Чтобы
судить о том, насколько точно проведенные
измерения отражают состав генеральной
совокупности, необходимо вычислить
стандартную ошибку средней арифметической
выборочной совокупности.
Стандартная
ошибка средней арифметической
характеризует степень отклонения
выборочной средней арифметической от
средней арифметической генеральной
совокупности.
Стандартная
ошибка средней арифметической вычисляется
по формуле:
,
где
– стандартное отклонение результатов
измерений, n
– объем выборки.
Зачастую
мы имеем дело с одной случайной выборкой
и с одной полученной при ее обработке
выборочной средней. Задача заключается
в суждении о величине неизвестной
генеральной средней по полученной
неточной величине случайной выборочной
средней.
Вычислим
среднюю ошибку найденного выборочного
среднего значения роста:
195
см; σ = 8,8 см;
см.
2,8 см
составляют не максимальную, а среднюю
возможную ошибку среднего. Отдельные
выборочные средние могут отклоняться
от генеральной как больше, так и меньше,
чем на 2,8 см.
Каковы
же пределы возможных ошибок случайной
выборки, какова ее максимальная ошибка?
Величина максимальной ошибки зависит
от величины средней ошибки и вычисляется
по формуле
.
При
объеме выборки n
= 10:
.
Все
случайные выборочные средние, которые
могут быть получены в подобных опытах
(в том числе и фактически полученная
выборочная средняя
= 195 см), при своем варьировании около
неизвестного генерального среднего в
подавляющем количестве группируются
около него так, что лишь ничтожный
процент их отклоняется от генеральной
средней более, чем на величину максимальной
ошибки.
Другими
словами, генеральная средняя определяется
как
.
Эти пределы
колебаний значительно сужаются, если
средняя ошибка уменьшается благодаря
увеличению численности выборки.
Искомая
генеральная средняя лежит между
и
.
Таким образом, при высокой точности
выполнения эксперимента и достаточно
большом числе измерений можно определить
среднюю арифметическую бесконечно
большого числа экспериментов.
До сих
пор мы определяли максимальную ошибку
выборочной средней, исходя из того, что
все остальные показатели известны. Если
же мы хотим достичь определенной
точности, определенного приближения к
генеральной средней, в этом случае
встает вопрос о численности выборки (о
том, сколько измерений, опытов необходимо
провести).
Допустим, что
максимальная ошибка должна быть равна
5 см. Сколько человек надо обследовать
(измерить) в нашем случае?
.
Следовательно,
мы должны провести измерения роста у
36 баскетболистов высокого класса.
10. Достоверность различий
Следующим
важным вопросом практически для каждого
экспериментатора является умение
доказать достоверность различий между
двумя рядами признаков.
Проверку
достоверности различия двух рядов
измерений производят путем вычисления
критерия достоверности различия – t:
,
где
– средняя одной выборки;
– средняя другой выборки;
– средняя ошибка первой выборки;
– второй выборки. Если t < 2, то различие
между двумя выборками считается
недостоверным, если t
2, то различие между двумя выборками
достоверно на 95%.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Standard Error of the Mean vs. Standard Deviation: An Overview
Standard deviation (SD) measures the amount of variability, or dispersion, from the individual data values to the mean. SD is a frequently-cited statistic in many applications from math and statistics to finance and investing.
Standard error of the mean (SEM) measures how far the sample mean (average) of the data is likely to be from the true population mean. The SEM is always smaller than the SD.
Standard deviation and standard error are both used in statistical studies, including those in finance, medicine, biology, engineering, and psychology. In these studies, the SD and the estimated SEM are used to present the characteristics of sample data and explain statistical analysis results.
However, even some researchers occasionally confuse the SD and the SEM. Such researchers should remember that the calculations for SD and SEM include different statistical inferences, each of them with its own meaning. SD is the dispersion of individual data values. In other words, SD indicates how accurately the mean represents sample data.
