คณิตศาสตร์-Math EP.5: สถิติและความน่าจะเป็น
คณิตศาสตร์พื้นฐาน
เรียนรู้สถิติและความน่าจะเป็นอย่างเป็นขั้นตอน ตั้งแต่การจัดข้อมูล ค่าเฉลี่ย มัธยฐาน ฐานนิยม พิสัย ความแปรปรวน ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน ความน่าจะเป็นแบบมีเงื่อนไข และการนับจำนวนกรณี พร้อมบล็อก Math ที่ใช้ LaTeX และ KaTeX อย่างหลากหลายสำหรับการคำนวณและอธิบายสูตรอย่างละเอียด
1. สถิติและความน่าจะเป็นสำคัญอย่างไร
2. ประเภทข้อมูลและการจัดเรียงข้อมูล
| ข้อมูล | ประเภท | ตัวอย่าง |
|---|---|---|
| คะแนนสอบ | เชิงปริมาณ | 65, 72, 88 |
| จำนวนหนังสือ | เชิงปริมาณแบบไม่ต่อเนื่อง | 1, 2, 3 เล่ม |
| ส่วนสูง | เชิงปริมาณแบบต่อเนื่อง | 152.5 เซนติเมตร |
| สีที่ชอบ | เชิงคุณภาพ | แดง น้ำเงิน เขียว |
| วิธีเดินทาง | เชิงคุณภาพ | รถยนต์ รถประจำทาง เดิน |
3. ค่าเฉลี่ยเลขคณิต
สูตรค่าเฉลี่ยเลขคณิต
\bar{x}=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}x_i=\frac{x_1+x_2+\cdots+x_n}{n}x_i คือข้อมูลลำดับที่ i และ n คือจำนวนข้อมูลทั้งหมด สัญลักษณ์ซิกมา \sum หมายถึงการนำค่าตามลำดับมาบวกกัน
คำนวณค่าเฉลี่ยจากตัวอย่าง
\begin{aligned}\bar{x}&=\frac{6+8+9+13}{4}\\&=\frac{36}{4}\\&=9\end{aligned}ค่าเฉลี่ยของข้อมูลชุดนี้เท่ากับ 9
ค่าเฉลี่ยเมื่อข้อมูลมีความถี่
ค่าเฉลี่ยจากตารางความถี่
\bar{x}=\frac{\sum_{i=1}^{k}f_ix_i}{\sum_{i=1}^{k}f_i}คูณแต่ละค่าด้วยความถี่ของค่านั้น แล้วหารด้วยผลรวมความถี่ทั้งหมด
| คะแนน x_i | ความถี่ f_i | ผลคูณ f_i x_i |
|---|---|---|
| 5 | 2 | 10 |
| 7 | 3 | 21 |
| 9 | 1 | 9 |
| รวม | 6 | 40 |
ตัวอย่างค่าเฉลี่ยจากความถี่
\bar{x}=\frac{2(5)+3(7)+1(9)}{2+3+1}=\frac{40}{6}=\frac{20}{3}\approx6.67ค่าเฉลี่ยประมาณ 6.67 คะแนน โดยเก็บค่าเศษส่วน 20/3 ไว้ได้หากต้องการความแม่นยำมากขึ้น
4. มัธยฐานและฐานนิยม
มัธยฐานเมื่อจำนวนข้อมูลเป็นจำนวนคี่
\operatorname{Median}=x_{\left(\frac{n+1}{2}\right)}เมื่อเรียงข้อมูลจากน้อยไปมาก ตำแหน่งตรงกลางคือ (n + 1)/2 สำหรับจำนวนข้อมูล n ที่เป็นจำนวนคี่
มัธยฐานเมื่อจำนวนข้อมูลเป็นจำนวนคู่
\operatorname{Median}=\frac{x_{(n/2)}+x_{(n/2+1)}}{2}เมื่อจำนวนข้อมูลเป็นจำนวนคู่ ให้หาค่าเฉลี่ยของข้อมูลสองตำแหน่งตรงกลางหลังเรียงข้อมูลแล้ว
5. พิสัยและการกระจายของข้อมูล
พิสัยของข้อมูล
R=x_{\max}-x_{\min}R คือพิสัย x_max คือค่าสูงสุด และ x_min คือค่าต่ำสุดในชุดข้อมูล
6. ความแปรปรวนและส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน
