标准差为什么会有两个公式,我该用哪一个?
两个公式只差分母:除以 n−1 的是样本版,除以 n 的是总体版;默认几乎都该用样本版。
先说结论:绝大多数情况下用除以 n−1 的那一个。原因是你的数据几乎总是「更大总体中的一个样本」——抽检了几个零件、调研了一部分用户、统计了一个月的订单。你想知道的是总体的离散程度,而手上的样本只是估计。除以 n 会系统性地低估,除以 n−1 正是为了补偿这一点。
为什么会有低估?因为算偏差时用的是这一批数据自己的均值。数据被拉向自己算出来的均值,偏差平方和天然偏小。样本量越小,这种偏小越明显。除以 n−1 相当于把被低估的部分还回去,让结果在平均意义上等于总体方差。
同一组数据,两个函数算出的标准差差一点点,很多人以为是精度的差别。其实不是——它们是针对两种不同提问方式的答案:一个是「这批数据的离散程度是多少」,另一个是「它背后的总体离散程度大概是多少」。
数据量越大,两个答案越接近。所以大样本时用哪个都差不多,而出问题最多的是小样本场景:抽样五个、十个,两个数字能差出百分之五到更多。
1差在哪儿:只差一个分母
公式的差别只有一处。
| 版本 | 分母 | 回答的问题 | 什么时候用 |
|---|---|---|---|
| 样本版 | n 减一 | 更大的总体,离散程度大概是多少 | 默认选择,绝大多数的真实数据 |
| 总体版 | n | 手上这一整批数据,离散程度是多少 | 数据确实就是全部,且只关心这一批 |
| 样本版 | n 减一 | 同一批数据的方差估计 | 与小样本配合使用 |
| 总体版 | n | 同一批数据的方差 | 仅描述当前这批数据本身 |
两个函数名里就写着答案:带样本字样的除以 n 减一,带总体字样的除以 n。老版本表格软件里的旧函数名也是这个对应关系,只是名字没那么直白。
2贝塞尔校正在补什么
理解补偿逻辑,就知道什么时候该用哪个。
- 问题出在均值是估的
- 算偏差要先有均值,而这个均值是从同一批数据里算出来的,样本天然更「贴合」自己的均值。
- 于是平方和偏小
- 样本量越小,贴合得越紧,偏差平方和越被低估。
- 除以 n 减一正好还回去
- 以方差为例,分母换成 n 减一之后,它在平均意义上等于总体方差,这就是无偏估计。
- 标准差本身仍略微偏低
- 这一步有个常被忽略的细节:开方是非线性运算,所以即便方差无偏,标准差本身还是会略低一点点。做精度要求很高的估计时要记得这一点。
一个常被引用的判断:当样本量只有十个左右、你却用了总体版本,得到的离散程度大约会偏小百分之五上下;样本越小,偏差越大。
3什么情况才算「总体」
判断标准不是数据多不多,而是它有没有被抽样的成分。
- 是全部,且只关心这一批
- 比如班里三十个学生的成绩,你要描述的只是这个班——这才是总体。
- 想推广到更大的群体
- 同样这三十个成绩,如果你想据此推测全年级水平,那它就是样本。
- 检测场景多半是样本
- 抽检十件产品,你要判断的是产线整体是否稳定,属于典型的样本场景。
- 普查式数据才可能是总体
- 覆盖范围完整、没有遗漏、且分析目的只限于该范围时,才用总体版本。
4和它容易混的几个坑
同一张表里还有别的口径争议。
- 分位数的算法不止一种
- 表格软件和绘图计算器用的分位算法不同,同样的数据会给出不同的四分位数,进而影响异常值判定。
- 口径要写在报告里
- 报告离散程度时,注明用的是哪一版、样本量是多少,别只给一个数字。
- 方差单位是平方
- 比较波动大小时,标准差和原始数据单位一致,方差不是。汇报时用标准差更直观。
- 异常值的影响被低估
- 标准差对极端值很敏感,一个离群点就能把结果拉大很多。这种情况通常先判断该不该剔除,再谈用哪个公式。
顺着这个问题往下用
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为什么我算的和书上不一样?
先检查是不是分母的问题。教科书和多数计算器默认给样本版,而某些表格函数默认给总体版。两者的差别在小样本上很明显,如果你手上只有五到十个数据,差出百分之几很常见。
样本很大时还需要纠结吗?
不太需要。数据量大了之后两个结果会非常接近,用哪个都不影响结论。真正要小心的是小样本,以及需要把离散程度作为精确估计值参与后续计算的场景。
既然样本版是无偏的,是不是永远用它?
只有在你的数据确实是全部总体、而且你只关心这一批时才用总体版。除此之外一律用样本版——包括你以为「数据已经够全了」但实际还有抽样成分的情况。
标准差和标准误是一回事吗?
不是。标准差描述的是数据本身有多分散;标准误描述的是「如果反复抽样,算出来的均值会有多不稳定」。后者随样本量增大而变小,前者不会。写结论时把这两个混用,会得出明显错误的置信判断。
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