標準偏差とは

ひょうじゅんへんさstandard deviation略語 SD別名 SD

1行定義

標準偏差とは、データが平均からどの程度ばらついているかを表す値で、分散の正の平方根として求めるもののことです。

くわしく

標準偏差は、データのばらつきの大きさを1つの数で表す値です。記号ではσ(シグマ)やsで表します。平均が同じでも、値が平均の近くに集まっているデータは標準偏差が小さく、広く散らばっているデータは大きくなります。

計算の手順

  1. 平均を求めます。
  2. 各データから平均を引いて、偏差を求めます。
  3. 偏差を2乗して平均します。これが分散です。
  4. 分散の正の平方根をとります。これが標準偏差です。

たとえば4個のデータ5、11、11、13では、平均は10です。偏差は−5、1、1、3で、2乗すると25、1、1、9です。合計36を4で割った分散は9、標準偏差は√9 = 3です。

分散との違い

分散は偏差を2乗するため、単位も2乗になります(cmならcm²)。標準偏差は平方根をとるので、元のデータと同じ単位に戻ります。そのため、「平均から何cmくらい離れているか」と直感的に読めます。

使われる場面

  • 正規分布では、平均±1標準偏差に約68%、±2標準偏差に約95%のデータが入ります。
  • 値から平均を引いて標準偏差で割る標準化(z = (x − 平均) / 標準偏差)で、単位や大きさの違う特徴量をそろえられます。機械学習の前処理や、バッチ正規化で使われます。
  • 相関係数は、共分散を2つの変数の標準偏差の積で割って求めます。

nで割るか、n−1で割るか

手元のデータ全体のばらつきを表すときは、データの個数nで割ります。標本から母集団のばらつきを推定するときは、n−1で割った不偏分散の平方根を使うことが多くあります。計算問題では、どちらで割るよう指示されているかを確認します。

覚え方

「分散のルートをとると、単位が元に戻る」と覚えます。

G検定での出題

偏差の2乗の平均(分散)の平方根をとる計算手順、元のデータと同じ単位になる性質、正規分布での±1σ・±2σの目安、標準化や相関係数での使われ方が問われます。

◯×チェック

  1. データのすべての値に同じ数を足しても、標準偏差は変わらない。

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    答え ◯ 正しい

    全体が平行移動するだけで、平均からの離れ具合は変わらないためです。平均だけが、足した数の分だけ大きくなります。

  2. データのすべての値を2倍にすると、標準偏差は4倍になる。

    答えを見る

    答え × 誤り

    標準偏差は2倍になります。4倍になるのは分散です。分散は偏差を2乗するため、倍率も2乗で効きます。

  3. 標本から母集団の標準偏差を推定するときは、偏差の2乗の和をデータの個数nではなくn−1で割った不偏分散をもとにすることが多い。

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    答え ◯ 正しい

    標本の平均は標本自体に近い値をとるため、nで割ると母集団のばらつきを小さく見積もりがちです。n−1で割って補正します。

練習問題

標準偏差の問題(6問)
  1. バッチ正規化の出力の計算
  2. 分散と標準偏差の計算
  3. 共分散と相関係数の計算
  4. 標準化による得点の比較
  5. マハラノビス距離による異常度
  6. 外れ値の検出と扱い方

AIで作成 人による確認:未 誤りを報告

出典と作成について

作成:ウカトレ編集部(AIで作成し、別のAIが一次資料と照合。手順は編集方針)

公開日: 最終更新日: 最終確認日:

対応シラバス:シラバス第1.4版 技術37

出典

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