標準偏差の公式と求め方を徹底解説します!

標準偏差とは?標準偏差の意味と求め方

「標準偏差は何を表してるの?」
「標準偏差の求め方は?」
今回は標準偏差に関する悩みを解決します。

高校生
標準偏差が苦手なんですよ...

 

標準偏差とは、「データの散らばりの度合い」を表す指標の1つです。

分散の正の平方根が標準偏差です。

標準偏差とは?

 

本記事では、標準偏差の意味と求め方について解説します。

記事の内容

筆者の信頼性

数学が苦手な方は「Step1:基礎知識を高速インプットして土台を作る」で5ステップに分けて勉強法を解説しています。

ステップ1「基礎知識を高速インプットして土台を作る」
ステップ1「基礎知識を高速インプットして土台を作る」

標準偏差の公式

標準偏差とは「データの散らばりの度合いを表す指標」の1つです。

標準偏差とは?

分散の平方根で求めることができます。

分散の公式

変数\(x\)の値が\(x_1,x_2,...,x_n\)で、平均が\(\bar{x}\)のとき
分散\(s^{2}\)は、

\begin{eqnarray}
\displaystyle s^{2}&=&\frac{1}{n}\{(x_{1}-\bar{x})^{2}+(x_{2}-\bar{x})^{2}+...+(x_{n}-\bar{x})^{2}\}\\
\displaystyle &=&\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n (x_i-\bar{x})^{2}
\end{eqnarray}

もしくは

\[\displaystyle s^{2}=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n x_i^{2} -\bar{x}^{2}\]

標準偏差\(s\)は分散\(s^{2}\)の正の平方根

\[s=\sqrt{s^{2}}\]

分散については「分散とは?分散の意味と求め方」にて解説しています。

分散
分散とは?分散の公式と求め方
分散とは?分散の公式と求め方を解説!標準偏差や共分散との違いは?

続きを見る

標準偏差の求め方

標準偏差\(s \)は分散\(s^2\) を使って以下のように表されます。

標準偏差の求め方

 

標準偏差は「分散の正の平方根」なので、まずは分散を求める必要があります。

標準偏差の求め方

  1. 平均値を求める
  2. 偏差を求める
  3. 分散(偏差の2乗平均)を求める
  4. 分散の平方根を求める

それでは、例をもとに一緒に標準偏差を求めてみましょう。

あるクラスで数学Ⅰのテストを行いました。

標準偏差の求め方

 

1.平均値を求める

まずは平均値を求めます。

\[\displaystyle \frac{30+40+50+80+100}{5}=60\]

 

標準偏差の求め方

 

2.偏差を求める

偏差とは「データと平均値との差」を指します。

偏差を求める

偏差=(データ値)-(平均値)

\begin{eqnarray}
30-60&=&-30\\
40-60&=&-20\\
50-60&=&-10\\
80-60&=&20\\
100-60&=&40
\end{eqnarray}

標準偏差の求め方

 

偏差について別の記事でまとめました。
偏差値とは?偏差値の意味と求め方をズバリ解説します!

 

3.分散を求める

分散は「偏差の2乗平均」で求めることができます。

 

\[\displaystyle \frac{900+400+100+400+1600}{5}=680\]

分散の意味や求め方は別の記事で詳しくまとめています。

分散
分散とは?分散の公式と求め方
分散とは?分散の公式と求め方を解説!標準偏差や共分散との違いは?

続きを見る

 

4.分散の平方根を求める

標準偏差の求め方

分散:680の正の平方根を求めます。

\[\sqrt{680} ≒ 26.08\]

したがって、標準偏差は26.08

これで標準偏差を求めることができました。

 

高校生
標準偏差の求め方は分かったけど、そもそも標準偏差を求めるメリットは何ですか?
つぎは標準偏差を求めるメリットを解説していくよ!
シータ

標準偏差のメリット

標準偏差を求めるメリットは「データ全体のざっくりとした分布」が分かることです。

例えば、あるテスト結果の分散が680と言われてピンと来ますか?おそらく誰も分からないでしょう。

 

