【定理・公式・証明】高校数学定理・公式 – 数学Ⅰ – 平均・分散・共分散・標準偏差における変量の変換
平均における変量の変換
$n$ 個の値からなるデータ $x_{1} , x_{2} , \cdots , x_{n}$ の平均値を $\overline{x}$ とする。
ui=axi+b (i=1,2,⋯,n) としたとき,ui の平均値 u は,
u=ax+b
証明
x の平均値 x は,
x=n1(x1+x2+⋯+xn)
このとき, ui の平均値 u は,
u=n1(u1+u2+⋯+un)
=n1{(ax1+b)+(ax2+b)+⋯+(axn+b)}
=n1{a(x1+x2+⋯+xn)+nb}
=a⋅n1(x1+x2+⋯+xn)+b
=ax+b
分散・標準偏差における変量の変換
$n$ 個の値からなるデータ $x_{1} , x_{2} , \cdots , x_{n}$ の平均値を $\overline{x}$ , 分散 $s_{x}^2$ ,標準偏差を $s_{x}$ とする。 $u_{i} = ax_{i} +b$ $(i=1,2, \cdots ,n)$ としたとき, $u_{i}$ の分散を $s_{1}^2$ ,標準偏差を $s_{u}$ とすると,
[Ⅰ] su2=a2sx2
[Ⅱ] su=∣a∣sx
証明
x の平均値 x ,分散 sx2 は,
⎩⎨⎧x=n1(x1+x2+⋯+xn)sx2=n1{(x1−x)2+(x2−x)2+⋯+(xn−x)2}
ui=axi+b のとき, u=ax+b 。このとき,u の分散 ux2 は,
u1−u=ax1+b−(ax+b)=a(x1−x
u2−u=ax2+b−(ax+b)=a(x2−x
⋮
un−u=axn+b−(ax+b)=a(xn−x
より,
[Ⅰ] su2=n1{(u1−u)2+(u2−u)2+⋯+(un−u)2}
=n1{a2(x1−x)2+a2(x2−x)2+⋯+a2(xn−x)2}
=a2⋅n1{(x1−x)2+(x2−x)2+⋯+(xn−x)2}=a2⋅sx2
したがって,
[Ⅱ] su=a2⋅sx2=∣a∣sx
共分散における変量の変換
2つの変量 $x$ , $y$ からなるデータとして, $n$ 個の値の組 $(x_{1} , y_{1} ) , (x_{2} , u_{2} ) , \cdots (x_{n} , y_{n} )$ がある。 $i=1,2, \cdots , n$ として, $x_{i}$ , $y_{i}$ の平均値を $\overline{x}$ , $\overline{y}$ , $x_{i}$ , $y_{i}$ の共分散を $s_{xy}$ とおく。このとき, $u_{i}=ax_{i} +b$ , $v_{i} =cy_{i} +d$ としたとき, $u_{i}$ , $v_{i}$ の共分散を $s_{uv}$ とおくと,
suv=acsxy
証明
xi , yi の共分散 sxy は,
sxy=1n{(x1−x)(y1−y)+⋯+(xn−x)(yn−y)}
このとき, ui , vi の共分散 suv は,
suv=n1{(u1−u)(v1−v)+(u2−u)(v2−v)+⋯+un−u)(vn−v)}
=n1({ax1+b−(ax+b)}{cy1+d−(cy+d)}+⋯+{axn+b−(ax+b)}{cyn+d−(cy+d)})
=n1{a(x1−x)⋅c(y1−y)+⋯+a(xn−x)⋅c(yn−y)}
=a⋅c⋅n1{x1−x)(y1−y)+⋯+(xn−x)(yn−y)}
=acsxy