However, the meaning of SEM includes statistical inference based on the sampling distribution. SEM is the SD of the theoretical distribution of the sample means (the sampling distribution).
Key Takeaways
- Standard deviation (SD) measures the dispersion of a dataset relative to its mean.
- SD is used frequently in statistics, and in finance is often used as a proxy for the volatility or riskiness of an investment.
- The standard error of the mean (SEM) measures how much discrepancy is likely in a sample’s mean compared with the population mean.
- The SEM takes the SD and divides it by the square root of the sample size.
- The SEM will always be smaller than the SD.
Standard error estimates the likely accuracy of a number based on the sample size.
Standard error of the mean, or SEM, indicates the size of the likely discrepancy compared to that of the larger population.
Calculating SD and SEM
standard deviation
σ
=
∑
i
=
1
n
(
x
i
−
x
ˉ
)
2
n
−
1
variance
=
σ
2
standard error
(
σ
x
ˉ
)
=
σ
n
where:
x
ˉ
=
the sample’s mean
n
=
the sample size
\begin{aligned} &\text{standard deviation } \sigma = \sqrt{ \frac{ \sum_{i=1}^n{\left(x_i — \bar{x}\right)^2} }{n-1} } \\ &\text{variance} = {\sigma ^2 } \\ &\text{standard error }\left( \sigma_{\bar x} \right) = \frac{{\sigma }}{\sqrt{n}} \\ &\textbf{where:}\\ &\bar{x}=\text{the sample’s mean}\\ &n=\text{the sample size}\\ \end{aligned}
standard deviation σ=n−1∑i=1n(xi−xˉ)2variance=σ2standard error (σxˉ)=nσwhere:xˉ=the sample’s meann=the sample size
Standard Deviation
The formula for the SD requires a few steps:
- First, take the square of the difference between each data point and the sample mean, finding the sum of those values.
- Next, divide that sum by the sample size minus one, which is the variance.
- Finally, take the square root of the variance to get the SD.
Standard Error of the Mean
SEM is calculated simply by taking the standard deviation and dividing it by the square root of the sample size.
Standard error gives the accuracy of a sample mean by measuring the sample-to-sample variability of the sample means. The SEM describes how precise the mean of the sample is as an estimate of the true mean of the population.
As the size of the sample data grows larger, the SEM decreases vs. the SD. As the sample size increases, the sample mean estimates the true mean of the population with greater precision.
Increasing the sample size does not make the SD necessarily larger or smaller; it just becomes a more accurate estimate of the population SD.
A sampling distribution is a probability distribution of a sample statistic taken from a greater population. Researchers typically use sample data to estimate the population data, and the sampling distribution explains how the sample mean will vary from sample to sample. The standard error of the mean is the standard deviation of the sampling distribution of the mean.
Standard Error and Standard Deviation in Finance
In finance, the SEM daily return of an asset measures the accuracy of the sample mean as an estimate of the long-run (persistent) mean daily return of the asset.
On the other hand, the SD of the return measures deviations of individual returns from the mean. Thus, SD is a measure of volatility and can be used as a risk measure for an investment.
Assets with greater day-to-day price movements have a higher SD than assets with lesser day-to-day movements. Assuming a normal distribution, around 68% of daily price changes are within one SD of the mean, with around 95% of daily price changes within two SDs of the mean.
How Are Standard Deviation and Standard Error of the Mean Different?
Standard deviation measures the variability from specific data points to the mean. Standard error of the mean measures the precision of the sample mean to the population mean that it is meant to estimate.
Is the Standard Error Equal to the Standard Deviation?
No, the standard deviation (SD) will always be larger than the standard error (SE). This is because the standard error divides the standard deviation by the square root of the sample size.
If the sample size is one, they will be the same, but a sample size of one is rarely useful.
How Can You Compute the SE From the SD?
If you have the standard error (SE) and want to compute the standard deviation (SD) from it, simply multiply it by the square root of the sample size.
Why Do We Use Standard Error Instead of Standard Deviation?
