした資料

(2026年10月に確認)

法令・規格・資料は改訂されることがあります。実務で使うときは、発行元の最新版で確かめてください。

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S
シラス
電験三種・QC検定1級 / メーカーでパワエレ設計・品質保証 実務10年

メーカーで電気設計と品質保証に携わってきた経験をもとに執筆しています。むずかしい専門用語をできるだけ使わず、はじめて学ぶ人がつまずかないように、図とたとえで説明することを大切にしています。

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