1. 平均值,标准差,期望: 均值

1. 均值:平衡点

数理统计初级教程这本书里,对于平均值有一个非常形象的比喻:

比如说现在有这么10个数据:2,4,5,8,2,3,5,6,8,2

然后把这些数据按照从小到大依次排列在数轴上面。第一个数据是2,我们就在2这个位置放一个小方块,然后是4,我们在4这里放一个小方块,以此类推。于是10个数字放完以后,2这里有3个方块,3这里有1个,4这里有1个,5这里有2个,6这里有1个,8这里有2个,总共刚好是10个。

那现在假如每个小方块的重力都是1个单位,那我们应该在哪个地方放一个支点才能保证这个数轴是平衡的呢?我们都知道杠杆原理是吧,力的大小乘以力臂就是力矩了。比如说现在支点放在4.5这里,那么2这里有3个方块,力是3,力臂是(2-4.5)=-2.5,而对于3,方块有一个,力是1,力臂是(3-4.5)=-1.5,把全部的方块加起来可以得到下面的式子:

(2-4.5)*3+(3-4.5)*1+(4-4.5)*1+(5-4.5)*2+(6-4.5)*1+(8-4.5)*2

最后算出来,刚刚好,是0,所以在4.5左边和右边的力矩相同,这个天平平衡了。而如果我们用常规的求平均值的方法算一下的话:

\bar{x}=\frac{\sum{x}}{n}=\frac{2+4+5+8+2+3+5+6+8+2}{10}=\frac{2*3+3*1+4*1+5*2+6*1+8*2}{10}=4.5

原来均值就是4.5。而且,到了2*3+3*1+4*1+5*2+6*1+8*2这里是不是就跟上面求力臂的式子很像了呢?

也就是说,均值相当于一组数据中,各个数字以数量加权以后(\sum{x_n*频数_n})的均衡位置。

而关于\sum{x_n*频数_n}的这种表述我们很快还会看到。

2. 均值的几个性质

从上面力臂那个例子可以看出来,所有的项,对均值的差,这些差加起来,和等于0

\sum{(x-\bar{x})}=0 (1.1)

接下来为了演示的方便,我们主要看这一组数据3,5,7。很明显,这组数据的平均值是5,于是有

(3-5)+(5-5)+(7-5)=0

如果给上面这组数据每个数字加上3,新的一组数据的平均值是\frac{6+8+10}{3}=8, 而8=5+3,实际上对于x_1, x_2, ... x_n,每一个项都加上常数c以后,有新的均值等于

\frac{\sum{x+c}}{n}=\frac{\sum{x}+nc}{n}=\frac{\sum{x}}{n}+c=\bar{x}+c (1.2)

也就是原来的平均值\bar{x}加上c。这里还有另外一些东西:首先\sum{a+b}=\sum{a}+\sum{b},然后当c是常数的时候,\sum{c}=nc,后面这些性质还会反复的用到。

如果给3,5,7这组数字都乘以一个常数2,则新的平均值是\frac{6+10+14}{3}=10,也就是原来平均值5乘以常数2等于10。同样,对于x_1, x_2, ... x_n,每一个项都乘以常数c以后,有新的均值等于

\frac{\sum{cx}}{n}=\frac{c\sum{x}}{n}=c\bar{x} (1.3)

对于求和\sum{cx}=c\sum{x},常数系数可以提取出来。

注:本篇主要来源于《数理统计初级教程》

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