What Is the Empirical Rule, and How Does It Relate to Standard Deviation?
A normal distribution is also known as a standard bell curve, since it looks like a bell in graph form. According to the empirical rule, or the 68-95-99.7 rule, 68% of all data observed under a normal distribution will fall within one standard deviation of the mean. Similarly, 95% falls within two standard deviations and 99.7% within three.
The Bottom Line
Investors and analysts measure standard deviation as a way to estimate the potential volatility of a stock or other investment. It helps determine the level of risk to the investor that is involved. When reading an analyst’s report, the level of riskiness of an investment may be labeled «standard deviation.»
Standard error of the mean is an indication of the likely accuracy of a number. The larger the sample size, the more accurate the number should be.
Среднее арифметическое, как известно, используется для получения обобщающей характеристики некоторого набора данных. Если данные более-менее однородны и в них нет аномальных наблюдений (выбросов), то среднее хорошо обобщает данные, сведя к минимуму влияние случайных факторов (они взаимопогашаются при сложении).
Когда анализируемые данные представляют собой выборку (которая состоит из случайных значений), то среднее арифметическое часто (но не всегда) выступает в роли приближенной оценки математического ожидания. Почему приближенной? Потому что среднее арифметическое – это величина, которая зависит от набора случайных чисел, и, следовательно, сама является случайной величиной. При повторных экспериментах (даже в одних и тех же условиях) средние будут отличаться друг от друга.
Для того, чтобы на основе статистического анализа данных делать корректные выводы, необходимо оценить возможный разброс полученного результата. Для этого рассчитываются различные показатели вариации. Но то исходные данные. И как мы только что установили, среднее арифметическое также обладает разбросом, который необходимо оценить и учитывать в дальнейшем (в выводах, в выборе метода анализа и т.д.).
Интуитивно понятно, что разброс средней должен быть как-то связан с разбросом исходных данных. Основной характеристикой разброса средней выступает та же дисперсия.
Дисперсия выборочных данных – это средний квадрат отклонения от средней, и рассчитать ее по исходным данным не составляет труда, например, в Excel предусмотрены специальные функции. Однако, как же рассчитать дисперсию средней, если в распоряжении есть только одна выборка и одно среднее арифметическое?
Расчет дисперсии и стандартной ошибки средней арифметической
Чтобы получить дисперсию средней арифметической нет необходимости проводить множество экспериментов, достаточно иметь только одну выборку. Это легко доказать. Для начала вспомним, что средняя арифметическая (простая) рассчитывается по формуле:
где xi – значения переменной,
n – количество значений.
Теперь учтем два свойства дисперсии, согласно которым, 1) — постоянный множитель можно вынести за знак дисперсии, возведя его в квадрат и 2) — дисперсия суммы независимых случайных величин равняется сумме соответствующих дисперсий. Предполагается, что каждое случайное значение xi обладает одинаковым разбросом, поэтому несложно вывести формулу дисперсии средней арифметической:
Используя более привычные обозначения, формулу записывают как:
где σ2 – это дисперсия, случайной величины, причем генеральная.
На практике же, генеральная дисперсия известна далеко не всегда, точнее совсем редко, поэтому в качестве оной используют выборочную дисперсию:
Стандартное отклонение средней арифметической называется стандартной ошибкой средней и рассчитывается, как квадратный корень из дисперсии.
Формула стандартной ошибки средней при использовании генеральной дисперсии
Формула стандартной ошибки средней при использовании выборочной дисперсии
Последняя формула на практике используется чаще всего, т.к. генеральная дисперсия обычно не известна. Чтобы не вводить новые обозначения, стандартную ошибку средней обычно записывают в виде соотношения стандартного отклонения выборки и корня объема выборки.
Назначение и свойство стандартной ошибки средней арифметической
Стандартная ошибка средней много, где используется. И очень полезно понимать ее свойства. Посмотрим еще раз на формулу стандартной ошибки средней:
Числитель – это стандартное отклонение выборки и здесь все понятно. Чем больше разброс данных, тем больше стандартная ошибка средней – прямо пропорциональная зависимость.
