標準差

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標準差，在概率統計中最常使用做為統計分佈程度（statistical dispersion）上的測量。標準差定義為方差的平方根，反映组内个体间的离散程度。測量到分佈程度的結果，原則上具有兩種性質： (1) 為非負數值， (2) 與測量資料具有相同單位。

一個總量的標準差或一個隨機變量的標準差，及一個子集合樣品數的標準差之間，有所差別。其公式如下所列。

標準差的觀念是由卡爾．皮爾遜 ( Karl Pearson ) 引入到統計中。

[编辑] 闡述及應用

簡單來說，標準差是一組數值自平均值分散開來的程度的一種測量觀念。一個較大的標準差，代表大部分的數值和其平均值之間差異較大；一個較小的標準差，代表這些數值較接近平均值。

例如，兩組數的集合 {0, 5, 9, 14} 和 {5, 6, 8, 9} 其平均值都是 7 ，但第二個集合具有較小的標準差。

標準差可以當作不確定性的一種測量。例如在物理科學中，做重複性測量時，測量數值集合的標準差代表這些測量的精確度。當要決定測量值是否符合預測值，測量值的標準差佔有決定性重要角色：如果測量平均值與預測值相差太遠（同時與標準差數值做比較），則認為測量值與預測值互相矛盾。這很容易理解，因為如果測量值都落在一定數值範圍之外，可以合理推論預測值是否正確。

[编辑] 標準差的定義及簡易計算公式

假設有一組數值 x₁, ..., x_N （皆為實數），其平均值為：

$\overline{x}=\frac{1}{N}\sum_{i=1}^N x_i$ .

此組數值的標準差為：

$\sigma = \sqrt{\frac{1}{N} \sum_{i=1}^N (x_i - \overline{x})^2}$ .

一個較快求解的方式為：

$\sigma = \sqrt{{\sum_{i=1}^N{{x_i}^2}\over{N}\left({\sum_{i=1}^N{x_i}\over{N}}\right)^2\ } = \sqrt{\frac{N\sum_{i=1}^N{{x_i}^2} - \left(\sum_{i=1}^N{x_i}\right)^2}{N^2}\ }.$ }-

一隨機變量 X 的標準差定義為：

$\sigma = \sqrt{\operatorname{E}((X-\operatorname{E}X)^2)} = \sqrt{\operatorname{E}(X^2) - (\operatorname{E}(X))^2}$ .

須注意並非所有隨機變量都具有標準差，因為有些隨機變量不存在期望值。如果隨機變量 X 為 x₁,...,x_N 具有相同機率，則可用上述公式計算標準差。

從一大組數值當中取出一樣本數值組合 x₁,...,x_n ，常定義其樣本標準差：

$s = \sqrt{\frac{1}{n-1} \sum_{i=1}^n (x_i - \overline{x})^2} .$

[编辑] 範例

這裡示範如何計算一組數的標準差。例如一群孩童年齡的數值為 { 5, 6, 8, 9 } ：

第一步，計算平均值 $\overline{x}$

$\overline{x}=\frac{1}{N}\sum_{i=1}^N x_i$ .

n = 4 （因為集合裏有 4 個數），分別設為：

$x_1 = 5\,\!$

$x_2 = 6\,\!$

$x_3 = 8\,\!$

$x_4 = 9\,\!$

$\overline{x}=\frac{1}{4}\sum_{i=1}^4 x_i$ 用 4 取代

N

$\overline{x}=\frac{1}{4} \left ( x_1 + x_2 + x_3 +x_4 \right )$

$\overline{x}=\frac{1}{4} \left ( 5 + 6 + 8 + 9 \right )$

$\overline{x}= 7$ 此為平均值。

第二步，計算標準差 $\sigma\,\!$

$\sigma = \sqrt{\frac{1}{N} \sum_{i=1}^N (x_i - \overline{x})^2}$

$\sigma = \sqrt{\frac{1}{4} \sum_{i=1}^4 (x_i - \overline{x})^2}$ 用 4 取代

N

$\sigma = \sqrt{\frac{1}{4} \sum_{i=1}^4 (x_i - 7)^2}$ 用 7 取代 $\overline{x}$

$\sigma = \sqrt{\frac{1}{4} \left [ (x_1 - 7)^2 + (x_2 - 7)^2 + (x_3 - 7)^2 + (x_4 - 7)^2 \right ] }$

$\sigma = \sqrt{\frac{1}{4} \left [ (5 - 7)^2 + (6 - 7)^2 + (8 - 7)^2 + (9 - 7)^2 \right ] }$

$\sigma = \sqrt{\frac{1}{4} \left ( (-2)^2 + (-1)^2 + 1^2 + 2^2 \right ) }$

$\sigma = \sqrt{\frac{1}{4} \left ( 4 + 1 + 1 + 4 \right ) }$

$\sigma = \sqrt{\frac{10}{4}}$

$\sigma = 1.5811\,\!$ 此為標準差。

[编辑] 常態分佈的規則

深藍區域是距平均值小於一個標準差之內的數值範圍。在常態分佈中，此範圍所佔比率為全部數值之 68% 。根據常態分佈，兩個標準差之內（深藍，藍）的比率合起來為 95% 。根據常態分佈，三個標準差之內（深藍，藍，淺藍）的比率合起來為 99% 。

在實際應用上，常考慮一組數據具有近似於常態分佈的機率分佈。若其假設正確，則約 68% 數值分佈在距離平均值有 1 個標準差之內的範圍，約 95% 數值分佈在距離平均值有 2 個標準差之內的範圍，以及約 99.7% 數值分佈在距離平均值有 3 個標準差之內的範圍。稱為 "68-95-99.7 rule"。

[编辑] 標準差與平均值之間的關係

一組數據的平均值及標準差常常同時做為參考的依據。在直覺上，如果數值的中心以平均值來考量，則標準差為統計分佈之一"自然"的測量。較確切的敘述為：假設 x₁, ..., x_n 為實數，定義其公式

$\sigma(r) = \sqrt{\frac{1}{N} \sum_{i=1}^N (x_i - r)^2}$

使用微積分，不難算出 σ(r) 在下面情況下具有唯一最小值：

$r = \overline{x}$

[编辑] 几何学解释

从几何学的角度出发，标准差可以理解为一个从 N 维空间的一个点到一条直线的距离的函数。举一个简单的例子，一组数据中有3个值，x₁, x₂, x₃。它们可以在3维空间中确定一个点 P = (x₁, x₂, x₃)。想象一条通过原点的直线 L = {(r, r, r) : r ∈ R}。如果这组数据中的3个值都相等，则点 P 就是直线 L 上的一个点，P 到 L 的距离为0, 所以标准差也为0。若这3个值不都相等，过点 P 作垂线 PR 垂直于 L，PR 交 L 于点 R，则 R 的坐标为这3个值的平均数：

$R = (\overline{x},\overline{x},\overline{x})$

运用一些代数知识，不难发现点 P 与点 R 之间的距离(也就是点 P 到直线 L 的距离)是σ√3。在 N 维空间中，这个规律同样适用，把3换成 N 就可以了。

[编辑] 外部链接

Standard Deviation Calculator 标准差计算器（英文）

来自“http://www.wikilib.com/wiki/%E6%A8%99%E6%BA%96%E5%B7%AE”

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