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Distance Correlation (Székely 2007)

Definition. Székely, Rizzo & Bakirov (2007) 提出的非线性 + 鲁棒依赖度量。\mathcal{R}(X, Y) = 0 当且仅当 X, Y 独立 (与 Pearson \rho = 0 仅刻画"无线性相关" 截然不同): \mathrm{dCor}^2(X, Y) = \frac{\mathcal{V}^2(X, Y)}{\sqrt{\mathcal{V}^2(X, X) \mathcal{V}^2(Y, Y)}} 其中 \mathcal{V}^2 是基于成对距离的经验二阶距离协方差。

关键性质

性质 Pearson \rho Distance correlation
零假设 H_0 X \perp\!\!\!\perp Y 且联合正态 X \perp\!\!\!\perp Y (与分布无关)
独立性零假设成立 仅当正态 一般分布
检测非线性 否 (正弦非线性下可能为 0) 是
检测线性 是 是
复杂度 O(T) O(T^2)
对重尾鲁棒 弱 (outlier 拉偏) 强 (距离对极端值衰减)
取值范围 [-1, 1] [0, 1] (仅非负)

公式

样本形式: 给定 x = (x_1, \ldots, x_n), y = (y_1, \ldots, y_n),

# 1. 中心化距离矩阵
A_{ij} = |x_i - x_j|,  A_{ij} -= mean(A[i,:]) + mean(A[:,j]) - mean(A)

# 2. 经验距离协方差
dCov^2 = (1/n^2) * sum_{i,j} A_{ij} * B_{ij}  # B 同理从 y 算
# 3. 距离方差
dVar^2(x) = (1/n^2) * sum A^2
# 4. 距离相关
dCor = sqrt(dCov^2 / sqrt(dVar^2(x) * dVar^2(y)))

在金融 lead-lag 中的角色

Bennett, Cucuringu, Reinert (2022) 把 distance correlation 选为美股日收益的默认 corr 函数, 与 ccf-auc 组合 (lag L=5), 原因是:

  1. 美股日收益 linear cross-correlation 极低 (信噪比差), Pearson 失效。
  2. 波动率 lead-lag 比收益 lead-lag 强 5-10x (Billio 2012), 这是非线性现象, Pearson 抓不住。
  3. 重尾 (Cont 2001) + outlier 拉偏 Pearson 估计; distance correlation 对极端值衰减更稳。
  4. 距离相关的 O(T^2) 在 p=434, T=5000 量级可接受; 更大需用 fastGCD (Huang 2020) 或 GPU 加速。

邻近概念

起源 / 标准文献

  • Székely, Rizzo, Bakirov (2007) "Measuring and testing dependence by correlation of distances" Annals of Statistics 35(6):2769-2794 — 原始定义 + 渐近正态性
  • Székely & Rizzo (2009) "Brownian distance covariance" Annals of Applied Statistics 3(4):1236-1265 — 多元扩展
  • Bennett, Cucuringu, Reinert (2022) Machine Learning 111:4497–4538 — 金融 lead-lag 的应用 (本 wiki 摘要)
  • Fiedor (2014) — 用 distance correlation 做 lead-lag 网络的早期工作

Open Questions

  • 大 p (A 股 ~5000) 下 O(p^2 T^2) 不可行, fastGCD 类加速 / GPU 方案是否成熟?
  • distance correlation 只取非负, 无法直接表示"负相关"; 配合 sign(corr_Pearson) 拼接能否补足?
  • 与"copula-based dependence" (Rank-based Kendall) 在美股 lead-lag 上的 head-to-head 实证。