確率変数を定数倍すると分散だけ 2 乗で効く理由と変換公式
全員の点数に 10 を足しても、分散は 1 も動きません。全員を 2 倍すると、分散は 4 倍になります。
足し算は効かず、掛け算だけが 2 乗で効く。ばらつきが「平均からの距離」で測られていることが、この差を生みます。
期待値は 1 次式をそのまま通す
定数 、 と確率変数 について、次が成り立ちます[1]。
期待値は積分なので、定数倍は外へ出せ、定数の期待値はその定数のまま。この 2 つを合わせた形です。
変数が 2 つでも同じです。 が、独立でなくても成り立ちます[1]。
独立性が要らないのは、期待値が足し算の構造だけを見ているためです。積のほうは事情が変わります。
分散は平行移動を無視する
分散は平均からの距離の 2 乗の平均です。 を入れてみます。
が途中で消えました。 の平均にも が入っているので、引き算のところで打ち消し合います[2]。
残るのは だけ。距離を 2 乗しているので、倍率も 2 乗で効きます。
分布ごと横へずれる。中身の並びは変わらないので、ばらつきは同じ
目盛りそのものが伸びる。距離が 倍、2 乗して 倍
標準偏差には絶対値がつく
標準偏差は分散の平方根なので、 です。
が負でも標準偏差は正のまま。 倍すれば分布が反転しますが、広がり方は 2 倍で同じです。
分散が 、標準偏差が 倍。単位の入り方を考えると自然で、標準偏差はもとの量と同じ単位を持ちます。
標準化
2 つの公式を組み合わせると、平均 、分散 に直せます。
、 にあたる 1 次変換です。、。
単位が消えるので、違う尺度で測った量どうしを並べられます。 何個ぶん離れているか、という共通の物差しになる。
例:試験の点を変換する
、 の得点に、 という変換を当てます。
平均は 。分散は で、標準偏差は 20 です。
もとの標準偏差 10 が 20 になりました。 はどこにも出てきません。
なら平均は 40、分散は で変わらず、標準偏差も 10 のまま。順位が逆になっても、広がりは同じです。
独立な和
が独立なら、分散は足し算になります[2]。
独立でないと、共分散の項が残ります。期待値の加法性が独立性を要求しないのと対照的です。
標本平均に当てはめると 。 を掛けたぶんが で効き、 個ぶん足すので が残ります。
標準偏差のほうは足せません。 が足し算なので、 どうしは という形になる。
と を合わせると ではなく 。斜辺の長さと同じ足し方です。
積の期待値には条件がつく
和の期待値はいつでも足し算に分かれますが、積は違います。
独立なら共分散が になるので、 が成り立ちます[2]。独立でなければ、ずれたぶんが共分散として残る。
さいころ 2 個を独立に振るなら です。ところが同じ 1 個の目を 2 回使うと になります。
同じ記号でも、別々に振ったのか 1 回の結果を使い回したのかで答えが変わる。共分散の項が か かの違いです。
関数と期待値は順番を入れかえられない
1 次式なら でしたが、2 乗になると崩れます。
差はちょうど分散です。 を移項すれば [2]。
分散は負にならないので、 はつねに 以上。等号は が定数のときだけです。
一般に、下に凸な関数 については が成り立ちます[1]。イェンセンの不等式と呼ばれます。

図では と を半々でとる確率変数を置いています。平均は 2.5 で、。
は で、こちらのほうが大きい。差の 2.25 が分散にあたります。
例:さいころで確かめる
1 から 6 が等確率のとき、 です。2 乗の期待値も出します。
なので、差は 2.9167。これが です。
とすると、、、。
もとの標準偏差 1.708 のちょうど 2 倍になりました。
のとき、 はいくつですか。
- 81
- 32
足し算は位置を動かし、掛け算は目盛りを伸ばす。分散が反応するのは後者だけで、しかも 2 乗で反応します。












V[aX+b]=a2V[X] なので、(−3)2×9=81 です。分散は負になりません。b=5 は平行移動なので効かず、足し算で 32 になることもありません。