为什么样本方差（sample variance）的分母是 n-1？

最新推荐文章于 2024-08-31 21:00:44 发布

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本文深入解析了样本方差计算公式中分母选择的直觉与数学依据，解释了为何使用n-1而非n以确保方差估计的无偏性，并通过数学证明与直观解释揭示了这一选择背后的逻辑。

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样本方差计算公式里分母为 n-1

的目的是为了让方差的估计是无偏的。无偏的估计(unbiased estimator)比有偏估计(biased estimator)更好是符合直觉的，尽管有的统计学家认为让mean square error即MSE最小才更有意义，这个问题我们不在这里探讨；不符合直觉的是，为什么分母必须得是 n-1

而不是

才能使得该估计无偏。我相信这是题主真正困惑的地方。

要回答这个问题，偷懒的办法是让困惑的题主去看下面这个等式的数学证明：
$\mathbb{E}\Big[\frac{1}{n-1} \sum_{i=1}^n\Big(X_i -\bar{X}\Big)^2 \Big]=\sigma^2$ .
但是这个答案显然不够直观（教材里面统计学家像变魔法似的不知怎么就得到了上面这个等式）。
下面我将提供一个略微更友善一点的解释。
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===================== 答案的分割线 ===================================
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首先，我们假定随机变量

的数学期望 $\mu$ 是已知的，然而方差 $\sigma^2$ 未知。在这个条件下，根据方差的定义我们有
$\mathbb{E}\Big[\big(X_i -\mu\big)^2 \Big]=\sigma^2, \quad\forall i=1,\ldots,n,$

由此可得
$\mathbb{E}\Big[\frac{1}{n} \sum_{i=1}^n\Big(X_i -\mu\Big)^2 \Big]=\sigma^2$ .

因此 $\frac{1}{n} \sum_{i=1}^n\Big(X_i -\mu\Big)^2$ 是方差 $\sigma^2$ 的一个无偏估计，注意式中的分母不偏不倚正好是

！
这个结果符合直觉，并且在数学上也是显而易见的。

现在，我们考虑随机变量

的数学期望 $\mu$ 是未知的情形。这时，我们会倾向于无脑直接用样本均值 $\bar{X}$ 替换掉上面式子中的 $\mu$ 。这样做有什么后果呢？后果就是，
如果直接使用 $\frac{1}{n} \sum_{i=1}^n\Big(X_i -\bar{X}\Big)^2$ 作为估计，那么你会倾向于低估方差！
这是因为：
$\begin{eqnarray}\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n(X_i-\bar{X})^2 &=&\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n\Big[(X_i-\mu) + (\mu -\bar{X}) \Big]^2\\&=&\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n(X_i-\mu)^2 +\frac{2}{n}\sum_{i=1}^n(X_i-\mu)(\mu -\bar{X})+\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n(\mu -\bar{X})^2 \\&=&\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n(X_i-\mu)^2 +2(\bar{X}-\mu)(\mu -\bar{X})+(\mu -\bar{X})^2 \\&=&\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n(X_i-\mu)^2 -(\mu -\bar{X})^2 \end{eqnarray}$
换言之，除非正好 $\bar{X}=\mu$ ，否则我们一定有
$\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n(X_i-\bar{X})^2 <\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n(X_i-\mu)^2$ ,
而不等式右边的那位才是的对方差的“正确”估计！
这个不等式说明了，为什么直接使用 $\frac{1}{n} \sum_{i=1}^n\Big(X_i -\bar{X}\Big)^2$ 会导致对方差的低估。

那么，在不知道随机变量真实数学期望的前提下，如何“正确”的估计方差呢？答案是把上式中的分母

换成

，通过这种方法把原来的偏小的估计“放大”一点点，我们就能获得对方差的正确估计了：
$\mathbb{E}\Big[\frac{1}{n-1} \sum_{i=1}^n\Big(X_i -\bar{X}\Big)^2\Big]=\mathbb{E}\Big[\frac{1}{n} \sum_{i=1}^n\Big(X_i -\mu\Big)^2 \Big]=\sigma^2.$

至于为什么分母是 n-1 而不是 n-2 或者别的什么数，最好还是去看真正的数学证明，因为数学证明的根本目的就是告诉人们“为什么”；暂时我没有办法给出更“初等”的解释了。