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標準差計算機(母體標準差、樣本標準差)

請用逗號(,)分隔,輸入想知道分散程度的數值。會一次算出母體標準差 σ 與樣本標準差 s,以及平均數、變異數與離均差平方和。

請用逗號(,)分隔,輸入 2 個以上的數值(例:10, 12, 23, 23, 16)。也可以輸入小數和負數。
計算結果與圖表
在左側輸入欄用逗號分隔輸入數值,按下「計算」,結果就會顯示在這裡。

這個頁面可以做什麼

  • 只要用逗號(,)分隔輸入數值,馬上就能知道標準差
  • 同時顯示母體標準差 \(\sigma\)(除以 \(N\))與樣本標準差 \(s\)(除以 \(N-1\))
  • 平均數 \(\mu\)、離均差平方和 \(\sum (x_i-\mu)^2\)、變異數 \(\sigma^2,\ s^2\) 也會一起算出來,計算的每個步驟一目瞭然
  • 這個頁面還整理了公式的淺顯解說,以及可直接複製到 Excel、Google 試算表、Python 使用的公式
如果手上的資料就是「想調查的全體」,請用母體標準差 \(\sigma\);如果是「從大群體中抽出的一部分(樣本),想藉此推估背後全體的分散程度」,請用樣本標準差 \(s\)。不確定時,可以把兩者對照著看。至少需要 2 個數值。

這個計算有什麼用?

考試「標準分數」的基礎(學校、考試)

標準分數 z 表示某個分數離平均數有幾個標準差:\(z = \dfrac{x - \text{平均數}}{\text{標準差}}\),標準差就直接放在分母。
假設全班平均 70 分、標準差 10 分,考 85 分的人 \(z = (85 - 70) \div 10 = 1.5\),也就是比平均高 1.5 個標準差。心理測驗等常用的 T 分數(\(T = 50 + 10z\),這個例子是 65)也是同樣的概念。懂得標準差,就能明白為什麼同樣的分數,在大家分數很集中(分散程度小)的考試裡會更突出。

在製造與品質管理中降低變異(工業)

螺絲的長度、零件的重量,不論做得多精密,都會有些微的差異。工廠會用標準差來衡量這種差異,並管理製程,讓「平均數 ± 3 個標準差」落在客戶的規格內。
標準差越小,代表產品越一致、品質越好。標準差是非常基本的指標,甚至可以說,改善品質就是讓標準差越來越小的過程。

衡量投資風險(價格波動的大小)(理財、金融)

兩個投資標的的「平均報酬率」都是 5%,但報酬率標準差較大的那一個,有些年大賺、有些年大賠,會被判斷為風險較高。
在金融領域,報酬率的標準差稱為「波動度」,是最具代表性的風險指標;台灣的基金資料也常列出「年化標準差」。做重要的理財決定時,不要只看平均,也要一起看標準差,也就是分散程度。

比較氣候與地區的「穩定程度」(氣象、資料判讀)

即使兩個城市的年平均氣溫相同,每月氣溫標準差較小的城市一年四季都很溫和,較大的城市則夏天和冬天差很多。
標準差能把只看平均看不出來的「穩定還是變化大」化為數字,也用於比較氣候,以及規劃農作物與觀光。

訂定檢驗值的「參考值範圍」(醫療、健康檢查)

健康檢查的抽血報告上標示的「參考值」範圍,有時是收集許多健康的人的資料,再以平均數與標準差為依據,取「平均數 ± 2 個標準差」左右的範圍來訂定(實際上各檢驗項目會依資料分散的型態採用適合的方法)。
知道標準差的意義之後,就比較能冷靜看待:「稍微超出參考值」不等於「馬上就是生病」,而是「健康的人也有一部分會落在範圍外」。

