Kada standartinis nuokrypis yra lygus nuliui?

Maureen P Sullivan / Getty Images

The imties standartinis nuokrypis yra aprašomoji statistika, matuojanti kiekybinių duomenų rinkinio sklaidą. Šis skaičius gali būti bet koks neneigiamas tikrasis skaičius. Kadangi nulis yra neneigiamas tikras numeris , atrodo, verta paklausti: Kada imties standartinis nuokrypis bus lygus nuliui? Tai atsitinka labai ypatingu ir labai neįprastu atveju, kai visų mūsų duomenų reikšmės yra visiškai vienodos. Išnagrinėsime priežastis.

Standartinio nuokrypio aprašymas

Du svarbūs klausimai, į kuriuos paprastai norime atsakyti apie duomenų rinkinį, yra šie:

• Kas yra duomenų rinkinio centras?
• Kaip išskirstytas duomenų rinkinys?

Į šiuos klausimus atsako įvairūs matavimai, vadinami aprašomoji statistika. Pavyzdžiui, duomenų centras, taip pat žinomas kaip vidutinis , galima apibūdinti kaip vidurkį, medianą arba režimą. Galima naudoti kitą statistiką, kuri yra mažiau žinoma, pvz Vytis arba trimėnas.

Savo duomenims skleisti galėtume naudoti diapazoną tarpkvartilinis diapazonas arba standartinis nuokrypis. Standartinis nuokrypis yra suporuotas su vidurkiu, kad būtų galima kiekybiškai įvertinti mūsų duomenų sklaidą. Tada galime naudoti šį skaičių norėdami palyginti kelis duomenų rinkinius. Kuo didesnis mūsų standartinis nuokrypis, tuo didesnis skirtumas.

Intuicija

Taigi pagal šį aprašymą pasvarstykime, ką reikštų standartinis nulio nuokrypis. Tai reikštų, kad mūsų duomenų rinkinyje nėra jokio sklaidos. Visos atskiros duomenų reikšmės būtų sujungtos į vieną vertę. Kadangi mūsų duomenys gali turėti tik vieną reikšmę, ši vertė sudarytų mūsų imties vidurkį.

Esant tokiai situacijai, kai visos mūsų duomenų reikšmės yra vienodos, nebūtų jokių skirtumų. Intuityviai suprantama, kad tokio duomenų rinkinio standartinis nuokrypis būtų lygus nuliui.

Matematinis įrodymas

Imties standartinis nuokrypis apibrėžiamas formule. Taigi bet koks teiginys, kaip antai aukščiau, turėtų būti įrodytas naudojant šią formulę. Pradedame nuo duomenų rinkinio, kuris atitinka aukščiau pateiktą aprašymą: visos reikšmės yra identiškos ir yra n vertės lygios x .

Apskaičiuojame šio duomenų rinkinio vidurkį ir matome, kad jis yra

x = ( x + x + . . . + x )/ n = nx / n = x .

Dabar, kai apskaičiuojame atskirus nuokrypius nuo vidurkio, matome, kad visi šie nuokrypiai yra lygūs nuliui. Vadinasi, dispersija ir standartinis nuokrypis taip pat yra lygūs nuliui.

Reikalingas ir pakankamas

Matome, kad jei duomenų rinkinys nerodo jokių pokyčių, tada jo standartinis nuokrypis yra lygus nuliui. Galime paklausti, ar pasikalbėti šis teiginys taip pat yra teisingas. Norėdami pamatyti, ar taip, vėl naudosime standartinio nuokrypio formulę. Tačiau šį kartą standartinį nuokrypį nustatysime lygų nuliui. Mes nedarysime prielaidų dėl savo duomenų rinkinio, bet pamatysime, koks nustatymas s = 0 reiškia

Tarkime, kad duomenų rinkinio standartinis nuokrypis yra lygus nuliui. Tai reikštų, kad imties dispersija s ^dutaip pat lygus nuliui. Rezultatas yra lygtis:

0 = (1/( n -1)) ∑ ( x _i- x )^du

Abi lygties puses padauginame iš n - 1 ir pamatysite, kad kvadratinių nuokrypių suma lygi nuliui. Kadangi dirbame su realiais skaičiais, vienintelis būdas tai įvykti yra tai, kad kiekvienas kvadratinis nuokrypis yra lygus nuliui. Tai reiškia, kad kiekvienam i , terminas ( x _i- x )^du= 0.

Dabar paimame aukščiau pateiktos lygties kvadratinę šaknį ir matome, kad kiekvienas nuokrypis nuo vidurkio turi būti lygus nuliui. Kadangi visiems i ,

x _i- x = 0

Tai reiškia, kad kiekviena duomenų reikšmė yra lygi vidurkiui. Šis rezultatas kartu su aukščiau pateiktu leidžia teigti, kad duomenų rinkinio imties standartinis nuokrypis yra lygus nuliui tada ir tik tada, kai visos jo reikšmės yra identiškos.