Математичні парадокси

Словник / Дисперсія і стандартне відхилення

Словник · дисперсія

Однакова середня температура — однакова погода?

У двох містах середня температура за рік однакова: +15°. В одному цілий рік щось схоже на травень. У другому взимку тріщить мороз, а влітку асфальт плавиться від спеки. Середнє в них те саме, а жити там зовсім по-різному. Бракує другого числа: наскільки далеко від середнього зазвичай бувають значення.

На пальцяхкартинки, аналогії, маленькі числа

Шар «На пальцях» приховано на всіх задачах.

Парадокс двох міст

Кожна лінія — температура за 365 днів. Обидва міста вигадані, і в обох середня за рік рівно +15°. Рухайте повзунок і зробіть погоду в місті Б гойдливішою. Середнє не зміниться ні на соту частку градуса.

місто Амісто Бсереднє, +15°

Середня за рік · А і Б–
Днів із морозом · А і Б–

Середнє ховає розкид

  • Середня температура по лікарніВ одних пацієнтів жар, в інших знижена температура, а в середньому виходить ідеальні 36,6°. Звідси й приказка: середнє може бути цілком нормальним, хоча нормального немає ні в кого.
  • Річка в середньому по колінаСередня глибина пів метра нічого не каже про яму посередині. Для того, хто переходить річку вбрід, важить саме вона.

Тому поруч із середнім потрібне друге число: на скільки значення зазвичай відходять від середнього. Його називають стандартним відхиленням, а його квадрат — дисперсією.

Строготаблиці, графіки, формули

Шар «Строго» приховано на всіх задачах.

Середній квадрат відхилення

Рецепт у три кроки. Знайдіть середнє. Для кожного значення порахуйте, на скільки воно від середнього відходить, і піднесіть до квадрата, щоб мінуси не знищили плюси. Усередніть ці квадрати: це дисперсія. Корінь з неї — стандартне відхилення σ, і воно вже в тих самих одиницях, що й дані.

П'ять днів у місті А

14, 15, 16, 15, 15 → середнє 15
відхилення −1, 0, 1, 0, 0
квадрати 1, 0, 1, 0, 0 → дисперсія 2 / 5 = 0,4 град²
σ = √0,4 ≈ 0,6°

П'ять днів у місті Б

−5, 35, 15, −10, 40 → середнє 15
відхилення −20, 20, 0, −25, 25
квадрати 400, 400, 0, 625, 625 → дисперсія 2050 / 5 = 410 град²
σ = √410 ≈ 20,2°

Дисперсія вимірюється в «градусах у квадраті», і уявити такі одиниці важко. Тому в житті частіше називають σ: «у місті Б температура зазвичай відходить від середньої градусів на 20». Математикам зручніша дисперсія, бо з нею простіше рахувати, як видно в шарі «Глибше».

Дві дороги на роботу по 30 хвилин

Обидві дороги забирають у середньому пів години. Перша майже завжди 26–34 хвилини. Друга зазвичай 15–30, але приблизно раз на тиждень там затор, і тоді година. Кожна точка — один робочий день із 250. За скільки хвилин до початку роботи треба виходити?

Середній час · 1 і 2–
Стандартне відхилення · 1 і 2–
Запізнень за рік · 1 і 2–

Коли розкид важливіший за середнє

  • Коли виходити з домуЗапас часу визначає не середня тривалість дороги, а її розкид. Дві дороги з однаковим середнім потребують зовсім різного запасу.
  • Гроші, що гойдаютьсяРік +50%, рік −50%: середня дохідність нуль, а від 100 гривень лишилося 75. За однакового середнього більший розкид з'їдає гроші. Це арифметика, а не порада, куди вкладати.
  • Рецепт і духовкаДуховка, що в середньому тримає 180°, але гуляє між 140° і 220°, спалить пиріг зверху й лишить сирим усередині. Середнє правильне, результат ні.
  • Страхова компаніяЦіну полісу задає середня виплата. А скільки грошей тримати про запас на поганий рік, задає розкид виплат.
  • Деталі на заводіБолти в середньому точно потрібного розміру, але з великим розкидом, не підійдуть до половини гайок. Якість на виробництві — це насамперед малий розкид.
  • А коли досить середньогоКоли важить лише сума за багато разів: скільки бензину піде за рік, скільки піци на 30 людей. Розкид окремих разів у такій сумі значною мірою гаситься.
Глибшеузагальнення, теорія, історія

Шар «Глибше» приховано на всіх задачах.

Коротша формула

Var X = E[(X − μ)²] = E[X²] − 2μ·E[X] + μ² = E[X²] − (E[X])²

Дисперсія — це «середнє квадратів мінус квадрат середнього». Для грального кубика: E[X²] = (1 + 4 + 9 + 16 + 25 + 36) / 6 = 91/6, а (E[X])² = 3,5² = 12,25. Дисперсія 35/12 ≈ 2,92, σ ≈ 1,71.

Те саме для міста Б з першої симуляції, за поточного положення повзунка: E[X²] = –, (E[X])² = 15², отже дисперсія – град², а σ = –°.

Дисперсії додаються, відхилення — ні

Var (X + Y) = Var X + Var Y для незалежних X і Y  ⇒  σX+Y = √(σX² + σY²)

Автобус гуляє на σ = 3 хвилини, метро на σ = 4. Уся дорога гуляє не на 7, а на √(9 + 16) = 5 хвилин: затримки здебільшого не збігаються, і часом одна гасить іншу. Два кубики разом мають дисперсію 35/6 і σ ≈ 2,42, а не 1,71 + 1,71 = 3,42.

У симуляції міст температура міста Б — це сума сезону і незалежної погоди день у день. Зараз сезон дає σ = –°, погода σ = –°. Сума відхилень була б –°, а справжнє σ = –°, рівно √(– + –).

Середнє з n вимірів тремтить у √n разів менше

Киньте n кубиків і візьміть середнє очок. Повторіть це 4000 разів і подивіться, як розкидані ці середні. З правила додавання дисперсій виходить, що сума n кубиків має дисперсію n · 35/12, а середнє (сума, поділена на n) має σ / √n.

σ середніх · виміряно–
Формула 1,71 / √n–

Щоб зменшити розкид удвічі, треба вчетверо більше кубиків; щоб удесятеро — у сто разів більше. Корінь робить точність дорогою.

Ще одна дрібниця: коли σ оцінюють за вибіркою, а справжнього середнього не знають, суму квадратів часто ділять на n − 1 замість n. Відхилення від вибіркового середнього трохи менші за відхилення від справжнього, і n − 1 це виправляє.

Де це трапляється

Інші терміни