公式與圖示

平均數
圖示
數學寫法 (一般的數學式)
\(\mu\) \(=\) \((x_1 + x_2 + \cdots + x_N)\) \(\div\) \(N\)
文字寫法 (把符號換成文字的公式)
③ \(\mu\):平均數 \(=\) ① 資料的總和 \(\div\) ② \(N\):資料的個數
用文字讀公式
① 把 資料的總和
② 除以 \(N\):資料的個數 ,
③ 就得到 \(\mu\):平均數
簡單範例
資料 10, 12, 23, 23, 16, 23, 21, 16(8 個)的平均數,是把總和 144 除以 8
\(\mu\):平均數 \(=\) 總和(144) \(\div\) 個數(8 個)
\(144 \div 8 = 18\)
思考重點
標準差衡量的是「每筆資料離平均數有多遠」,所以第一步要先求出平均數。 處理樣本的分散程度時,平均數也稱為樣本平均數,常寫成 \(\bar{x}\)(讀作 x bar),但計算方法完全相同。
離均差平方和
圖示
數學寫法 (一般的數學式)
\(S\) \(=\) \(\displaystyle\sum_{i=1}^{N}\) \((x_i - \mu)\) \(2\)
文字寫法 (把符號換成文字的公式)
④ \(S\):離均差平方和 \(=\) ③ \(\displaystyle\sum\):全部加起來 ① 每筆資料 \(x_i\) 與平均數 \(\mu\) 的差(離均差) ② 平方
用文字讀公式
① 把 每筆資料與平均數的差(離均差)
② 平方 (消去負號,全部變成正數),
③ 再 全部加起來 \(\displaystyle\sum\) ,
④ 就得到 \(S\):離均差平方和
簡單範例
資料為 1, 5(平均數 3)時,離均差是 \(1-3=-2\) 和 \(5-3=2\)。各自平方後加總
\(S\):離均差平方和 \(=\) 離均差(−2) 平方 \(+\) 離均差(2) 平方
\((-2)^2 + (2)^2 = 4 + 4 = 8\)
思考重點
離均差(每筆資料與平均數的差)直接全部相加,結果一定是 0(因為正負會互相抵消)。所以要先平方、全部變成正數再相加,這就是「離均差平方和」,是把分散程度化為數字的基礎。 接下來的母體變異數、樣本變異數、母體標準差、樣本標準差,全都由這個 \(S\) 算出來。母體和樣本唯一的差別,只在於「除以 \(N\) 還是除以 \(N-1\)」。
變異數(母體變異數、樣本變異數)
圖示
數學寫法 (一般的數學式)
\(\sigma^2\) \(=\) \(S\) \(\div\) \(N\)
\(s^2\) \(=\) \(S\) \(\div\) \((N-1)\)
文字寫法 (把符號換成文字的公式)
③ \(\sigma^2\):母體變異數 \(=\) ① \(S\):離均差平方和 \(\div\) ② \(N\):個數
⑥ \(s^2\):樣本變異數 \(=\) ④ \(S\):離均差平方和 \(\div\) ⑤ \((N-1)\):比個數少 1
用文字讀公式
① 把 \(S\):離均差平方和
② 除以 \(N\):個數 ,
③ 就得到 \(\sigma^2\):母體變異數 。
④ 把 同一個離均差平方和 \(S\)
⑤ 除以 \((N-1)\):比個數少 1 ,
⑥ 就得到 \(s^2\):樣本變異數 。
簡單範例
資料為 2, 8(平均數 5,離均差平方和 18)時,母體變異數是把 18 除以個數 2,樣本變異數是把 18 除以 (2 − 1)
\(\sigma^2\):母體變異數 \(=\) 18 \(\div\) 2
\(\sigma^2 = 18 \div 2 = 9\)
\(s^2 = 18 \div (2 - 1) = 18 \div 1 = 18\)
思考重點
變異數表示「分散程度的大小」,但因為資料經過平方,單位也變成平方(分數的話就是「分²」),不容易有實際感受。所以下一步開根號、讓單位恢復原狀,得到的就是標準差。 樣本變異數之所以除以 \(N-1\) 而不是 \(N\),是因為用樣本推估母體的分散程度時,除以 \(N\) 會把分散程度估得稍微偏小。改除以少 1 的數來修正,這稱為貝索校正,\(N-1\) 則稱為自由度。 另外,有些統計教科書把「除以 \(N\)」的結果稱為樣本變異數,把除以 \(N-1\) 的結果另外稱為不偏變異數;台灣高中數學的「一維數據分析」則以除以 \(N\) 的母體公式為主。本頁和 Excel、Python 的函數一樣,把除以 \(N-1\) 的結果(不偏變異數)稱為樣本變異數 \(s^2\)。
標準差(母體標準差、樣本標準差)
圖示
數學寫法 (一般的數學式)
\(\sigma\) \(=\) \(\sqrt{\sigma^2}\)
\(s\) \(=\) \(\sqrt{s^2}\)
文字寫法 (把符號換成文字的公式)
② \(\sigma\):母體標準差 \(=\) ① 母體變異數 \(\sigma^2\) 的平方根
④ \(s\):樣本標準差 \(=\) ③ 樣本變異數 \(s^2\) 的平方根
用文字讀公式
① 取 母體變異數 \(\sigma^2\) 的平方根(平方後等於變異數的數) ,
② 就得到 \(\sigma\):母體標準差 。
③ 取 樣本變異數 \(s^2\) 的平方根 ,
④ 就得到 \(s\):樣本標準差 。
簡單範例
同樣是剛才的資料 2, 8,把母體變異數 9 和樣本變異數 18 開根號
\(\sigma\):母體標準差 \(=\) \(\sqrt{9}\)
\(\sigma = \sqrt{9} = 3\)
\(s = \sqrt{18} \approx 4.243\)
思考重點
標準差是變異數的平方根,所以單位會回到和資料相同(資料是「分」,標準差也是「分」)。因此它很適合用來感受「資料大致離平均數多遠」。 標準差越大,資料越分散;越小,資料越集中在平均數附近。如果所有的值都相同,就完全沒有分散,標準差為 0。
標準差的求法依序是:(1) 求出平均數 →(2) 把每筆資料與平均數的差(離均差)平方後全部相加(離均差平方和)→(3) 除以個數 N(母體)或 N − 1(樣本),得到變異數 →(4) 開根號。母體和樣本的差別,只在於「除以 N 還是除以 N − 1」。

