Đến nội dung chính
Gia Sư SVGia Sư SVTận tâm · Minh bạch · Đồng hành

Bài 2: Phương sai và độ lệch chuẩn

TOÁN 12 · CHƯƠNG 3 · THỐNG KÊ

Bài 2: Phương sai và độ lệch chuẩn

Tính trung bình có trọng số, phương sai và độ lệch chuẩn; hiểu vì sao cùng trung bình vẫn có thể khác độ đồng đều.

6 ví dụ có lời giải5 câu tự kiểm traKhông cần đăng nhập
Cùng trung bình 25 phút, độ lệch chuẩn khác nhauHai mẫu ghép nhóm cùng trung điểm 5,15,25,35,45. Mẫu A có tần số 0,2,12,2,0; mẫu B có tần số 4,2,4,2,4. Phương sai lần lượt 25 và 225 phút vuông.Cùng trung bình. Khác độ phân tán.Mẫu As = 5 phút052151225235045Mẫu Bs = 15 phút45215425235445x̄ = 25Trung điểm (phút)
Nhìn hình để hiểu trước khi áp dụng công thức.

1. Từ giá trị đại diện đến độ phân tán

Phương sai và độ lệch chuẩn của mẫu số liệu ghép nhóm đo mức độ phân tán quanh số trung bình. Để tính, ta dùng trung điểm của mỗi nhóm và tần số của nhóm làm trọng số.

Hai nhóm học sinh có thể cùng thời gian tự học trung bình 25 phút nhưng mức chênh lệch giữa các bạn rất khác nhau. Độ lệch chuẩn giúp nhìn rõ sự khác biệt đó.

Cùng trung bình 25 phút, độ lệch chuẩn khác nhauHai mẫu ghép nhóm cùng trung điểm 5,15,25,35,45. Mẫu A có tần số 0,2,12,2,0; mẫu B có tần số 4,2,4,2,4. Phương sai lần lượt 25 và 225 phút vuông.Cùng trung bình. Khác độ phân tán.Mẫu As = 5 phút052151225235045Mẫu Bs = 15 phút45215425235445x̄ = 25Trung điểm (phút)
Hai bảng dùng cùng nhóm [0; 10), …, [40; 50), cùng n = 16 và x̄ = 25 phút. Mỗi cột đặt tại trung điểm nhóm; số trên cột là tần số.

Với nhóm [aᵢ; bᵢ), giá trị đại diện là trung điểm cᵢ. Gọi nᵢ là tần số và n là tổng các tần số.

cᵢ = aᵢ + bᵢ2  ;  n = ∑ nᵢ
Kết quả tính từ trung điểm là số đặc trưng của mẫu ghép nhóm, thường chỉ xấp xỉ số đặc trưng của dữ liệu gốc. Không thể khôi phục mọi giá trị ban đầu từ bảng nhóm.

2. Ba công thức, một quy trình

Số trung bình có trọng số

x = ∑ nᵢcᵢn

Phương sai

s² = ∑ nᵢ(cᵢ − x)²n

Dạng thuận tiện khi lập bảng:

s² = ∑ nᵢcᵢ²n − x²

Độ lệch chuẩn

s = √(s²)   (s ≥ 0)
  1. Lập trung điểm cᵢ của từng nhóm.
  2. Tính tổng n, tổng nᵢcᵢ và tổng nᵢcᵢ².
  3. Tính x̄, rồi s², sau cùng lấy căn để có s.
  4. Kiểm tra đơn vị và chỉ làm tròn ở kết quả cuối.
Công thức Toán 12 ở đây chia cho n. Không thay bằng n − 1 của phương sai mẫu hiệu chỉnh. Phương sai có đơn vị bình phương; độ lệch chuẩn cùng đơn vị với số liệu. Không lấy trị tuyệt đối để che một kết quả phương sai âm do tính sai.

3. Sáu ví dụ giải từng bước

Bảng 2. Bảng tính cho thời gian tự học (phút)
Nhómnᵢcᵢnᵢcᵢnᵢcᵢ²
[0; 10)251050
[10; 20)41560900
[20; 30)225501250
Tổng8—1202200

Ví dụ 1. Tính trung bình đúng trọng số

Tính số trung bình của bảng 2.

