前往小程序,Get更优阅读体验!
立即前往
首页
学习
活动
专区
工具
TVP
发布
社区首页 >专栏 >Sweet Snippet 之 方差计算

Sweet Snippet 之 方差计算

作者头像
用户2615200
发布2020-02-20 11:27:12
6010
发布2020-02-20 11:27:12
举报

方差计算的简单实现

在概率统计中,方差用于衡量一组数据的离散程度,相关的计算公式如下(总体方差):

μ=1N∑i=1Nxiσ2=1N∑i=1N(xi−μ)2 \begin{aligned} &\mu = \frac{1}{N}\sum_{i = 1}^{N}x_i \\ &\sigma^2 = \frac{1}{N}\sum_{i = 1}^{N}(x_i - \mu)^2 \end{aligned} ​μ=N1​i=1∑N​xi​σ2=N1​i=1∑N​(xi​−μ)2​

其中 μ\muμ 为数据的平均值, 而 σ2\sigma^2σ2 即是(总体)方差.

相应的实现代码如下:

代码语言:javascript
复制
-- Lua
function average(values, count)
    local sum = 0
    
    for i = 1, count do
        sum = sum + values[i]
    end
    
    return sum / count
end

function variance(values, count)
    local average = average(values, count)
    local variance = 0
    
    for i = 1, count do
        local delta = values[i] - average 
        variance = variance + delta * delta
    end
    
    return variance / count
end

通常我们需要在获取新样本数据时更新方差,简单的方法就是按照上述公式重新计算一遍,我们可以通过计算数据子集方差的方式来模拟这个过程:

代码语言:javascript
复制
-- Lua
function variance_list(values)
    local ret = {}
    
    for i = 1, #values do
        ret[i] = variance(values, i)
    end
    
    return ret
end

更好的一种方式是通过递推来计算数据子集的方差,这需要对方差的计算公式做一些变形:

σ2=1N∑i=1N(xi−μ)2 ⟹ σ2=1N∑i=1N(xi2+μ2−2xiμ) ⟹ σ2=1N(∑i=1Nxi2+∑i=1Nμ2−∑i=1N2xiμ) ⟹ σ2=1N(∑i=1Nxi2+Nμ2−2μ∑i=1Nxi) ⟹ σ2=1N(∑i=1Nxi2+Nμ2−2Nμ2) ⟹ σ2=1N(∑i=1Nxi2−Nμ2) ⟹ σ2=1N(∑i=1Nxi2−N(∑i=1NxiN)2) ⟹ σ2=1N(∑i=1Nxi2−(∑i=1Nxi)2N) \begin{aligned} &\sigma^2 = \frac{1}{N}\sum_{i = 1}^{N}(x_i - \mu)^2 \implies \\ &\sigma^2 = \frac{1}{N}\sum_{i = 1}^{N}(x_i^2 + \mu^2 - 2x_i\mu) \implies \\ &\sigma^2 = \frac{1}{N}(\sum_{i = 1}^{N}x_i^2 + \sum_{i = 1}^{N}\mu^2 - \sum_{i = 1}^{N}2x_i\mu) \implies \\ &\sigma^2 = \frac{1}{N}(\sum_{i = 1}^{N}x_i^2 + N\mu^2 - 2\mu\sum_{i = 1}^{N}x_i) \implies \\ &\sigma^2 = \frac{1}{N}(\sum_{i = 1}^{N}x_i^2 + N\mu^2 - 2N\mu^2) \implies \\ &\sigma^2 = \frac{1}{N}(\sum_{i = 1}^{N}x_i^2 - N\mu^2) \implies \\ &\sigma^2 = \frac{1}{N}(\sum_{i = 1}^{N}x_i^2 - N(\frac{\sum_{i=1}^{N}x_i}{N})^2) \implies \\ &\sigma^2 = \frac{1}{N}(\sum_{i = 1}^{N}x_i^2 - \frac{(\sum_{i=1}^{N}x_i)^2}{N}) \end{aligned} ​σ2=N1​i=1∑N​(xi​−μ)2⟹σ2=N1​i=1∑N​(xi2​+μ2−2xi​μ)⟹σ2=N1​(i=1∑N​xi2​+i=1∑N​μ2−i=1∑N​2xi​μ)⟹σ2=N1​(i=1∑N​xi2​+Nμ2−2μi=1∑N​xi​)⟹σ2=N1​(i=1∑N​xi2​+Nμ2−2Nμ2)⟹σ2=N1​(i=1∑N​xi2​−Nμ2)⟹σ2=N1​(i=1∑N​xi2​−N(N∑i=1N​xi​​)2)⟹σ2=N1​(i=1∑N​xi2​−N(∑i=1N​xi​)2​)​

基于此,我们就可以递推的计算数据子集的方差了,相关的计算复杂度则降低了一个数量级(O(n2) ⟹ O(n)O(n^2) \implies O(n)O(n2)⟹O(n)):

代码语言:javascript
复制
-- lua
function variance_list_recurrence(values)
    local ret = {}
    
    local pre_square_sum = 0
    local pre_sum = 0
    
    for i = 1, #values do
        local val = values[i]
        
        pre_square_sum = pre_square_sum + val * val
        pre_sum = pre_sum + val
        
        ret[i] = (pre_square_sum - (pre_sum * pre_sum / i)) / i
    end
    
    return ret
end
本文参与 腾讯云自媒体分享计划,分享自作者个人站点/博客。
原始发表:2020-02-16 ,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

本文分享自 作者个人站点/博客 前往查看

如有侵权,请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

本文参与 腾讯云自媒体分享计划  ,欢迎热爱写作的你一起参与!

评论
登录后参与评论
0 条评论
热度
最新
推荐阅读
领券
问题归档专栏文章快讯文章归档关键词归档开发者手册归档开发者手册 Section 归档