符號與用語解說

符號

\(x_1, x_2, \ldots, x_N\) x 下標 1、x 下標 2、…、x 下標 N 想知道分散程度的每一筆資料。(例:8 個人的考試分數)
\(N\) N 資料的個數。(例:8 個人的資料就是 \(N = 8\))
\(\mu\) mu 平均數。表示母體平均數的希臘字母。樣本平均數寫成 \(\bar{x}\)(讀作 x bar),計算方法相同。
\(x_i - \mu\) x 下標 i 減 mu 離均差。表示每筆資料離平均數有多遠(偏離多少)。
\(S\) S 離均差平方和。把每個離均差平方後全部相加的值 \(\sum (x_i-\mu)^2\),是計算變異數與標準差的材料。
\(\sigma^2\) sigma 平方 母體變異數。把離均差平方和除以個數 \(N\) 的值。
\(\sigma\) sigma 母體標準差。母體變異數的平方根,是表示分散程度最具代表性的符號。
\(s^2\) s 平方 樣本變異數(不偏變異數)。把離均差平方和除以 \(N-1\) 的值。
\(s\) s 樣本標準差。樣本變異數的平方根。
\(\sum\) sigma(連加符號) 表示「全部加起來」的符號。\(\sum_{i=1}^{N} x_i\) 表示從 \(x_1\) 到 \(x_N\) 的總和。