  1. Trung điểm: (0 + 10)/2 = 5; (10 + 20)/2 = 15; (20 + 30)/2 = 25.
  2. Nhân từng trung điểm với tần số: 2 × 5 + 4 × 15 + 2 × 25 = 120.
  3. Chia cho tổng tần số n = 8: x̄ = 120/8.

Kết quả: x̄ = 15 phút. Dù ví dụ này đối xứng, vẫn phải dùng công thức có trọng số.

Ví dụ 2. Tính phương sai và độ lệch chuẩn

Tiếp tục dùng bảng 2.

  1. Tổng nᵢcᵢ² = 2 × 5² + 4 × 15² + 2 × 25² = 2.200.
  2. s² = 2.200/8 − 15² = 275 − 225 = 50.
  3. s = √50 = 5√2 ≈ 7,0711.

Kết quả: s² = 50 phút²; s ≈ 7,07 phút (làm tròn đến hàng phần trăm).

Bình phương độ lệch quanh trung bình 15Trung điểm 5,15,25 có tần số 2,4,2. Hai nhóm ngoài đóng góp 2 nhân 100, nhóm giữa đóng góp 0; tổng 400 chia 8 bằng 50.Vì sao s² = 50 phút²?5Tần số 2Độ lệch: −102 × 100 = 20015Tần số 4Độ lệch: 04 × 0 = 025Tần số 2Độ lệch: +102 × 100 = 200(200 + 0 + 200) : 8 = 50
Bình phương các độ lệch rồi nhân tần số. Mỗi nhóm ngoài đóng góp 200; nhóm giữa không đóng góp vào tổng bình phương độ lệch.

Ví dụ 3. Kiểm lại bằng công thức độ lệch

Kiểm tra kết quả s² = 50 của ví dụ 2.

  1. Độ lệch của các trung điểm so với 15 là −10, 0, 10.
  2. Bình phương: 100, 0, 100. Nhân tần số: 200, 0, 200.
  3. Tổng bằng 400; s² = 400/8 = 50.

Kết quả: Hai công thức cho cùng s² = 50 phút²; đây là cách kiểm tra phép tính.

Ví dụ 4. Hai mẫu cùng trung bình

Các nhóm [0; 10), …, [40; 50) có trung điểm 5, 15, 25, 35, 45. Mẫu A có tần số 0, 2, 12, 2, 0; mẫu B có tần số 4, 2, 4, 2, 4.

  1. Cả hai có n = 16; tổng nᵢcᵢ = 400 nên x̄ = 25 phút.
  2. Mẫu A: s² = (2 × 10² + 2 × 10²)/16 = 25. Suy ra s = 5 phút.
  3. Mẫu B: s² = (4 × 20² + 2 × 10² + 2 × 10² + 4 × 20²)/16 = 225. Suy ra s = 15 phút.

Kết quả: Mẫu A tập trung hơn quanh trung bình. Kết luận này nói về độ đồng đều, không tự động khẳng định kết quả học tập tốt hơn.

Ví dụ 5. Khi tần số không bằng nhau

Các nhóm [0; 10), [10; 20), [20; 30) có tần số 1, 2, 7. Tính x̄ và s.

  1. n = 10; tổng nᵢcᵢ = 1 × 5 + 2 × 15 + 7 × 25 = 210. Suy ra x̄ = 21.
  2. Tổng nᵢcᵢ² = 25 + 450 + 4.375 = 4.850.
  3. s² = 4.850/10 − 21² = 485 − 441 = 44; s = √44.

Kết quả: x̄ = 21 phút; s ≈ 6,63 phút. Lấy (5 + 15 + 25)/3 = 15 sẽ bỏ mất trọng số.

Ví dụ 6. Đổi đơn vị và dịch chuyển dữ liệu

Một mẫu có s = 2 phút. Đổi sang giây; sau đó xét việc cộng thêm 3 phút vào mọi giá trị.

