Дисперсия набора: задачи с делением на число значений

Дисперсия конечного набора — это среднее квадратов отклонений его значений от среднего. Чтобы её найти, сложите квадраты отклонений и разделите сумму на число значений, то есть на n. Это правило описано в учебнике OpenStax.

Ниже — два разбора и шесть самостоятельных задач. Во всех восьми рассматривается весь указанный набор, поэтому делить нужно на n, а не на n − 1.

Что обозначают записи

Пусть x — одно из чисел набора, а среднее — сумма всех чисел, делённая на их количество. Отклонение x − среднее показывает, на сколько число отличается от среднего. Знак Σ означает, что нужно сложить результаты для всех значений.

Запишем порядок вычислений так:

Дисперсия = Σ(x − среднее)² / n.

Одинаковые значения тоже учитывают по отдельности: каждое входит в набор и участвует в сумме.

Разбор 1. Три разных значения

Найдите дисперсию всего конечного набора [2, 4, 6]. Делите сумму квадратов отклонений на n, не на n − 1.

  1. В наборе три значения, поэтому n = 3.
  2. Среднее: (2 + 4 + 6) / 3 = 4.
  3. Отклонения: 2 − 4 = −2, 4 − 4 = 0, 6 − 4 = 2.
  4. Квадраты отклонений: 4, 0 и 4. Их сумма равна 8.
  5. Делим на число значений: 8 / 3.

Ответ: 8/3. Проверка: сумма отклонений −2 + 0 + 2 равна нулю, а сумма их квадратов неотрицательна.

Разбор 2. Повторяющиеся значения

Найдите дисперсию всего конечного набора [1, 3, 3, 5]. Делите сумму квадратов отклонений на n, не на n − 1.

Среднее равно (1 + 3 + 3 + 5) / 4 = 3. Отклонения четырёх значений: −2, 0, 0 и 2. Сумма квадратов равна 4 + 0 + 0 + 4 = 8. Делим её на n = 4 и получаем 2.

Проверка: оба числа 3 учтены, хотя каждое дало нулевое отклонение. В знаменателе остаётся четыре, а не три.

Шесть задач для самостоятельной работы

В каждой задаче найдите дисперсию всего конечного набора. Делите сумму квадратов отклонений на n, не на n − 1.

  1. Набор [0, 0, 4, 4].
  2. Набор [5, 5, 5].
  3. Набор [−2, 0, 2].
  4. Набор [−3, −1, 1, 3].
  5. Набор [2, 2, 2, 6].
  6. Набор [1, 2, 3, 4, 5].

Сначала запишите среднее и отклонение каждого числа. Затем найдите сумму квадратов и только после этого делите её на количество чисел. Сверяйте не только итог, но и промежуточные значения.

Ответы и решения

1. Среднее: (0 + 0 + 4 + 4) / 4 = 2. Отклонения: −2, −2, 2, 2. Сумма квадратов: 4 + 4 + 4 + 4 = 16. Дисперсия: 16 / 4 = 4.

2. Среднее: (5 + 5 + 5) / 3 = 5. Все три отклонения равны нулю, их квадраты тоже. Дисперсия: 0 / 3 = 0.

3. Среднее: (−2 + 0 + 2) / 3 = 0. Отклонения: −2, 0, 2. Сумма квадратов: 4 + 0 + 4 = 8. Дисперсия: 8 / 3 = 8/3.

4. Среднее: (−3 − 1 + 1 + 3) / 4 = 0. Отклонения: −3, −1, 1, 3. Сумма квадратов: 9 + 1 + 1 + 9 = 20. Дисперсия: 20 / 4 = 5.

5. Среднее: (2 + 2 + 2 + 6) / 4 = 3. Отклонения: −1, −1, −1, 3. Сумма квадратов: 1 + 1 + 1 + 9 = 12. Дисперсия: 12 / 4 = 3.

6. Среднее: (1 + 2 + 3 + 4 + 5) / 5 = 3. Отклонения: −2, −1, 0, 1, 2. Сумма квадратов: 4 + 1 + 0 + 1 + 4 = 10. Дисперсия: 10 / 5 = 2.

Как проверить вычисления

Типичная ошибка — сложить отклонения без возведения в квадрат. Их сумма при правильно найденном среднем равна нулю, но это не означает, что дисперсия любого набора равна нулю. Например, в первом разборе отклонения взаимно уничтожаются, а их квадраты дают сумму 8.

Для проверки пересчитайте количество слагаемых: оно должно совпадать с n. Отрицательное отклонение при возведении в квадрат становится неотрицательным, поэтому отрицательной дисперсии быть не может.

Если ребёнку трудно выделить данные и вопрос до начала вычислений, поможет статья «Ребёнок не понимает условие задачи: как помочь разобраться».