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。
| 値 | 偏差 | 偏差の 2 乗 |
|---|---|---|
| 4 | 4 | |
| 8 | 4 | |
| 5 | 1 | |
| 9 | 9 | |
| 6 | 0 | |
| 7 | 1 | |
| 3 | 9 | |
| 8 | 4 | |
| 6 | 0 | |
| 4 | 4 |
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 | |
|---|---|---|
| 2 | 0.500 | 50.0% |
| 5 | 0.800 | 20.0% |
| 10 | 0.900 | 10.0% |
| 30 | 0.967 | 3.3% |
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 は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 | 0.0000 | 3.6 |
| 偏差を先にとる | 3.6000 | 3.6 |
は 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
平均を出し、偏差を出し、2 乗して足し、 か 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。













不偏分散は平方和を n−1=4 で割るので 80/4=20 です。16 は n=5 で割った標本分散、8.94 はどちらでもなく 80 にあたります。