ความแปรปรวนของประชากร
\sigma^2=\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}(x_i-\mu)^2N คือจำนวนข้อมูลประชากรทั้งหมด และ μ คือค่าเฉลี่ยประชากร
ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานของประชากร
\sigma=\sqrt{\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}(x_i-\mu)^2}ถอดรากที่สองของความแปรปรวน เพื่อให้ค่าการกระจายกลับมาอยู่ในหน่วยเดียวกับข้อมูล
ความแปรปรวนของกลุ่มตัวอย่าง
s^2=\frac{1}{n-1}\sum_{i=1}^{n}(x_i-\bar{x})^2สูตรนี้ใช้กับกลุ่มตัวอย่างเพื่อประมาณความแปรปรวนของประชากร โดยใช้ n − 1 เป็นตัวหาร
ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานของกลุ่มตัวอย่าง
s=\sqrt{\frac{1}{n-1}\sum_{i=1}^{n}(x_i-\bar{x})^2}s คือส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานของกลุ่มตัวอย่าง ไม่ควรสับสนกับ σ ซึ่งใช้แทนส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานของประชากร
คำนวณความแปรปรวนจากตัวอย่าง
\begin{aligned}\mu&=\frac{2+4+6}{3}=4\\\sigma^2&=\frac{(2-4)^2+(4-4)^2+(6-4)^2}{3}\\&=\frac{4+0+4}{3}=\frac{8}{3}\\\sigma&=\sqrt{\frac{8}{3}}\approx1.63\end{aligned}สูตรนี้ถือว่าข้อมูลทั้งสามค่าเป็นประชากรทั้งหมด หากถือเป็นกลุ่มตัวอย่างจะใช้ตัวหาร n − 1 แทน
7. ความน่าจะเป็นของเหตุการณ์
สูตรความน่าจะเป็นพื้นฐาน
P(A)=\frac{|A|}{|S|}A คือเหตุการณ์ที่สนใจ และ S คือเซตผลลัพธ์ทั้งหมด ใช้สูตรนี้เมื่อผลลัพธ์แต่ละแบบมีโอกาสเกิดเท่ากัน
ขอบเขตของความน่าจะเป็น
0\leq P(A)\leq1ความน่าจะเป็นต้องมีค่าไม่ต่ำกว่า 0 และไม่เกิน 1 หรือเมื่อเขียนเป็นเปอร์เซ็นต์จะอยู่ระหว่าง 0% ถึง 100%
ความน่าจะเป็นที่จะได้เลขคู่
P(\text{เลขคู่})=\frac{3}{6}=\frac{1}{2}=0.5=50\%ลูกเต๋าต้องเป็นลูกเต๋ามาตรฐานที่ยุติธรรม และทุกหน้ามีโอกาสออกเท่ากัน
เหตุการณ์ตรงข้าม
ความน่าจะเป็นของเหตุการณ์ตรงข้าม
P(A^c)=1-P(A)A^c หมายถึงเหตุการณ์ตรงข้ามของ A
8. กฎการบวกและกฎการคูณความน่าจะเป็น
กฎการบวกของสองเหตุการณ์
P(A\cup B)=P(A)+P(B)-P(A\cap B)นำความน่าจะเป็นของ A และ B มาบวกกัน แล้วลบส่วนที่เกิดร่วมกันออกเพื่อไม่ให้นับซ้ำ
กรณีเหตุการณ์ไม่เกิดร่วมกัน
A\cap B=\varnothing\quad\Rightarrow\quad P(A\cup B)=P(A)+P(B)หาก A และ B ไม่สามารถเกิดขึ้นพร้อมกันได้ ความน่าจะเป็นของการเกิด A หรือ B เท่ากับผลบวกของความน่าจะเป็นทั้งสอง
กฎการคูณของสองเหตุการณ์
P(A\cap B)=P(A)P(B\mid A)P(B | A) คือความน่าจะเป็นที่ B จะเกิดขึ้นเมื่อทราบว่า A เกิดขึ้นแล้ว
