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SPM Tuition
数学 · 未分组数据的离散度

预测数据变动的影响

老师把每个人的分数都加了几分,你却从头重算平均值和标准差。

每个数加上同一个数,数据整体平移,平均值跟着变,离散程度不变。每个数乘以同一个数,平均值和离散程度一起被放大。掌握这两条,就能不重算而预测新的平均值和标准差。

这一课是未分组数据的离散程度的收尾,接在用中心与散布比较数据之后。

三种变动有什么规则?

以一次满分 15 分的小测为例,五位同学的分数是 2、5、6、9、13。

平均值 = 35 ÷ 5 = 7。偏差是 −5、−2、−1、2、6,平方后是 25、4、1、4、36,总和 70。方差 = 70 ÷ 5 = 14,标准差 σ = √14 ≈ 3.74。

对每个数做的变动 新平均值 新方差 新标准差
加 4 7 + 4 = 11 14(不变) √14 ≈ 3.74(不变)
减 3 7 − 3 = 4 14(不变) 3.74(不变)
乘以 3 7 × 3 = 21 14 × 9 = 126 3 × 3.74 ≈ 11.22

加减只是把整组数据搬到另一个位置,间隔没变。乘法把每个间隔拉长,间隔放大 3 倍,方差是间隔的平方,所以放大 9 倍。

例题:把乘法规则完整核对一次

每个数乘以 3,得到 6、15、18、27、39。

  • 平均值 = 105 ÷ 5 = 21,和预测相同。
  • 偏差是 −15、−6、−3、6、18,平方后是 225、36、9、36、324,总和 630。
  • 方差 = 630 ÷ 5 = 126,和 14 × 9 吻合。

新增或去掉一个数会怎样?

新增一个等于平均值的数。 在原数据里加入 7,共 6 个数,平均值仍是 42 ÷ 6 = 7。

新数的偏差是 0,平方和仍是 70,但现在除以 6,方差变成 70 ÷ 6 ≈ 11.67,比 14 小。

去掉最大的数。 去掉 13,剩下 2、5、6、9。

平均值 = 22 ÷ 4 = 5.5。偏差是 −3.5、−0.5、0.5、3.5,平方后是 12.25、0.25、0.25、12.25,总和 25,方差 = 25 ÷ 4 = 6.25,标准差 = 2.5。离平均值最远的数走了,离散程度大幅下降。

会丢分的两个错误

第一个错误:每个数加 4,就把标准差也加 4。加法不改变间隔,标准差原封不动。

第二个错误:每个数乘以 3,方差也只乘以 3。标准差乘以 3,方差要乘以 3² = 9。两者都可以用描述统计探索器 (英文)自己编一组数来验证。

自我检查

数据 4、6、7、10、13 的平均值是 8,方差是 10。预测以下两种变动后的平均值和方差:(a) 每个数减 3;(b) 每个数先乘以 2,再加 1。

答案

(a) 平均值 = 8 − 3 = 5,方差保持 10。

(b) 平均值 = 8 × 2 + 1 = 17。加 1 不影响离散,乘以 2 让方差乘以 4,所以方差 = 10 × 4 = 40。

核对 (b):新数据是 9、13、15、21、27,平均值 85 ÷ 5 = 17。偏差是 −8、−4、−2、4、10,平方和 64 + 16 + 4 + 16 + 100 = 200,200 ÷ 5 = 40。

接下来学什么?

先做未分组数据的离散程度练习题,再读怎样选择合适的数据摘要,学会判断一道题该用哪种量数。

想有老师陪你一条条过这些规则,可以看线上一对一数学补习。

常见问题

每个数都加上同一个数,标准差会变吗?

不会。平均值、中位数和四分位数都增加同样的数,但数与数之间的间隔没有变,所以全距、四分位数间距、方差和标准差都保持不变。整组数据只是在数轴上整体平移。

每个数都乘以 k,方差怎样变?

平均值和中位数乘以 k,标准差乘以 k 的正值,方差乘以 k²。每个间隔都放大 k 倍,而方差是间隔的平方,所以放大 k² 倍。

新增一个等于平均值的数,会怎样?

平均值不变。新数的偏差是 0,所以偏差平方和不变,但要除以多一个数,因此方差和标准差变小。

去掉一个极端值,为什么标准差会变小?

极端值离平均值远,偏差平方很大,在总和里占的份量重。去掉它,总和明显下降,数据也更集中。平均值也会向剩下的数靠拢。

如果一遇到数据变动就整题重算,一对一的老师可以陪你判断哪些变化一行就能预测,并讲清楚规则为什么成立。

  • 为孩子安排线上一对一课程,由经验丰富的老师授课。
  • 第一堂是一小时试听课,RM50 起。学费在预约前就先谈好。
  • 对老师满意就继续上课,每堂约 1.5 小时;不满意可以要求换老师。