【技術記事】高速な分散の計算方法

みなさん、こんにちは、
みむすたーです。

今日は、高速に分散を計算する方法について、説明します。

それではいきましょう。

分散の計算式

以前、私が投稿した記事の中でも紹介しましたが、分散の式は以下の通りです。

\[V=\frac{1}{n}\sum_{k=1}^{n}(x_k-μ)^2\]

分散の計算式の簡略化

上記の式だと手で計算するとき、
偏差の二乗を計算し、合計を計算するのは大変です。
そのため、上記の計算式を簡略化しましょう。

\[V=\frac{1}{n}\sum_{k=1}^{n}(x_k-μ)^2\]

まずは、シグマ内の二乗を展開します。

\[V=\frac{1}{n}\sum_{k=1}^{n}(x_k^2-2x_k μ + μ^2)\]

$μ^2$は定数と捉えることができるため、シグマの中から取り出します。

\[V=\frac{1}{n}\sum_{k=1}^{n}(x_k^2-2x_k μ)+ μ^2\]

$\frac{1}{n}\sum_{k=1}^{n}(-2x_k μ)$ は、
よく見ると、$-2μ$を取り外すことで、
$\frac{1}{n}\sum_{k=1}^{n}(x_k)$という平均の式が現れます。
そのため、$-2μ^2$に置き換えることができます。
よって、

\[V=\frac{1}{n}\sum_{k=1}^{n}(x_k^2) – 2μ^2+ μ^2\]

となり、$μ^2$の部分を足し合わせて、

\[V=\frac{1}{n}\sum_{k=1}^{n}(x_k^2) – μ^2\]

と表せます。

この式を簡単に説明すると、

分散(V) = 二乗の平均 – 平均の二乗という形になります。

この計算式を使うことで、手での計算でも簡単に分散の値を求めることができます。

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