กรณีเหตุการณ์เป็นอิสระต่อกัน
P(A\cap B)=P(A)P(B)ใช้เมื่อการเกิด A ไม่เปลี่ยนความน่าจะเป็นของ B และการเกิด B ไม่เปลี่ยนความน่าจะเป็นของ A
ความน่าจะเป็นที่จะได้หัวสองครั้ง
P(HH)=\frac{1}{2}\times\frac{1}{2}=\frac{1}{4}H แทนผลลัพธ์หัว และการโยนแต่ละครั้งเป็นอิสระต่อกัน
9. ความน่าจะเป็นแบบมีเงื่อนไข
สูตรความน่าจะเป็นแบบมีเงื่อนไข
P(A\mid B)=\frac{P(A\cap B)}{P(B)},\quad P(B)>0P(A | B) คือความน่าจะเป็นของ A เมื่อทราบว่า B เกิดขึ้นแล้ว
คำนวณความน่าจะเป็นเมื่อมีเงื่อนไข
P(\text{ฟุตบอล}\mid\text{เล่นกีฬา})=\frac{8}{20}=0.4=40\%ตัวหารคือจำนวนนักเรียนที่เล่นกีฬา 20 คน ไม่ใช่นักเรียนทั้งหมด 40 คน
10. หลักการนับและการจัดเรียง
หลักการคูณในการนับ
N=n_1n_2\cdots n_k=\prod_{i=1}^{k}n_iถ้ามี k ขั้นตอน และขั้นที่ i มีทางเลือก n_i แบบ จำนวนวิธีทั้งหมดเท่ากับผลคูณของจำนวนทางเลือกแต่ละขั้น
จำนวนวิธีเรียงสิ่งของที่แตกต่างกัน
n!=n(n-1)(n-2)\cdots2\cdot1แฟกทอเรียล n! ใช้นับจำนวนวิธีเรียงสิ่งของ n ชิ้นที่แตกต่างกันทั้งหมด โดยกำหนดให้ 0! = 1
การเรียงเลือก r สิ่งจาก n สิ่ง
P(n,r)=\frac{n!}{(n-r)!}ใช้เมื่อเลือกสิ่งของ r ชิ้นจาก n ชิ้นโดยไม่ซ้ำและลำดับมีความสำคัญ
การเลือก r สิ่งจาก n สิ่งโดยไม่สนใจลำดับ
\binom{n}{r}=\frac{n!}{r!(n-r)!}ใช้เมื่อเลือกสิ่งของ r ชิ้นจาก n ชิ้นโดยไม่ซ้ำและไม่สนใจลำดับของสิ่งที่เลือก
11. การแจกแจงทวินามเบื้องต้น
สูตรความน่าจะเป็นแบบทวินาม
P(X=k)=\binom{n}{k}p^k(1-p)^{n-k}n คือจำนวนครั้งทดลอง k คือจำนวนความสำเร็จ และ p คือความน่าจะเป็นของความสำเร็จในแต่ละครั้ง
ค่าเฉลี่ยของการแจกแจงทวินาม
E(X)=npค่าเฉลี่ยของจำนวนความสำเร็จที่คาดหวังจากการทดลองทวินาม n ครั้ง
ความแปรปรวนของการแจกแจงทวินาม
\operatorname{Var}(X)=np(1-p)ใช้วัดการกระจายของจำนวนความสำเร็จในการทดลองที่เป็นไปตามเงื่อนไขของการแจกแจงทวินาม
ตัวอย่างการแจกแจงทวินาม
\begin{aligned}P(X=2)&=\binom{3}{2}\left(\frac12\right)^2\left(\frac12\right)^1\\&=3\times\frac18=\frac38=37.5\%\end{aligned}ความน่าจะเป็นที่จะได้หัวพอดีสองครั้งจากการโยนเหรียญสามครั้งเท่ากับ 37.5%
12. การแจกแจงปกติและคะแนนมาตรฐาน
คะแนนมาตรฐาน z-score
z=\frac{x-\mu}{\sigma}x คือค่าที่สนใจ μ คือค่าเฉลี่ยประชากร และ σ คือส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานประชากร โดย σ ต้องมากกว่า 0
ฟังก์ชันความหนาแน่นของการแจกแจงปกติ
