9 人の生徒が 1 か月に読んだ本の冊数を調べたところ、その平均値は 冊、分散は であった。ここに、1 か月に 冊読んだ生徒 1 人のデータを加えて、10 人のデータを作った。この 10 人のデータの分散を求めよ。
グループを合わせたデータの平均・分散
各グループの個数・平均値・分散(または , )から、全体やデータを 1 個追加したときの平均値・分散を を使って求められる
前提
- 分散と標準偏差 (数学I データの分析)
この技能までの道筋(4 技能)
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- 平均と合計 (算数 いろいろな文章題)
- 平均値・中央値・最頻値 (中学数学 データの活用)
- 代表値(平均値・中央値・最頻値) (数学I データの分析)
- 分散と標準偏差 (数学I データの分析)
説明
データがいくつかのグループに分かれていて、各グループの個数・平均値・分散だけがわかっている場合を考えます。この技能を使うと、データの値を一つ一つ知らなくても、全グループを合わせたデータの平均値と分散を求められます。すでにあるデータに 1 個データを追加したときの平均値・分散も、同じ方法で求められます。クラスごとの成績から学年全体の様子を調べるときなどに使います。
なぜそうしてよいのか
平均値や分散は、グループごとの値をそのまま足したり平均したりしても、全体の値にはなりません。一方で「合計」は足し合わせることができます。全体のデータの合計は各グループの合計の和であり、2 乗の合計も各グループの 2 乗の合計の和です。そこで、各グループの情報をいったん「合計」と「2 乗の合計」に直してから足し合わせます。
グループ A の個数を 、平均値を 、分散を とします。平均値は合計を個数で割ったものなので、A の合計は です。また、分散の公式 ( は A の各データの 2 乗の平均)を変形すると となり、A の 2 乗の合計は です。グループ B なども同様です。
全体の個数を とし、全体の平均値を 、全体の 2 乗の平均を と書くことにします。全体の合計を で割れば 、全体の 2 乗の合計を で割れば が得られ、全体の分散は同じ公式で となります。データ を 1 個追加する場合は、その 1 個を「個数 1・平均値 ・分散 のグループ」とみなします。このグループの合計は 、2 乗の合計は なので、これをもとのデータの合計・2 乗の合計に足せば、まったく同じ計算で求められます。
手順
各グループの合計を求める:グループ A なら
各グループの 2 乗の合計を求める:グループ A なら (分散の公式を逆に使う)
データ を 1 個追加するときは、それを個数 1・平均値 ・分散 のグループとみなし、合計 、2 乗の合計 として扱う
合計どうし、2 乗の合計どうしをそれぞれ足し、全体の個数 で割る。これで全体の平均値 と 2 乗の平均 が得られる
全体の分散を で求める(標準偏差が必要なら、その正の平方根をとる)
例題
あるテストで、A 組 4 人の得点は平均値 6 点・分散 4、B 組 6 人の得点は平均値 11 点・分散 9 であった。A 組と B 組を合わせた 10 人の得点の分散を求めよ。
例題の解答
、、全体の個数は である。
手順 1(合計):A 組の合計は 、B 組の合計は 。
手順 2(2 乗の合計):A 組は 、B 組は 。
手順 3:今回はデータの追加はないので使わない。
手順 4(全体の平均):合計は なので 。2 乗の合計は なので 。
手順 5(分散):。
よって、10 人の得点の分散は 13 である。
答え:
よくある誤り
全体の分散を、グループの分散の平均 や、個数で重みをつけた平均 としてしまう誤り。分散は全体の平均値からのずれで決まり、グループの平均値どうしの差もずれに加わる。正しくは 2 乗の合計から計算し、上の例では になる。
全体の平均値を、グループの平均値をそのまま平均して としてしまう誤り。人数が違うので、正しくは合計を全体の個数で割り、 となる。
2 乗の合計を や としてしまう誤り。正しくは なので、2 乗の合計は である(例:A 組は )。
