Variància
En teoria de probabilitat, la variància d'una variable aleatòria[1] és una mesura de la dispersió d'una variable aleatòria respecte de la seva mitjana . Es defineix com l'esperança de , això és
on suposem que .
Està relacionada amb la desviació típica, que se sol designar amb la lletra grega i que és l'arrel quadrada de la variància:[2][3]
En estadística descriptiva[4] la variància d'un conjunt de dades es defineix per
Variància d'una variable aleatòria[modifica]
La variància de una variable aleatòria es defineix per
Interpretació de la variància[modifica]
Considerem tres variables aleatòries. La primera és la constant 0: que com és evident no varia gens. La segona, pren els valors 1 i -1 amb probabilitat 1/2; per exemple, correspon a un joc a cara o creu on si surt cara guanyem 1 euro i si surt creu perdem un euro. Finalment, pren els valors 10 i -10 amb probabilitats 1/2; correspondria al mateix joc que abans però ara guanyaríem o perdríem 10 euros. Les tres variables tenen la mateixa esperança:
Per a , aplicant la fórmula del càlcul de l'esperança d'una funció d'una variable aleatòria tenim
Així, les tres variables tenen igual mitjana, però la primera variable que és una constant té variància 0 (no varia gens respecte la seva mitjana), mentre que pren valors més propers a la mitjana que , i llavors la variància de és més petita que la de .
Càlcul de la variància en els casos habituals[modifica]
Variables aleatòries discretes[modifica]
Sigui una variable aleatòria discreta que pot prendre un nombre finit o infinit numerable de valors amb probabilitats respectives Aleshores
Exemples
1. Si tenim un dau ordinari, que pren els valors amb probabilitats
Aplicant la fórmula del càlcul de l'esperança d'una funció d'una variable aleatòria ,
2. Sigui una variable binomial de paràmetres i , és a dir, que pot prendre els valors , amb probabilitats:
D'altra banda, per calcular calcularem primer . Utilitzant de nou la fórmula per a calcular l'esperança d'una funció d'una variable aleatòria (en aquest cas, la funció ), i amb arguments similars als anteriors,
3. Sigui una variable aleatòria de Poisson de paràmetre , és a dir, que pot prendre qualsevol valor natural (0 inclòs) amb probabilitats
Per a calcular farem com en el cas de la binomial i calcularem : Utilitzant arguments anàlegs als anteriors, tenim
Variables aleatòries absolutament contínues[modifica]
Sigui una variable aleatòria amb funció de densitat . Aleshores
Exemple Variable normal estàndard. Sigui una variable aleatòria normal estàndard, amb funció de densitat
Variables aleatòries sense variància[modifica]
Pot ocórrer que una variable aleatòria no tingui esperança: per exemple, una variable amb distribució de Cauchy. Aleshores la fórmula no tindrà sentit. Es diu que la variància de no existeix.
D'altra banda, també pot passar que una variable tingui esperança, però que . Aleshores la fórmula de la variància es pot aplicar, però dona . En aquest cas també es diu que la variància de no existeix o que és infinita. Una variable amb distribució t de Student amb dos graus de llibertat està en aquest cas.
Propietats de la variància[modifica]
- , i si i només si és una constant quasi segurament.
- essent i constants qualssevol.
- Desigualtat de Txebixev: per a qualsevol constant
- Desigualtat de Cauchy-Schwarz. Si i són dues variables aleatòries, aleshores,
Nova interpretació de la variància gràcies a la desigualtat de Txebixev
La desigualtat de Txebixev permet interpretar de quina manera la variància mesura la "dispersió" d'una variable aleatòria.[6] Si a la fórmula de la desigualtat de Txebixev prenem, per exemple, , aleshores la probabilitat que la variable s'allunyi de la seva mitjana més de 3 vegades la desviació típica serà menor de .
Covariància i correlació[modifica]
Siguin i dues variables aleatòries. Definim la covariància de i a
Si , es diu que i estan incorrelacionades. En aquest cas, la variància de la suma o la resta de variables es simplifica:
Noteu que si dues variables i són independents, aleshores són incorrelacionades, ja que .
La fórmula de la variància de la suma de variables també es simplifica: Si són incorrelacionades dos a dos, és a dir, per a , aleshores
Variància d'una població finita[modifica]
En estadística descriptiva[4] es considera una població (de persones o de coses: també s'anomena univers o col·lectiu) finita, amb elements, i es mesura una característica numèrica. Els resultats, iguals o diferents, es designen per . La mitjana o mitjana aritmètica es defineix per
La variància es defineix per
En general, en les observacions hi ha nombres repetits i només tenim valors diferents, que escriurem , de manera que els nombres es resumeixen en una taula de freqüències:
Valor | Freqüència
absoluta |
Freqüència
relativa |
---|---|---|
TOTAL |
on és la freqüència absoluta de la dada , és a dir, el nombre de vegades que surt aquesta dada, i és la freqüència relativa. Aleshores la mitjana es calcula per la fórmula
i la variància per
Atès que la variància de la població descrita per la taula anterior coincideix amb la variància d'una variable aleatòria discreta que prengui els valors amb probabilitats , les propietats i fórmules que hem comentat als apartats anteriors també serveixen per aquest cas. Aleshores, per la Propietat 3 de la variància, tenim la fórmula
Aquesta fórmula és útil per a calcular la variància amb les dades tabulades. Per exemple, utilitzant freqüències absolutes tenim
TOTAL |
---|
Llavors dividint el total de la tercera columna per s'obté , i dividint el total de la cinquena columna per s'obté l'altre terme que intervé en la fórmula de la variància.
Per a variància poblacional i variància mostral vegeu la pàgina desviació tipus.
Referències[modifica]
- ↑ Chung, Kai Lai. Teoría elemental de la probabilidad y de los procesos estocásticos, cap . 6. Editorial Reverté, 1983.
- ↑ Variance a MathWorld (anglès)
- ↑ «variance | statistics | Britannica» (en anglès). [Consulta: 29 gener 2022].
- ↑ 4,0 4,1 Lobez Urquía, J.; Casa Aruta, E.. Estadística intermedia. Segunda edición. Vicens-Vives, 1975.
- ↑ «Standard Deviation and Variance». [Consulta: 4 febrer 2022].
- ↑ Bonet, E.. Espais de probabilitat finits. Barcelona: Editorial Lavínia, S. A., 1969, p. 158.
Vegeu també[modifica]
![]() |
A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Variància |