LaTeX962713 views
小学算数1201030 views
中学数学623977 views
小学社会310647 views
英語614322 views
高校日本史190639 views
小学理科720199 views
中学理科1631220 views
Computer368461 views
ヒストリア291310 views
Help
Tools
NewsSpreadsheetCalendarBookkeepingMarkdown TablesLanguage Model NewsLinux CommandsSlidesTier ListPen ToolIllustrationCrayonWatercolorPixel ArtASCII ArtPerspectiveEndless StairsGraphMind MapER DiagramFamily TreeMemeCurved TextImage EditorMosaicRetro FilterPencil SketchSwirl EffectLine ArtOCR/HighlighterMakeup EditorFaviconVideo TrimmerScrolling VideoVideo TitleColor PickerColor ExtractorBonfireFireworksCherry BlossomWater RippleWater SplashBreaking GlassGlass TextureFabric TextureWood GrainMarble TextureBrick Wall TextureMetal TextureWashi Paper TextureCardboard TextureCSS ButtonIcon MakerBar ChartGrouped Bar ChartStacked Bar ChartPie ChartLine ChartArea ChartStacked Area ChartScatter Plot3D Bar Chart3D Pie ChartBar Chart RaceBubble ChartPopulation PyramidPictogramEarningsCandlestick ChartInvestment RiskMortgage SimulatorCalculatorMatrix CalculatorFunction GraphPolynomial ExpansionVenn DiagramField VisualizerRubik's Cube Group TheoryTraveling SalesmanVoronoi and DelaunayFractalUniversity Entrance Exam MathColumn ArithmeticDraw Math FiguresArithmetic AnimationArithmetic Word ProblemsCounting with Tree DiagramsCube NetsRolling DiceCross SectionsMotion PathMechanicsWavesUniversity Entrance Exam Physics解析力学Quantum MechanicsStatistical MechanicsRelativityCelestial MechanicsAstrophysicsCosmologyElectromagnetic WavesCapacitorsLight and LensesThermodynamicsHow Semiconductors WorkMolecular StructuresAtomic OrbitalsElectrochemical CellsChemical EquilibriumCrystal LatticesBuffer pHOrganic Reaction MapPeriodic TableComplex IonsDNA Double HelixCell DivisionMembrane ChannelsNerve ImpulseMuscle ContractionHormones and HomeostasisRock ClassificationWeatherConstellationsSolar and Lunar Eclipses3D ModelingFloor PlanSeismic StructuresIntersection TurnMaglevCooking AnimationOrigamiLive Viewer CountGeoJSON MapRailway MapPopulation MapCrime MapLand Price MapSchool MapShrine and Castle MapHouse of Representatives MapWord MapSolitaireReversiHakoiri MusumeChessHamburgerRippleSlide Puzzle MakerNeon PinballNovel MakerJapanese Typing PracticePiano Score EditorMusic TheoryShogi StrategyPiano Rhythm Game

English

平均と分散と標準偏差の計算で「2 乗和の公式」が 0 を返すとき

10 個のデータの分散が 3.6 だとします。全部に 10 億を足しても、ばらつきは変わらないので分散は 3.6 のままのはずです。

ところが 2 乗和の公式で計算させると、答えが 0 になります。

手で解くぶんには起きない事故ですが、式そのものにはこの弱さが最初から入っています。

平均

個の値 の平均は、全部足して で割ったものです。

例として 4、8、5、9、6、7、3、8、6、4 の 10 個を使います。合計は 60 なので、平均は 6 です。

偏差と平方和

各値から平均を引いたものを偏差といいます。この例では

偏差の合計はつねに です。プラスとマイナスが打ち消し合うので、そのままではばらつきの尺度になりません。

そこで 2 乗してから足します。

偏差偏差の 2 乗
44
84
51
99
60
71
39
84
60
44

合計は 36 です。これを偏差平方和といいます。

2 つの分散

平方和を で割ったものが標本分散、 で割ったものが不偏分散です[1]

