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Proposição de testes bootstrap para igualdade de matrizes de correlação

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Dados abertos

Resumo

A comparação de matrizes de correlação desempenha um papel fundamental em diversas áreas do conhecimento, incluindo as ciências médicas, agrárias, animais e sociais, uma vez que possibilita a investigação da estrutura de dependência entre variáveis em distintas populações. A correlação linear é amplamente utilizada para compreender relações entre conjuntos de dados, mas a simples observação dos coeficientes par a par não é suficiente para avaliar, de forma estatística, a equivalência de duas ou mais matrizes de correlação. Nesses casos, testes assintóticos tradicionais mostram-se extremamente liberais, sobretudo em amostras pequenas ou em cenários de alta dimensionalidade. Nesse caso, o método bootstrap se destaca como uma alternativa robusta e eficiente, cuja principal vantagem é a não necessidade do conhecimento prévio da distribuição de probabilidade populacional. Diante disso, este trabalho tem como objetivo propor testes para a igualdade de matrizes de correlação em populações multivariadas, não necessariamente normais, e com capacidade de lidar com outliers e alta dimensionalidade, por meio de métodos bootstrap não paramétricos. Para tal, foram estudados os principais métodos existentes na literatura para a hipótese de homogeneidade de I matrizes de correlação populacionais e propostas versões bootstrap dos testes de Jennrich, Kullback, MPCBT (Maximum Pearson Correlation Bootstrap Test), MSCBT (Maximum Spearman Correlation Bootstrap Test), MSEDBT (Maximum Spearman Euclidean Distance Bootstrap Test) e MPEDBT (Maximum Pearson Euclidean Distance Bootstrap Test). O desempenho desses testes foi avaliado por meio de simulações de Monte Carlo, considerando a taxa de erro tipo I e o poder como medidas de desempenho, sob diferentes cenários de baixa e alta dimensionalidade e na presença de outliers. Os resultados mostraram que os testes MSEDBT e MPEDBT apresentaram os melhores desempenhos, com controle da taxa de erro tipo I, “muito bom” e “bom”, respectivamente, especialmente para tamanhos amostrais maiores (n = 50 e 80). Na presença de outliers, os testes MSEDBT e MSCBT foram os que melhor controlaram a taxa de erro tipo I para amostras maiores, tanto em baixa quanto em alta dimensionalidade. Assim, considerando seu desempenho superior em todos os cenários e configurações estudadas, o teste MSEDBT pode ser amplamente recomendado para testes de igualdade entre matrizes de correlação.

Abstract

The comparison of correlation matrices plays a fundamental role across various fields of knowledge, including medical, agricultural, animal, and social sciences, as it enables the investigation of the dependence structure among variables in different populations. Linear correlation is widely used to assess relationships between data sets; however, simple inspection of pairwise coefficients is insufficient to statistically evaluate the equivalence of two or more correlation matrices. In such cases, traditional asymptotic tests often prove to be overly liberal, especially in small samples or under high-dimensional settings. As an alternative, the bootstrap method stands out as a robust and efficient approach, with the main advantage of not requiring prior knowledge of the underlying probability distribution. This study aims to propose tests for the equality of correlation matrices in multivariate populations that are not necessarily normally distributed, while handling outliers and high dimensionality through nonparametric bootstrap methods. To this end, we reviewed the main methods available in the literature for testing the homogeneity of I population correlation matrices and proposed bootstrap versions of Jennrich’s and Kullback’s tests, as well as the MPCBT (Maximum Pearson Correlation Bootstrap Test), MSCBT (Maximum Spearman Correlation Bootstrap Test), MSEDBT (Maximum Spearman Euclidean Distance Bootstrap Test), and MPEDBT (Maximum Pearson Euclidean Distance Bootstrap Test). The performance of these tests was assessed through Monte Carlo simulations, using type I error rate and power as performance measures, under scenarios of both low and high dimensionality and in the presence of outliers. Regarding the results, MSEDBT and MPEDBT yielded the best performances, achieving “very good” and “good” type I error rate control, respectively, particularly for larger sample sizes (n = 50 and 80). When outliers were present, MSEDBT and MSCBT were the most effective in controlling the type I error rate for larger samples, regardless of dimensionality. Taken together, these findings highlight the superior performance of MSEDBT across all scenarios and configurations, supporting its recommendation as a reliable tool for testing the equality of correlation matrices.

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Análise multivariada

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OSSIFO. Momate Emate. Proposição de testes bootstrap para igualdade de matrizes de correlação. 2026. 185 p. Tese (Doutorado em Estatística e Experimentação Agropecuária) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2025.

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