Посмотрим на знаменатель. Здесь находится квадратный корень из объема выборки. Соответственно, чем больше объем выборки, тем меньше стандартная ошибка средней. Для наглядности изобразим на одной диаграмме график нормально распределенной переменной со средней равной 10, сигмой – 3, и второй график – распределение средней арифметической этой же переменной, полученной по 16-ти наблюдениям (которое также будет нормальным).
Судя по формуле, разброс стандартной ошибки средней должен быть в 4 раза (корень из 16) меньше, чем разброс исходных данных, что и видно на рисунке выше. Чем больше наблюдений, тем меньше разброс средней.
Казалось бы, что для получения наиболее точной средней достаточно использовать максимально большую выборку и тогда стандартная ошибка средней будет стремиться к нулю, а сама средняя, соответственно, к математическому ожиданию. Однако квадратный корень объема выборки в знаменателе говорит о том, что связь между точностью выборочной средней и размером выборки не является линейной. Например, увеличение выборки с 20-ти до 50-ти наблюдений, то есть на 30 значений или в 2,5 раза, уменьшает стандартную ошибку средней только на 36%, а со 100-а до 130-ти наблюдений (на те же 30 значений), снижает разброс данных лишь на 12%.
Лучше всего изобразить эту мысль в виде графика зависимости стандартной ошибки средней от размера выборки. Пусть стандартное отклонение равно 10 (на форму графика это не влияет).
Видно, что примерно после 50-ти значений, уменьшение стандартной ошибки средней резко замедляется, после 100-а – наклон постепенно становится почти нулевым.
Таким образом, при достижении некоторого размера выборки ее дальнейшее увеличение уже почти не сказывается на точности средней. Этот факт имеет далеко идущие последствия. Например, при проведении выборочного обследования населения (опроса) чрезмерное увеличение выборки ведет к неоправданным затратам, т.к. точность почти не меняется. Именно поэтому количество опрошенных редко превышает 1,5 тысячи человек. Точность при таком размере выборки часто является достаточной, а дальнейшее увеличение выборки – нецелесообразным.
Подведем итог. Расчет дисперсии и стандартной ошибки средней имеет довольно простую формулу и обладает полезным свойством, связанным с тем, что относительно хорошая точность средней достигается уже при 100 наблюдениях (в этом случае стандартная ошибка средней становится в 10 раз меньше, чем стандартное отклонение выборки). Больше, конечно, лучше, но бесконечно увеличивать объем выборки не имеет практического смысла. Хотя, все зависит от поставленных задач и цены ошибки. В некоторых опросах участие принимают десятки тысяч людей.
Дисперсия и стандартная ошибка средней имеют большое практическое значение. Они используются в проверке гипотез и расчете доверительных интервалов.
Поделиться в социальных сетях:
Представление результатов исследования
В научных публикациях важно представление результатов исследования. Очень часто окончательный результат приводится в следующем виде: M±m, где M – среднее арифметическое, m –ошибка среднего арифметического. Например, 163,7±0,9 см.
Прежде чем разбираться в правилах представления результатов исследования, давайте точно усвоим, что же такое ошибка среднего арифметического.
Ошибка среднего арифметического
Среднее арифметическое, вычисленное на основе выборочных данных (выборочное среднее), как правило, не совпадает с генеральным средним (средним арифметическим генеральной совокупности). Экспериментально проверить это утверждение невозможно, потому что нам неизвестно генеральное среднее. Но если из одной и той же генеральной совокупности брать повторные выборки и вычислять среднее арифметическое, то окажется, что для разных выборок среднее арифметическое будет разным.
Чтобы оценить, насколько выборочное среднее арифметическое отличается от генерального среднего, вычисляется ошибка среднего арифметического или ошибка репрезентативности.
