確率変数の和と平均の分散の違い
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2024.04.26


サイコロを1回振ったときの出る目の期待値:
   1×1/6 + 2×1/6 + 3×1/6 + 4×1/6 + 5×1/6 + 6×1/6 =→ 21×1/6 =→ 7/2

サイコロを1回振ったときに出た目を記録し、それを無限回行って統計を取ったときの平均:
   サイコロを1回振ったときの出る目の期待値と同じ 7/2

サイコロを2回振ったときの出る目の和の期待値:
   2×1/36 + 3×2/36 + 4×3/36 + 5×4/36 + 6×5/36 + 7×6/36
      + 8×5/36 + 9×4/36 + 10×3/36 + 11×2/36 + 12×1/36
          =→ 252/36 =→ 7

サイコロを2回振ったときに出た目の和を記録し、それを無限回行って統計を取ったときの平均:
   サイコロを2回振ったときの出る目の和の期待値と同じ 7
   サイコロを1回振ったときの出る目の期待値の2倍で 7

サイコロを2回振ったときの出る目の平均の期待値:
   2/2×1/36 + 3/2×2/36 + 4/2×3/36 + 5/2×4/36 + 6/2×5/36 + 7/2×6/36
      + 8/2×5/36 + 9/2×4/36 + 10/2×3/36 + 12×2/36 + 12×1/36
          =→ 252/72 =→ 7/2

サイコロを2回振ったときに出た目の平均を記録し、それを無限回行って統計を取ったときの平均:
   サイコロを2回振ったときの出る目の平均の期待値と同じ 7/2
   サイコロを1回振ったときの出る目の期待値と同じ 7/2

ここからが本番です。

サイコロを1回振ったときに出た目を記録し、それを720回行って統計を取ったときの分散の予想:
   { (1-7/2)2×120 + (2-7/2)2×120 + (3-7/2)2×120
      + (4-7/2)2×120 + (5-7/2)2×120 + (6-7/2)2×120 }÷ 720
         =→ 35/12

サイコロを2回振ったときに出た目の和を記録し、それを720回行って統計を取ったときの分散の予想:
   { (2-7)2×20 + (3-7)2×40 + (4-7)2×60 + (5-7)2×80
       + (6-7)2×100 + (8-7)2×100 + (9-7)2×80 + (10-7)2×60
           + (11-7)2×40 + (12-7)2×20 }÷ 720
                  =→ 4200/720 =→ 35/6

サイコロを2回振ったときに出た目の平均を記録し、それを720回行って統計を取ったときの分散の予想:
   { (2/2-7/2)2×20 + (3/2-7/2)2×40 + (4/2-7/2)2×60 + (5/2-7/2)2×80
       + (6/2-7/2)2×100 + (8/2-7/2)2×100 + (9/2-7/2)2×80 + (10/2-7/2)2×60
           + (11/2-7/2)2×40 + (12/2-7/2)2×20 }÷ 720
                  =→ 4200/2880 =→ 35/24

 というわけで、「 サイコロを2回振ったときに出た目のを記録し、それを720回行って統計を取ったときの分散 」は「 サイコロを1回振ったときに出た目を記録し、それを720回行って統計を取ったときの分散 」の2倍 になっています。もちろん「 サイコロを2回振ったときに出た目のを記録し、それを720回行って統計を取ったときの平均 」も「 サイコロを1回振ったときに出た目を記録し、それを720回行って統計を取ったときの平均 」の2倍になっています。

 一方、「 サイコロを2回振ったときに出た目の平均を記録し、それを720回行って統計を取ったときの分散 」は「 サイコロを1回振ったときに出た目を記録し、それを720回行って統計を取ったときの分散 」の 1/2倍 になっています。もちろん「 サイコロを2回振ったときに出た目の平均を記録し、それを720回行って統計を取ったときの平均 」は「 サイコロを1回振ったときに出た目を記録し、それを720回行って統計を取ったときの平均 」と同じです。