用語

標準差 表示資料在平均數周圍分散程度的值。它是變異數的平方根,單位和資料相同,很適合當作「離平均數的一般距離」的參考,是最具代表性的分散程度指標。
變異數 把離均差(每筆資料與平均數的差)平方後再平均的值。它表示分散程度的大小,但單位變成平方,所以一般會開根號,換成標準差來使用。
離均差 每筆資料與平均數的差(\(x_i - \mu\))。正數表示比平均數大,負數表示比平均數小。直接全部相加會等於 0,所以要先平方再使用。
離均差平方和 把離均差平方後全部相加的值。變異數與標準差都是由這個值算出來的。
母體 想調查的對象全體。如果手上的資料就是這個全體,請用母體標準差 \(\sigma\)。
樣本 從母體(全體)中抽出的一部分資料。要用樣本推估全體的分散程度時,請用樣本標準差 \(s\)。
不偏變異數 用樣本推估母體變異數時使用的變異數,是把離均差平方和除以 \(N-1\)。除以 \(N\) 會把母體的分散程度估得偏小,所以改除以少 1 的數來修正。
貝索校正 計算樣本變異數時,除以 \(N-1\) 而不是 \(N\) 的修正方法。\(N-1\) 也稱為自由度。

建議先了解的基礎知識

為了讓您「真正理解意義」地使用這個頁面的計算,這裡整理了建議事先理解的基礎知識。

平均數(國小高年級、國中七年級)
  • 知道平均數=總和 ÷ 個數
  • 知道平均數代表「資料整體中心的大致位置」
正負數與括號的計算(國中七年級,12~13 歲)
  • 會算像 \(1 - 3 = -2\) 這樣答案是負數的減法
  • 知道負數平方後會變成正數,例如 \((-2)^2 = 4\)
指數(國中七年級,12~13 歲)
  • 理解平方就是「同一個數乘兩次」,例如 \(3^2 = 3 \times 3 = 9\)
平方根(國中八年級,13~14 歲)
  • 理解平方根是「平方後會等於這個數的數」,例如 \(\sqrt{9} = 3\)
  • 知道像 \(\sqrt{18}\) 這樣開不盡的平方根,可以用近似的小數表示
資料的整理與分散程度(國中~高一「一維數據分析」,15~16 歲)
  • 知道即使平均數相同,資料的分散情形也可能不同
  • 理解變異數與標準差是用數字表示「分散程度大小」的指標

用 Excel 計算的方法

把下方表格整個複製,貼到 Excel 的 A1 儲存格就能直接使用。
求「平均數」的表格
第 1 個數 10
第 2 個數 12
第 3 個數 23
第 4 個數 23
第 5 個數 16
第 6 個數 23
第 7 個數 21
第 8 個數 16
個數 N =COUNT(B1:B8)
總和 Σx =SUM(B1:B8)
平均數 μ =AVERAGE(B1:B8)
求「離均差平方和 S」的表格
第 1 個數 10
第 2 個數 12
第 3 個數 23
第 4 個數 23
第 5 個數 16
第 6 個數 23
第 7 個數 21
第 8 個數 16
離均差平方和 S =DEVSQ(B1:B8)
求「母體標準差 σ、母體變異數 σ²」的表格
第 1 個數 10
第 2 個數 12
第 3 個數 23
第 4 個數 23
第 5 個數 16
第 6 個數 23
第 7 個數 21
第 8 個數 16
母體變異數 σ² =VARP(B1:B8)
母體標準差 σ =STDEVP(B1:B8)
求「樣本標準差 s、樣本變異數 s²」的表格
第 1 個數 10
第 2 個數 12
第 3 個數 23
第 4 個數 23
第 5 個數 16
第 6 個數 23
第 7 個數 21
第 8 個數 16
樣本變異數 s² =VAR(B1:B8)
樣本標準差 s =STDEV(B1:B8)
貼上後,B1~B8 就是輸入數值的儲存格,綠色粗體的儲存格會自動算出結果。
第 1 個表格的平均數 μ 會顯示 18。第 3 個表格的母體標準差 σ 約為 4.899,第 4 個表格的樣本標準差 s 約為 5.237。
想改變資料個數時,請先增加(或減少)數值的列數,再把公式中的「B1:B8」改成實際的資料範圍(例如 10 個數就改成 B1:B10)。
有「P」的 STDEVP、VARP 用於母體(除以 N),沒有「P」的 STDEV、VAR 用於樣本(除以 N − 1)。DEVSQ 是一次算出離均差平方和的函數。