  1. Đổi phút sang giây là nhân dữ liệu với 60, nên s mới = 60 × 2 = 120 giây.
  2. Phương sai ban đầu 4 phút² đổi thành 60² × 4 = 14.400 giây².
  3. Cộng cùng 3 phút vào mọi giá trị chỉ dịch chuyển trung bình; các độ lệch so với trung bình giữ nguyên.

Kết quả: Đổi đơn vị: s = 120 giây. Cộng 3 phút: s vẫn bằng 2 phút, s² vẫn bằng 4 phút².

4. Tự kiểm tra và thử số liệu

1. Giá trị đại diện của nhóm [10; 20) là bao nhiêu?
Xem giải thích
c = (10 + 20)/2 = 15, là trung điểm của nhóm.
2. Trong công thức phương sai Toán 12 của bài này, chia tổng bình phương độ lệch có trọng số cho gì?
Xem giải thích
Chia cho cỡ mẫu n, tức tổng tần số. Công thức có n − 1 là công thức hiệu chỉnh khác.
3. Nếu s² = 9 cm² thì s bằng bao nhiêu?
Xem giải thích
s là căn bậc hai không âm của phương sai: s = √9 = 3 cm.
4. Nhân mọi số liệu với 3 thì phương sai thay đổi thế nào?
Xem giải thích
Độ lệch so với trung bình nhân 3 nên bình phương độ lệch nhân 9; phương sai nhân 9.
5. Cùng đại lượng và thang đo, mẫu có s nhỏ hơn cho biết điều gì?
Xem giải thích
s nhỏ hơn biểu thị mức phân tán nhỏ hơn quanh trung bình; không quyết định trung bình lớn hay nhỏ.

Thử thay tần số, quan sát kết quả

Giữ các nhóm thời gian dưới đây. Nhập số học sinh trong mỗi nhóm rồi bấm tính. Các số liệu chỉ dùng minh họa.

5. Ghi nhớ và lỗi cần tránh

Chuẩn bịTrung điểm cᵢ; tần số nᵢ; cỡ mẫu n = ∑nᵢ.
Tính trung bìnhx̄ = ∑nᵢcᵢ / n. Không bỏ trọng số.
Tính độ phân táns² = ∑nᵢcᵢ² / n − x̄²; s = √(s²).
Đọc kết quảs cùng đơn vị số liệu; s² có đơn vị bình phương.
Quy tắc biến đổi: với y = ax + b, phương sai mới bằng a²s² và độ lệch chuẩn mới bằng |a|s. Cộng b chỉ thay đổi vị trí trung bình.
Tại sao máy tính ra phương sai âm?
Phương sai theo định nghĩa không âm. Kiểm tra tần số, phép bình phương, dấu ngoặc và việc làm tròn trung bình quá sớm. Với số rất sát nhau, dùng công thức tổng bình phương độ lệch để giảm sai số số học.
s = 0 có nghĩa mọi dữ liệu gốc bằng nhau không?
Đối với bảng ghép nhóm, s = 0 nghĩa các giá trị đại diện có tần số dương đều trùng nhau. Nếu toàn bộ dữ liệu nằm trong một nhóm, trung điểm giống nhau nhưng các giá trị gốc trong nhóm vẫn có thể khác nhau.
Có thể so trực tiếp độ lệch chuẩn đo bằng phút với đo bằng giây không?
Không. Hãy quy về cùng đơn vị và cùng đại lượng trước khi so sánh. Nhân dữ liệu với 60 thì s nhân 60 và s² nhân 3.600.

6. Luyện tập và học tiếp

Đã nắm được công thức? Em mở bộ luyện tập đang có của Gia Sư SV để thực hành thêm và đối chiếu lời giải.

Mở bộ luyện tập bài 2 · 62 câu

Ví dụ trong bài này do Gia Sư SV biên soạn để minh họa. Bộ luyện tập được giữ theo tài liệu đang có trên website.

Biên soạn: Gia Sư SV · Cập nhật 18/10/2026. Cần gia sư hướng dẫn thêm? Tìm gia sư phù hợp · 0946 99 62 68.