【定理・公式・証明】高校数学定理・公式 – 数学Ⅰ – 平均・分散・共分散・標準偏差における変量の変換

スポンサーリンク

平均における変量の変換

$n$ 個の値からなるデータ $x_{1} , x_{2} , \cdots  , x_{n}$ の平均値を $\overline{x}$ とする。

$u_{i} = ax_{i} +b$ $(i=1,2, \cdots ,n)$ としたとき,$u_{i}$ の平均値 $\overline{u}$ は,

$\overline{u}= a \overline{x} +b$

証明

$x$ の平均値 $\overline{x}$ は, 

$\overline{x} = \frac{1}{n} (x_{1} + x_{2} + \cdots + x_{n})$

このとき, $u_{i}$ の平均値 $\overline{u}$ は,

$\overline{u} = \frac{1}{n} (u_{1} + u_{2} + \cdots + u_{n})$

$= \frac{1}{n} \{ (ax_{1} +b) + (ax_{2} +b) + \cdots + (ax_{n} +b) \}$

$= \frac{1}{n} \{ a (x_{1} + x_{2} + \cdots + x_{n} ) +nb \}$

$= a \cdot \frac{1}{n} (x_{1} + x_{2} + \cdots + x_{n} ) +b$

$=a \overline{x} +b$

 

スポンサーリンク

分散・標準偏差における変量の変換

$n$ 個の値からなるデータ $x_{1} , x_{2} , \cdots , x_{n}$ の平均値を $\overline{x}$  , 分散 $s_{x}^2$ ,標準偏差を $s_{x}$ とする。 $u_{i} = ax_{i} +b$ $(i=1,2, \cdots ,n)$ としたとき, $u_{i}$ の分散を $s_{1}^2$ ,標準偏差を $s_{u}$ とすると,

[Ⅰ] $s_{u}^2 = a^2 s_{x}^2$ 

[Ⅱ] $s_{u} = \vert a \vert s_{x}$ 

証明

$x$ の平均値 $\overline{x}$ ,分散 $s_{x}^2$ は,

$\begin{eqnarray} \left\{ \begin{array}{l} \displaystyle \overline{x} = \frac{1}{n} (x_{1} + x_{2} + x_{n} ) \\ \displaystyle s_{x}^2= \frac{1}{n} \{ (x_{1} – \overline{x} )^2 + (x_{2} – \overline{x} )^2 + \cdots + (x_{n} – \overline{x} ) ^2 \} \ ( \gt 0 ) \end{array} \right. \end{eqnarray}$

$u_{i} =ax_{i} +b$ のとき, $\overline{u} =a \overline{x} +b$ 。このとき,$u$ の分散 $u_{x}^2$ は,

$u_{1} – \overline{u} =ax_{1} +b-(a \overline{x} +b) = a(x_{1} – \overline{x}$

$u_{2} – \overline{u} =ax_{2} +b-(a \overline{x} +b) = a(x_{2} – \overline{x}$

$\vdots$

$u_{n} – \overline{u} =ax_{n} +b-(a \overline{x} +b) = a(x_{n} – \overline{x}$

より,

[Ⅰ] $\displaystyle s_{u}^2 = \frac{1}{n} \{ (u_{1} – \overline{u} )^2 + (u_{2} – \overline{u} )^2 + \cdots + ( u_{n} – \overline{u} )^2 \}$

$\displaystyle = \frac{1}{n} \{ a^2 (x_{1} – \overline{x} )^2 + a^2 (x_{2} – \overline{x} )^2 + \cdots + a^2 (x_{n} – \overline{x} )^2 \} $

$\displaystyle =a^2 \cdot \frac{1}{n} \{ ( x_{1} – \overline{x} )^2 + (x_{2} – \overline{x} )^2 + \cdots +(x_{n} – \overline{x} )^2 \} = a^2 \cdot s_{x} ^2$

したがって,

[Ⅱ] $s_{u} = \sqrt{a^2 \cdot s_{x}^2} = \vert a \vert s_{x}$

 

スポンサーリンク

共分散における変量の変換

2つの変量 $x$ , $y$ からなるデータとして, $n$ 個の値の組 $(x_{1} , y_{1} ) , (x_{2} , u_{2} ) , \cdots (x_{n} , y_{n} )$ がある。 $i=1,2, \cdots , n$ として, $x_{i}$ , $y_{i}$ の平均値を $\overline{x}$ , $\overline{y}$ , $x_{i}$ , $y_{i}$ の共分散を $s_{xy}$ とおく。このとき, $u_{i}=ax_{i} +b$ , $v_{i} =cy_{i} +d$ としたとき, $u_{i}$ , $v_{i}$ の共分散を $s_{uv}$ とおくと,

$s_{uv} =acs_{xy}$

証明

$x_{i}$ , $y_{i}$ の共分散 $s_{xy}$ は,

$\displaystyle s_{xy} = {1}{n} \{ (x_{1} – \overline{x} )(y_{1} – \overline{y} ) + \cdots + (x_{n} – \overline{x} )( y_{n} – \overline{y} ) \}$

このとき, $u_{i}$ , $v_{i}$ の共分散 $s_{uv}$ は,

$\displaystyle s_{uv} = \frac{1}{n} \{ (u_{1} – \overline{u} )(v_{1} – \overline{v} )+( u_{2} – \overline{u} )( v_{2} – \overline{v} ) + \cdots + u_{n} – \overline{u} )( v_{n} – \overline{v} ) \}$

$\displaystyle = \frac{1}{n} ( \{ ax_{1} +b- (a \overline{x} +b) \} \{ cy_{1} +d-(c \overline{y} +d) \} + \cdots + \{ ax_{n} +b-(a \overline{x} + b) \} \{ cy_{n} +d-(c \overline{y} +d) \} )$

$\displaystyle = \frac{1}{n} \{ a (x_{1} -\overline{x} ) \cdot c( y_{1} – \overline{y} ) + \cdots +a (x_{n} – \overline{x} ) \cdot c ( y_{n} – \overline{y} ) \}$

$\displaystyle =a \cdot c \cdot \frac{1}{n} \{ x_{1} – \overline{x} )(y_{1} – \overline{y} )+ \cdots + ( x_{n} – \overline{x} )( y_{n} – \overline{y} ) \}$

$=acs_{xy}$

タイトルとURLをコピーしました