用 Google 試算表計算的方法

把下方表格整個複製,貼到 Google 試算表的 A1 儲存格就能直接使用。
求「平均數」的表格
第 1 個數 10
第 2 個數 12
第 3 個數 23
第 4 個數 23
第 5 個數 16
第 6 個數 23
第 7 個數 21
第 8 個數 16
個數 N =COUNT(B1:B8)
總和 Σx =SUM(B1:B8)
平均數 μ =AVERAGE(B1:B8)
求「離均差平方和 S」的表格
第 1 個數 10
第 2 個數 12
第 3 個數 23
第 4 個數 23
第 5 個數 16
第 6 個數 23
第 7 個數 21
第 8 個數 16
離均差平方和 S =DEVSQ(B1:B8)
求「母體標準差 σ、母體變異數 σ²」的表格
第 1 個數 10
第 2 個數 12
第 3 個數 23
第 4 個數 23
第 5 個數 16
第 6 個數 23
第 7 個數 21
第 8 個數 16
母體變異數 σ² =VARP(B1:B8)
母體標準差 σ =STDEVP(B1:B8)
求「樣本標準差 s、樣本變異數 s²」的表格
第 1 個數 10
第 2 個數 12
第 3 個數 23
第 4 個數 23
第 5 個數 16
第 6 個數 23
第 7 個數 21
第 8 個數 16
樣本變異數 s² =VAR(B1:B8)
樣本標準差 s =STDEV(B1:B8)
可以直接使用和 Excel 相同的函數(AVERAGE、DEVSQ、STDEVP、VARP、STDEV、VAR)。把表格整個複製、貼到 A1 儲存格,再把 B1~B8 改成自己的數值即可。
在 Google 試算表中,同樣是母體用 STDEVP、VARP,樣本用 STDEV、VAR。

用 Python 計算的方法

import statistics

numbers = [10, 12, 23, 23, 16, 23, 21, 16]  # 想知道分散程度的數值

mean = statistics.mean(numbers)               # 平均數 μ
pstdev = statistics.pstdev(numbers)           # 母體標準差 σ(除以 N)
pvariance = statistics.pvariance(numbers)     # 母體變異數 σ²
sstdev = statistics.stdev(numbers)            # 樣本標準差 s(除以 N-1)
svariance = statistics.variance(numbers)      # 樣本變異數 s²

print(f"個數:{len(numbers)} / 總和:{sum(numbers)} / 平均數:{mean}")
print(f"母體變異數 σ²:{pvariance} / 母體標準差 σ:{pstdev}")
print(f"樣本變異數 s²:{svariance} / 樣本標準差 s:{sstdev}")
只用標準函式庫(statistics 模組)就能執行。把開頭的 numbers 串列改成自己的數值後執行即可。開頭有「p」的 pstdev、pvariance 用於母體(除以 N),沒有「p」的 stdev、variance 用於樣本(除以 N − 1)。

用 LaTeX 等數學式語言的寫法(可直接複製)