Ошибка среднего арифметического обозначается как m или 
Ошибка среднего арифметического рассчитывается по формуле:
где: S — стандартное отклонение, n – объем выборки; Например, если стандартное отклонение равно S=5 см, объем выборки n=36 человек, то ошибка среднего арифметического равна: m=5/6 = 0,833.
Ошибка среднего арифметического показывает, какая ошибка в среднем допускается, если использовать вместо генерального среднего выборочное среднее.
Так как при небольшом объеме выборки истинное значение генерального среднего не может быть определено сколь угодно точно, поэтому при вычислении выборочного среднего арифметического нет смысла оставлять большое число значащих цифр.
Правила записи результатов исследования
- В записи ошибки среднего арифметического оставляем две значащие цифры, если первые цифры в ошибке «1» или «2».
- В остальных случаях в записи ошибки среднего арифметического оставляем одну значащую цифру.
- В записи среднего арифметического положение последней значащей цифры должно соответствовать положению первой значащей цифры в записи ошибки среднего арифметического.
Представление результатов научных исследований
В своей статье «Осторожно, статистика!», опубликованной в 1989 году В.М. Зациорский указал, какие числовые характеристики должны быть представлены в публикации, чтобы она имела научную ценность. Он писал, что исследователь «…должен назвать: 1) среднюю величину (или другой так называемый показатель положения); 2) среднее квадратическое отклонение (или другой показатель рассеяния) и 3) число испытуемых. Без них его публикация научной ценности иметь не будет “с. 52
В научных публикациях в области физической культуры и спорта очень часто окончательный результат приводится в виде: (М±m) (табл.1).
Таблица 1 — Изменение механических свойств латеральной широкой мышцы бедра под воздействием физической нагрузки (n=34)
| Эффективный модуль
упругости (Е), кПа |
Эффективный модуль
вязкости (V), Па с |
|||
| Этап
эксперимента |
Рассл. | Напряж. | Рассл. | Напряж. |
| До ФН | 7,0±0,3 | 17,1±1,4 | 29,7±1,7 | 46±4 |
| После ФН | 7,7±0,3 | 18,7±1,4 | 30,9±2,0 | 53±6 |
Литература
- Высшая математика и математическая статистика: учебное пособие для вузов / Под общ. ред. Г. И. Попова. – М. Физическая культура, 2007.– 368 с.
- Гласс Дж., Стэнли Дж. Статистические методы в педагогике и психологии. М.: Прогресс. 1976.- 495 с.
- Зациорский В.М. Осторожно — статистика! // Теория и практика физической культуры, 1989.- №2.
- Катранов А.Г. Компьютерная обработка данных экспериментальных исследований: Учебное пособие/ А. Г. Катранов, А. В. Самсонова; СПб ГУФК им. П.Ф. Лесгафта. – СПб.: изд-во СПб ГУФК им. П.Ф. Лесгафта, 2005. – 131 с.
- Основы математической статистики: Учебное пособие для ин-тов физ. культ / Под ред. В.С. Иванова.– М.: Физкультура и спорт, 1990. 176 с.
О калькулятор стандартных ошибок (Высокая точность)
Калькулятор стандартной ошибки используется для расчета стандартной ошибки среднего значения набора чисел (Шаг за шагом).
стандартная ошибка среднего
Стандартная ошибка среднего — это стандартное отклонение выборочной средней оценки среднего значения генеральной совокупности. Обычно он рассчитывается путем деления стандартного отклонения оценки выборки (стандартное отклонение выборки) на квадратный корень из размера выборки (при условии статистической независимости медианных значений выборки):
в:
SEM = стандартная ошибка среднего
s = стандартное отклонение выборки (см. формулу ниже)
n = размер выборки (количество наблюдений)
СледующееСтандартное отклонение выборкиформула:
в:
s = стандартное отклонение выборки
x 1 ，…，x N= образец набора данных
x̄ = среднее значение выборочного набора данных
N = размер выборочного набора данных