平均値と同じ値のデータを 1 個追加しても、分散は変わらないと考えてしまう誤り。平均値 6・分散 4 の 4 個のデータに 6 を追加すると、追加分は合計 、2 乗の合計 のグループなので、平均値は のままだが、2 乗の平均は となり、分散は に減る。偏差の 2 乗の合計は変わらず、個数だけが増えるからである。
この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。
入口の問題
ある生徒が 点満点の小テストを 回受けた。 回の得点のデータの平均値は 点、分散は であった。その後、この生徒は 回目の小テストを受け、得点は 点であった。 回分の得点のデータの分散を求めよ。
ある図書委員会の生徒 人について、先月読んだ本の冊数を調べた。 人の冊数のデータの平均値は 冊、分散は であった。後から委員がもう 人加わり、その生徒が先月読んだ本の冊数は 冊であった。この生徒を加えた 人の冊数のデータの分散を求めよ。
この技能を使う問題
あるクラスの生徒 人を、グループ A の 人とグループ B の 人に分け、それぞれの通学時間(分)を調べた。グループ A の 人の通学時間の平均値は 、標準偏差は であった。グループ B の 人の通学時間の平均値は 、標準偏差は であった。このとき、 人全体の通学時間の標準偏差を求めよ。
ある 10 人のテストの得点を、A 組 6 人と B 組 4 人に分けて集計した。A 組 6 人の得点の平均値は 点、分散は であった。B 組 4 人の得点の平均値は 点、分散は であった。このとき、10 人全体の得点の標準偏差を求めよ。ただし、分散は偏差の 2 乗の平均値とする。
変量 について 個のデータ があり、
である。正の定数 と定数 を用いて と変換したところ、 の平均値は 、分散は になった。さらに とし、同じ式で と定める。このとき、 個のデータ の分散を求めよ。
20 個の値からなるデータがあり、その平均値は 、分散は であった。ところが後になって、このデータのうち 2 つの値に記録の誤りがあることがわかった。 と記録されていた値は正しくは 、 と記録されていた値は正しくは である。ほかの 18 個の値は正しく記録されている。正しいデータの標準偏差を求めよ。
A組 人と B組 人が同じテストを受けた。A組の得点の平均値は 点、分散は であり、B組の得点の平均値は 点、分散は であった。
A組の各生徒の得点 だけを、定数 ()を用いて
により に変換した。変換後の A組の得点 と、変換していない B組の得点を合わせた 人分のデータの平均値は 点、分散は となった。A組で元の得点が 点であった生徒の、変換後の得点を求めよ。ただし、分散は偏差の 乗の平均値とする。
ある高校で、生徒 10 人に 2 種類のテストを行い、テスト 1 の得点を 、テスト 2 の得点を とした。10 人は、6 人のグループ A と 4 人のグループ B に分かれており、各グループの結果は次の通りであった。
- グループ A(6 人): の平均値 、 の平均値 、 の標準偏差 、 の標準偏差 、 と の相関係数
- グループ B(4 人): の平均値 、 の平均値 、 の標準偏差 、 の標準偏差 、 と の相関係数
ただし、分散・標準偏差・共分散は、いずれも偏差の積(または偏差の 2 乗)の総和をデータの個数で割ったものとする。
10 人全体のデータにおける と の相関係数を求めよ。
個の値からなるデータがあり、その平均値は 、標準偏差は である。このデータに つの値 を加えて、 個の値からなるデータを作ったところ、その標準偏差は になった。正の整数 の値を求めよ。
あるテストを A 組の生徒 人と B 組の生徒 人が受けた。A 組の得点 のデータは平均値 、分散 であり、B 組の得点のデータは平均値 、分散 であった。
採点基準をそろえるため、A 組の各生徒の得点 を、定数 ()を用いて に変換した。変換後の A 組 人の得点 と、B 組 人の得点(変換しない)を合わせた 人のデータは、平均値が 、分散が となった。
このとき、定数 の値を求めよ。
この技能の次に学べること
- 測定値の組を合わせた平均と標準偏差 (大学物理 物理実験・誤差論)