f(x)=\frac{1}{\sigma\sqrt{2\pi}}\exp\left(-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}\right)สูตรนี้อธิบายความหนาแน่นของการแจกแจงปกติ เมื่อ σ > 0 ไม่ใช่ความน่าจะเป็นของค่าจุดเดียวโดยตรง สำหรับตัวแปรต่อเนื่อง ความน่าจะเป็นหาได้จากพื้นที่ใต้กราฟในช่วงที่สนใจ
ตัวอย่างการคำนวณ z-score
z=\frac{85-70}{10}=\frac{15}{10}=1.5ค่า z เป็นบวกแสดงว่าคะแนนอยู่เหนือค่าเฉลี่ย และค่า z เป็นลบแสดงว่าอยู่ต่ำกว่าค่าเฉลี่ย
13. การประยุกต์สถิติกับการตัดสินใจ
ค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนัก
\bar{x}_w=\frac{\sum_{i=1}^{n}w_ix_i}{\sum_{i=1}^{n}w_i}ใช้เมื่อข้อมูลแต่ละค่ามีน้ำหนักไม่เท่ากัน เช่น คะแนนที่แต่ละส่วนมีสัดส่วนความสำคัญแตกต่างกัน โดยน้ำหนักรวมต้องไม่เป็นศูนย์
คำนวณคะแนนถ่วงน้ำหนัก
\bar{x}_w=80(0.4)+70(0.6)=32+42=74คะแนนรวมแบบถ่วงน้ำหนักเท่ากับ 74 คะแนน
14. แบบฝึกคิดวิเคราะห์พร้อมเฉลย
โจทย์ที่ 1: หาค่าเฉลี่ย
โจทย์ที่ 2: หามัธยฐาน
โจทย์ที่ 3: หาพิสัย
โจทย์ที่ 4: ความน่าจะเป็นของลูกเต๋า
โจทย์ที่ 5: ความน่าจะเป็นของเหรียญ
โจทย์ที่ 6: คะแนนถ่วงน้ำหนัก
15. สรุปสูตรสำคัญ
| หัวข้อ | สูตร | สิ่งที่ควรจำ |
|---|---|---|
| ค่าเฉลี่ย | x̄ = Σxᵢ/n | ผลรวมข้อมูลหารด้วยจำนวนข้อมูล |
| ค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนัก | x̄w = Σwᵢxᵢ/Σwᵢ | คำนึงถึงน้ำหนักของแต่ละค่า |
| มัธยฐาน | ค่ากลางหลังเรียงข้อมูล | จำนวนคู่ให้เฉลี่ยสองค่าตรงกลาง |
| ฐานนิยม | ค่าที่พบมากที่สุด | ข้อมูลอาจมีฐานนิยมมากกว่าหนึ่งค่า |
| พิสัย | R = x_max − x_min | ดูเฉพาะค่าสูงสุดและต่ำสุด |
| ความแปรปรวนประชากร | σ² = Σ(xᵢ − μ)²/N | ตัวหารเป็นจำนวนประชากร |
| ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน | σ = √σ² | มีหน่วยเดียวกับข้อมูลเดิม |
| ความน่าจะเป็นพื้นฐาน | P(A) = |A|/|S| | ใช้เมื่อผลลัพธ์มีโอกาสเท่ากัน |
| เหตุการณ์ตรงข้าม | P(Aᶜ) = 1 − P(A) | โอกาสที่ A ไม่เกิด |
| ความน่าจะเป็นแบบมีเงื่อนไข | P(A|B) = P(A∩B)/P(B) | ต้องมี P(B) > 0 |
| ทวินาม | P(X=k) = C(n,k)pᵏ(1−p)ⁿ⁻ᵏ | ทดลองอิสระและ p คงที่ |
| คะแนนมาตรฐาน | z = (x − μ)/σ | วัดระยะจากค่าเฉลี่ยเป็นหน่วย SD |
ความสัมพันธ์ของค่ากลางและการกระจาย
\text{ข้อมูล}\longrightarrow\begin{cases}\text{ค่ากลาง: }\bar{x},\;\operatorname{Median},\;\operatorname{Mode}\\\text{การกระจาย: }R,\;\sigma^2,\;\sigma\end{cases}การสรุปข้อมูลที่ดีควรดูทั้งค่ากลางและการกระจาย ไม่ควรใช้ค่าเฉลี่ยเพียงค่าเดียวเพื่ออธิบายข้อมูลทุกลักษณะ
⏳ Reading timer is running...