同じデータから 2 つの値が出ます。どちらを「分散」と呼ぶかは文脈しだいなので、割った数を確かめる習慣が要ります。

なぜ で割るのか

母集団の分散を推定したいとき、 で割ると小さめに出ます。偏差を測る中心が、母平均ではなく標本平均だからです。

標本平均はそのデータにいちばん近い位置に来るので、偏差平方和が最小になってしまう。真の平均から測れば、もっと大きくなるはずでした。

縮む割合はちょうど です。

縮む割合ずれ
20.50050.0%
50.80020.0%
100.90010.0%
300.9673.3%

が小さいほど深刻です。2 個なら半分になってしまう。 で割るのは、この縮みをちょうど打ち消すためです。

が 30 もあればずれは 3% で、実用上はどちらでも大差ありません。

で割った 分散については不偏ですが、その平方根 は標準偏差の不偏推定量ではありません

平方根は非線形な操作なので、不偏性が保存されない。 はわずかに小さめに出ます。

標準偏差

分散の平方根が標準偏差です。単位がもとのデータに戻ります[1]

分散は単位が 2 乗になるので、cm のデータなら cm² です。長さと面積を比べても意味がないので、平方根に戻してから使います。

2 乗和の公式

手計算では、偏差を 1 つずつ出すより次の形が速い場合があります。

例では なので、。偏差から出した値と一致します。

データを 1 度読むだけで済むので、電卓でも表計算でも扱いやすい。

引き算で桁が消える

この式には弱点があります。大きい 2 つの数の差として小さい数を求める形になっているところです。

さきほどのデータに 10 億を足してみます。ばらつきは変わらないので、分散は 3.6 のままのはずです。

求め方10 億を足したとき正しい値
2 乗和の公式0.00003.6
偏差を先にとる3.60003.6

の桁になり、 もほぼ同じ。差の 36 は、有効数字の外へ落ちてしまいます。

浮動小数点数の有効桁は 16 桁ほどしかありません。 の数どうしの差では、下 3 桁が保証されない。

偏差を先に引く形なら、扱う数がもとの大きさのままなので、この事故は起きません[2]

数値計算の正確さを試すための標準データが公開されていて、この種の弱さを突く問題が難易度つきで並んでいます[2]

度数分布から求める

同じ値がまとまって出てくる場合は、値と度数の組から計算します。

値が 2、3、4、5、6 で、度数がそれぞれ 1、3、5、4、2 の 15 個を考えます。

分散も同じように、偏差の 2 乗に度数を掛けて足します。

なので、標本分散は

不偏分散は 、標準偏差は 1.108 と 1.147 です。度数は個数を数えているだけなので、割る数は から を引きます。

練習

同じ手順で 2 つ通します。まず 12、15、11、18、14 の 5 個。

平均は 、偏差は 、平方和は

標本分散は 、不偏分散は 。標準偏差は 2.449 と 2.739 です。

次に 20、22、19、23、21、27 の 6 個。合計 132、平均 22。

偏差は で、平方和は 。標本分散 6.667、不偏分散 8.0 になります。

最後の 27 だけが平均から 5 も離れていて、平方和 40 のうち 25 を 1 つで占めています。2 乗するぶん、外れた値の影響が大きい[1]

5 個のデータの偏差平方和が 80 でした。不偏分散はいくつですか。

  • 20
  • 16
  • 8.94
__RESULT__

不偏分散は平方和を で割るので です。16 は で割った標本分散、8.94 はどちらでもなく にあたります。

平均を出し、偏差を出し、2 乗して足し、 で割る。順番を守るほうが、公式を 1 つ覚えるより安全です。

参考

Measures of Scale. NIST/SEMATECH e-Handbook of Statistical Methods.
Statistical Reference Datasets: Univariate Summary Statistics. NIST.
4、8、5、9、6、7、3、8、6、4 の平均は 6、偏差平方和は 36。10 で割れば標本分散 3.6、9 で割れば不偏分散 4.0 です。全部に 10 億を足してもばらつきは変わらないはずですが、$\sum x_i^2 - n\bar x^2$ の形で計算させると答えが 0 になります。$10^{19}$ どうしの差として 36 を求めているので、有効桁の外へ落ちるためです。$n-1$ で割る理由は縮む割合が $(n-1)/n$ になること、$n=2$ なら半分、$n=30$ なら 3.3% のずれ。$s^2$ が不偏でも $s$ は標準偏差の不偏推定量にならない話、度数分布からの計算、練習 2 題まで。