49.3 การวัดการกระจาย
คะแนนสองห้องอาจเฉลี่ยเท่ากันแต่ห้องหนึ่งเกาะกลุ่ม อีกห้องต่างกันมาก การวัดการกระจายบอกความต่างที่ค่าเฉลี่ยมองไม่เห็น
ลองดูคะแนนสอบย่อยเต็ม คะแนนของนักเรียนห้าคนจากสองห้อง ห้อง ก ได้ ห้อง ข ได้ ทั้งสองห้องมีค่าเฉลี่ย และมัธยฐาน เท่ากัน ถ้ารายงานแค่ค่ากลาง ครูจะคิดว่าสองห้องเหมือนกัน แต่ห้อง ก ทุกคนได้ใกล้ๆ กัน ส่วนห้อง ข มีทั้งคนที่ได้เกือบเต็มและคนที่ได้น้อยมาก ครูห้อง ข ควรสอนเสริมต่างจากครูห้อง ก หน้านี้หาตัวเลขที่บอกความต่างนี้
ระยะห่างจากค่ากลาง
พิสัยเท่ากับค่าสูงสุดลบต่ำสุด ส่วนพิสัยระหว่างควอร์ไทล์คือ ความแปรปรวนใช้ค่าเฉลี่ยของกำลังสองระยะจากค่าเฉลี่ย ป้องกันเครื่องหมายบวกกับลบหักล้างกัน
พิสัยของห้อง ก คือ ห้อง ข คือ บอกได้ทันทีว่าห้อง ข กระจายกว่า แต่พิสัยใช้แค่สองค่าที่ปลาย ถ้าห้อง ก มีคนเดียวที่ขาดสอบแล้วได้ พิสัยจะกระโดดเป็น ทั้งที่อีกสี่คนยังเกาะกลุ่มเหมือนเดิม เราจึงต้องการตัววัดที่ใช้ข้อมูลทุกตัว
ทำไมต้องยกกำลังสอง
ความคิดแรกคือวัดว่าข้อมูลแต่ละตัวห่างจากค่าเฉลี่ยเท่าไร แล้วเฉลี่ยระยะเหล่านั้น ห้อง ข มีระยะ เป็น แต่รวมกันได้ ตามสมบัติในหน้า 49.2 ทุกชุดข้อมูลจะได้ศูนย์แบบนี้เสมอ เพราะค่าบวกกับค่าลบหักล้างกัน ต้องกำจัดเครื่องหมายลบก่อน ทำได้สองทาง
- ใช้ค่าสัมบูรณ์ ได้ เฉลี่ยได้ เรียกว่าส่วนเบี่ยงเบนเฉลี่ย ความหมายตรงไปตรงมา แต่ค่าสัมบูรณ์จัดรูปทางพีชคณิตยาก ต้องแยกกรณีบวกลบทุกครั้ง
- ยกกำลังสอง ได้ เฉลี่ยได้ เรียกว่าความแปรปรวน
สถิติเลือกทางที่สองด้วยเหตุผลสามข้อ ข้อแรก กำลังสองกระจายวงเล็บได้ จึงมีสูตรลัดและคำนวณจากตารางความถี่ได้สะดวก ข้อสอง ถ้าลองหาค่า ที่ทำให้ น้อยที่สุด จะได้ว่าผลรวมนี้เป็นฟังก์ชันกำลังสองของ ที่มีจุดยอดที่ พอดี ตามวิธีหาจุดยอดในบทที่ 25 ความแปรปรวนจึงคู่กับค่าเฉลี่ยอย่างเป็นธรรมชาติ ข้อสาม กำลังสองให้น้ำหนักกับระยะไกลมากกว่าระยะใกล้ ระยะ มีผลเป็น ส่วนระยะ มีผลแค่ ค่าที่หลุดจากกลุ่มมากจึงถูกนับว่าทำให้ข้อมูลกระจายมาก
ราคาที่ต้องจ่ายคือหน่วยเปลี่ยน คะแนนยกกำลังสองไม่มีความหมายในชีวิตจริง จึงถอดรากที่สองกลับ ได้ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานที่มีหน่วยเดียวกับข้อมูล
ตัวอย่าง 1
หาส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานของคะแนนห้อง ก และห้อง ข โดยมองห้าคนนี้เป็นกลุ่มที่สนใจทั้งหมด แล้วเทียบกัน
- ทั้งสองห้องมีค่าเฉลี่ย เริ่มจากหาระยะจากค่าเฉลี่ย ห้อง ก ได้
- ยกกำลังสองให้เครื่องหมายหายไป ได้ รวม หารห้าได้ความแปรปรวน
- ถอดรากกลับเป็นหน่วยคะแนน ได้ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน คะแนน
- ห้อง ข ได้กำลังสองรวม หารห้าได้ ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน คะแนน
- ห้อง ข กระจายมากกว่าห้อง ก สามเท่าพอดี สังเกตว่าระยะจากค่าเฉลี่ยของห้อง ข เป็นสามเท่าของห้อง ก ทุกตัว ผลนี้ตรงกับสมบัติการคูณข้อมูลด้วยค่าคงที่ข้างล่าง
ประชากรกับตัวอย่างหารต่างกัน
สมบัติ
ประชากรใช้ ส่วนตัวอย่างใช้ เมื่อ ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานคือรากบวกของความแปรปรวน
ทำไมตัวอย่างหาร ค่าเฉลี่ยตัวอย่าง คำนวณจากข้อมูลชุดนั้นเอง จึงอยู่ใกล้ข้อมูลชุดนั้นมากที่สุดตามเหตุผลข้อสองข้างบน ใกล้กว่าค่าเฉลี่ยจริงของประชากรที่เราไม่รู้ ผลรวมกำลังสองจึงมักเล็กกว่าที่ควร การหารด้วยจำนวนที่น้อยลงหนึ่งช่วยชดเชยส่วนนี้ ถ้าโจทย์ให้ข้อมูลของทุกหน่วยที่สนใจ ให้ใช้ ถ้าเป็นข้อมูลที่สุ่มมาเพื่ออ้างถึงกลุ่มใหญ่ ให้ใช้