しかし、標準偏差が26.08だと分かると、受験者の68%が”平均点±26.08点"の中にいることを示します。

標準偏差のメリット

図のように、正規分布の場合、平均値±標準偏差中に観測データが含まれる確率は68.3%になります。
これが±標準偏差の2倍、3倍になるとさらに確率は上がります。

範囲範囲内に収まる確率
平均値±標準偏差68.3%
平均値±(標準偏差×2)95.4%
平均値±(標準偏差×3)99.7%

標準偏差と分散

標準偏差と分散は何が違うのでしょうか。

ざっくりした説明ですが表している単位が異なるのです。

例えばお肉の重さについて調べます。このとき使う単位をグラム\(g\)だとしましょう。

 

分散はデータの2乗平均なので、求めた分散の単位は\(g^2\)になります。

その一方で、標準偏差は分散の正の平方根なので単位が\(g\)になっています。

 

したがって、データの散らばりの度合いを表すときは、分散の\(g^{2}\)よりも標準偏差で表した方が分かりやすくなります。

標準偏差と分散

標準偏差を求めることで、ほとんどのデータが「平均値±標準偏差」に収まっていることが分かります。

 

標準偏差<練習問題>

標準偏差<練習問題>

標準偏差の意味を理解したところで、練習してみましょう。

先程のテストをBクラスでも行った結果、このようになりました。

標準偏差<練習問題>

Bクラスの標準偏差を求めましょう

標準偏差の求め方を振り返ります。

標準偏差の求め方

  1. 平均値を求める
  2. 偏差を求める
  3. 分散(偏差の2乗平均)を求める
  4. 分散の平方根を求める

 

1.平均値を求める

\[\displaystyle \frac{40+55+60+70+75}{5}=60\]

平均値:60点

 

2.偏差を求める

\begin{eqnarray}
40-60&=&-20\\
55-60&=&-5\\
60-60&=&0\\
70-60&=&10\\
75-60&=&15
\end{eqnarray}

 

3.分散を求める

\begin{eqnarray}
\displaystyle s^{2}=\frac{(-20)^2+(-5)^2+0+10^2+15^2}{5}\\
\displaystyle &=&\frac{400+25+0+100+225}{5}\\
\displaystyle &=&\frac{750}{5}\\
&=&150
\end{eqnarray}

分散:150

 

4.分散の平方根を求める

分散が150なので、

\(\sqrt{150} ≒ 12.25\)

解答標準偏差 12.25

 

高校生
自分で標準偏差を求められるようになりました!
いつでも求められるように定期的に確認しよう!
シータ

標準偏差 まとめ

今回はデータの分析から標準偏差についてまとめました。

標準偏差 まとめ

標準偏差とは?
データの散らばりの度合いを表す指標

分散の公式

標準偏差

変数\(x\)の値が\(x_1,x_2,...,x_n\)で、平均が\(\bar{x}\)のとき
分散\(s^{2}\)は、

\begin{eqnarray}
\displaystyle s^{2}&=&\frac{1}{n}\{(x_{1}-\bar{x})^{2}+(x_{2}-\bar{x})^{2}+...+(x_{n}-\bar{x})^{2}\}\\
\displaystyle &=&\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n (x_i-\bar{x})^{2}
\end{eqnarray}

もしくは

\[\displaystyle s^{2}=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n x_i^{2} -\bar{x}^{2}\]

標準偏差\(s\)は分散\(s^{2}\)の正の平方根

\[s=\sqrt{s^{2}}\]

標準偏差は「分散の正の平方根」なので、まずは分散を求める必要があります。

標準偏差の求め方

  1. 平均値を求める
  2. 偏差を求める
  3. 分散(偏差の2乗平均)を求める
  4. 分散の平方根を求める

 

標準偏差に合わせて「共分散」や「相関係数」についても確認しておきましょう。
まだチェックしていない方はぜひご覧ください。

共分散
共分散の求め方をサクッと解説!!

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相関係数
相関係数の意味と求め方を分かりやすく解説!
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それでは最後まで読んでくださりありがとうございました。

あなたの努力が報われますように!

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