平均數
μ = Σxᵢ ÷ N
\mu = \frac{x_1 + x_2 + \cdots + x_N}{N}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
  <mrow>
    <mi>&#x03BC;</mi>
    <mo>=</mo>
    <mfrac>
      <mrow>
        <msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub>
        <mo>+</mo>
        <msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub>
        <mo>+</mo>
        <mo>&#x22EF;</mo>
        <mo>+</mo>
        <msub><mi>x</mi><mi>N</mi></msub>
      </mrow>
      <mi>N</mi>
    </mfrac>
  </mrow>
</math>
mu = (x_1 + x_2 + cdots + x_N) / N
Mean[data]
mu := add(x[i], i = 1 .. N)/N;
mu = mean(x);
μ = (x_1 + x_2 + ⋯ + x_N)/N
離均差平方和
S = Σ(xᵢ − μ)²
S = \sum_{i=1}^{N} (x_i - \mu)^2
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
  <mrow>
    <mi>S</mi>
    <mo>=</mo>
    <munderover>
      <mo>&#x2211;</mo>
      <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow>
      <mi>N</mi>
    </munderover>
    <msup>
      <mrow><mo>(</mo><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><mo>&#x2212;</mo><mi>&#x03BC;</mi><mo>)</mo></mrow>
      <mn>2</mn>
    </msup>
  </mrow>
</math>
S = sum_(i=1)^N (x_i - mu)^2
Total[(data - Mean[data])^2]
S := add((x[i] - mu)^2, i = 1 .. N);
S = sum((x - mean(x)).^2);
S = ∑_(i=1)^N (x_i − μ)^2
變異數(母體變異數、樣本變異數)
σ² = S ÷ N / s² = S ÷ (N − 1)
\sigma^2 = \frac{S}{N}, \qquad s^2 = \frac{S}{N-1}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
  <mrow>
    <msup><mi>&#x03C3;</mi><mn>2</mn></msup>
    <mo>=</mo>
    <mfrac><mi>S</mi><mi>N</mi></mfrac>
    <mo>,</mo>
    <mspace width="1em"/>
    <msup><mi>s</mi><mn>2</mn></msup>
    <mo>=</mo>
    <mfrac><mi>S</mi><mrow><mi>N</mi><mo>&#x2212;</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac>
  </mrow>
</math>
sigma^2 = S/N, s^2 = S/(N-1)
popVar = S/n; sampleVar = Variance[data]  (* N 是 Mathematica 的內建函數(數值化),所以資料個數用 n 表示 *)
sigma2 := S/N; s2 := S/(N - 1);
popVar = S/N; sampleVar = var(x);
σ^2 = S/N,  s^2 = S/(N−1)
標準差(母體標準差、樣本標準差)
σ = √(σ²) / s = √(s²)
\sigma = \sqrt{\sigma^2} = \sqrt{\dfrac{S}{N}}, \qquad s = \sqrt{s^2} = \sqrt{\dfrac{S}{N-1}}
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
  <mrow>
    <mi>&#x03C3;</mi>
    <mo>=</mo>
    <msqrt><mfrac><mi>S</mi><mi>N</mi></mfrac></msqrt>
    <mo>,</mo>
    <mspace width="1em"/>
    <mi>s</mi>
    <mo>=</mo>
    <msqrt><mfrac><mi>S</mi><mrow><mi>N</mi><mo>&#x2212;</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac></msqrt>
  </mrow>
</math>
sigma = sqrt(S/N), s = sqrt(S/(N-1))
popSD = Sqrt[S/n]; sampleSD = StandardDeviation[data]  (* N 是 Mathematica 的內建函數(數值化),所以資料個數用 n 表示 *)
sigma := sqrt(S/N); s := sqrt(S/(N - 1));
popSD = sqrt(S/numel(x)); sampleSD = std(x);
σ = √(S/N),  s = √(S/(N−1))

請 ChatGPT  幫忙計算的方法

你是統計計算的助理。請務必實際執行 Python 程式碼來進行下列計算,並只以執行結果的數值作為回答的依據(請不要用心算或猜測回答)。

請針對下列資料,分別求出以下各值。
資料:10, 12, 23, 23, 16, 23, 21, 16
1. 個數、總和、平均數
2. 離均差平方和(每筆資料與平均數的差平方後全部相加的值)
3. 母體變異數 σ²(除以 N)與母體標準差 σ
4. 樣本變異數 s²(除以 N − 1)與樣本標準差 s

請列出計算時使用的公式,以及執行結果的數值。

使用方法
  1. 1
    輸入數值
    在輸入欄中輸入要計算的數值
  2. 2
    計算
    按下「計算」按鈕
  3. 3
    查看結果
    計算結果會立即顯示。計算的思路和公式的解說,也都能在同一個頁面查看
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