ความแปรปรวนมีหน่วยยกกำลังสอง ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานมีหน่วยเดิม การบวกค่าคงที่ทุกข้อมูลไม่เปลี่ยนการกระจาย การคูณทุกค่าด้วย ทำให้ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานคูณ และความแปรปรวนคูณ
ตัวอย่าง 2
ข้อมูลประชากร มีความแปรปรวนและส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานเท่าไร
- ค่าเฉลี่ย ผลรวมกำลังสองระยะคือ
- หาร ได้ และ
ตัวอย่าง 3
ถ้าข้อมูลเดียวกันเป็นตัวอย่าง ความแปรปรวนตัวอย่างเท่าไร
- ผลรวมกำลังสองยังเป็น
- แต่หาร ได้ และ
ลองคิดก่อน
นำข้อมูลทุกค่าบวกสิบแล้วส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานต้องเพิ่มสิบด้วยหรือไม่
ดูคำตอบ
ไม่เพิ่ม เพราะค่าเฉลี่ยเพิ่มสิบเช่นกัน ระยะจากค่าเฉลี่ยทุกตัวคงเดิม จึงมีการกระจายเท่าเดิม
เปลี่ยนหน่วยแล้วการกระจายเปลี่ยนอย่างไร
ถ้าเปลี่ยนหน่วยจากเมตรเป็นเซนติเมตร ข้อมูลทุกตัวคูณร้อย ค่าเฉลี่ยและส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานจึงคูณร้อย แต่ความแปรปรวนคูณหมื่น ความต่างเกิดจากกำลังสองในสูตร การเปรียบเทียบส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานดิบข้ามหน่วยจึงไม่มีความหมายจนกว่าจะทำหน่วยให้ตรง
ตัวอย่าง 4
ข้อมูลประชากรมีค่าเฉลี่ย เมตร ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน เมตร เปลี่ยนเป็นเซนติเมตรได้ค่าใด
- ค่าเฉลี่ยเป็น เซนติเมตร และส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานเป็น เซนติเมตร
- ความแปรปรวนเดิม เมตรยกกำลังสอง กลายเป็น เซนติเมตรยกกำลังสอง
- ถ้าเพิ่มความยาวทุกชิ้นอีกหนึ่งเมตร ค่าเฉลี่ยเพิ่มแต่การกระจายคงเดิม
ตรวจวิธีคิด
ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานไม่ติดลบ แม้คูณข้อมูลด้วยค่าคงที่ลบก็ต้องคูณขนาดของตัวคูณ ไม่ให้ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานติดลบตามทิศของการแปลง
ลองคิดก่อน
ห้อง ข มีความแปรปรวน เพื่อนจึงสรุปว่า นักเรียนห้อง ข ได้คะแนนห่างจากค่าเฉลี่ยราว คะแนน ถูกไหม
ดูคำตอบ
ไม่ถูก มีหน่วยเป็นคะแนนยกกำลังสอง เอามาเทียบกับคะแนนตรงๆ ไม่ได้ และในห้อง ข ไม่มีใครห่างจากค่าเฉลี่ยเกิน คะแนนด้วยซ้ำ เพราะคะแนนเต็มแค่ ต้องถอดรากก่อนได้ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานราว คะแนน ค่านี้จึงอ่านเป็นระยะทั่วไปจากค่าเฉลี่ยได้ ความแปรปรวนเหมาะกับการคำนวณ ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานเหมาะกับการแปลผล
ตัวอย่างในหน้านี้ข้อมูลน้อยและค่าเฉลี่ยเป็นจำนวนเต็ม แต่ข้อมูลจริงอย่างเวลาเดินทางของนักเรียน คนในหน้า 49.1 มีแค่ตารางแจกแจงความถี่และค่าเฉลี่ยเป็นทศนิยม หน้า 49.4 จะหาส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานจากตารางแบบนั้น แล้วเทียบการกระจายของข้อมูลที่ต่างหน่วยกัน
สรุป
- พิสัยใช้แค่สองค่าที่ปลาย ความแปรปรวนใช้ข้อมูลทุกตัว
- ยกกำลังสองเพราะระยะจากค่าเฉลี่ยรวมกันเป็นศูนย์ กำลังสองคำนวณสะดวกและคู่กับค่าเฉลี่ย แล้วถอดรากให้หน่วยกลับมาเหมือนเดิม
- เลือกตัวหารตามประชากรหรือตัวอย่าง
- ความแปรปรวนกับส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานมีหน่วยต่างกัน
- บวกค่าคงที่ไม่เปลี่ยนการกระจาย คูณด้วย ทำให้ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานคูณ
- แปลค่าการกระจายคู่กับค่ากลางและรูปร่าง