Die Varianz

Der Erwartungswert $E(X)$ sagt wenig über die Verteilung der Ereignisse aus.
Die Noten in einer Klasse mit 10 SuS,
mit einem Schnitt 7 Punkte
kann wie folgt aufgeteilt sein:
  • $10\times 7$ Punkte
  • $5\times 0$ und $5\times 14 \ra \frac{5\cdot 14+5\cdot 0}{10} = 7$
  • $4\times 15$;  $1\times 10$ und $5\times 0\ra \frac{4\cdot 15+10+5\cdot 0}{10}=7$
Ein Maß für die Ungleichheit der Verteilung ist die Varianz.
Dies ist der quadratische Abstand von jedem Wert der Zufallsvariable zum
Erwartungswert als gewichtete Summe.
$\begin{aligned} \sigma^2(X) &= (E(X)\!-\!x_0)^2\cdot P(X\!=\!x_0)\! +\! (E(X)\!-\!x_1)^2\cdot P(X\!=\!x_1)\! +\! \cdots\! +\! (E(X)\!-\!x_n)^2\cdot P(X\!=\!x_n) \\ &=\sum\limits_{i=0}^n (E(X)-x_i)^2\cdot P(X=x_i) \end{aligned} $
Das Quadrat sorgt dafür, dass Abweichungen in die eine Richtung sich nicht durch Abweichungen in die andere Richtung aufheben.
Größere Abweichungen fallen stärker ins Gewicht und Abweichungen $\lt 1$ weniger stark.
Die Standardabweichung $\sigma=\sqrt{\sigma^2\;}$ ist die Wurzel aus der Varianz.
Beispiel für Varianzen:
  • $10\times 7$ Punkte
    $\ra (E(X)-7)^2\cdot P(X=7) = 0\cdot 1=0$
    $\sigma = 0$
  • $5\times 0$ und $5\times 14 \ra \frac{5\cdot 14+5\cdot 0}{10} = 7$
    $\begin{array}[t]{rl} \ra \sigma^2=&(E(X)-0)^2\cdot P(X=0)+(E(X)-14)^2\cdot P(X=14) \\ =& (7-0)^2\cdot\frac12 + (7-14)^2\cdot\frac12 \\ =&49/2+49/2 \\ =&49 \\ \end{array} $
    $\sigma = 7$
  • $4\times 15$, $1\times 10$ und $5\times 0$
    $\begin{array}[t]{rl} \ra \sigma^2=&(E(\!X\!)\!-\!0)^2\cdot P(X\!=\!0) + (E(\!X\!)\!-\!10)^2\cdot P(X\!=\!1) + (E(\!X\!)\!-\!15)^2\cdot P(X\!=\!15) \\ =& (7-0)^2\cdot\frac{4}{10} + (7-10)^2\cdot\frac{1}{10} + (7-15)^2\cdot\frac{5}{10} \\[2mm] =&\frac{49\cdot 4}{10} + \frac{9\cdot 1}{10} + \frac{64\cdot 5}{10} \\ =&52{,}5 \\ \end{array} $
    $\sigma = 7{,}25$
  • maximale Varianz bei Noten: Die Hälfte hat 15 und die andere Hälfte 0 Punkte.
    Der Schnitt ist 7,5 Punkte die Varianz ist
    $\sqrt{\frac12(7{,}5-15)^2 + \frac12(7{,}5-0)^2\;} = \sqrt{(7{,}5)^2\;} =7{,}5$