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Niveau Master
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Calcul de la variance à partir d'autres variances

Posté par
July09
19-11-14 à 17:42

Bonjour,
j'aimerai savoir s'il est possible de calculer la variance d'une population à partir de la variance des sous-populations la composant?
Si c'est possible, comment retrouver la formule?

Par exemple, prenons une population de variable X (taille dans la population) de taille n avec sa moyenne m et sa variance v.
Si je divise cette population en deux selon le sexe (homme et femme), j'obtient
- la variable X1 de taille n1, de moyenne m1 et de variance v1 pour les femmes et
- la variable X2 de taille n2, de moyenne m2 et de variance v2 pour les hommes.

Je retrouve m selon la formule:
m = (n1 / n)*m1 + (n2 / n)*m2

Mais le variance v selon v1 et v2 ?

Posté par
carpediem
re : Calcul de la variance à partir d'autres variances 19-11-14 à 17:55

salut

et pourquoi n'essaies-tu pas de voir ce qui se passe en écrivant la définition ?

notons H, h la variance, moyenne pour les hommes, F, f pour les femmes et V, m la totale

H = \sum n_ih_i^2 - h^2 \\  \\ F = \sum m_if_i^2 - f^2 \\  \\ V = \sum n_ih_i^2 + \sum m_if_i^2 - m^2

V - H - F = .... ?

Posté par
flight
re : Calcul de la variance à partir d'autres variances 19-11-14 à 18:02

salut

je trouve

V(X) = ((n1.V1² + n2.V2²)/(n1+n2))

en utilisant la definition de base de la variance

Posté par
carpediem
re : Calcul de la variance à partir d'autres variances 19-11-14 à 18:07

oui j'ai oublié de diviser par les effectifs totaux respectifs des hommes, des femmes et du total ....

Posté par
flight
re : Calcul de la variance à partir d'autres variances 19-11-14 à 18:08

ne pas tenir compte de ma réponse .. me suis rendu compte d'une erreur

Posté par
carpediem
re : Calcul de la variance à partir d'autres variances 19-11-14 à 18:58

H = \dfrac 1 N \sum n_ih_i^2 - h^2 \\  \\ F = \dfrac 1 M\sum m_if_i^2 - f^2 \\  \\ V = \dfrac {1}{N + M} \left( \sum n_ih_i^2 + \sum m_if_i^2 \right)- m^2

V - H - F = .... ?

Posté par
July09
re : Calcul de la variance à partir d'autres variances 24-11-14 à 13:30

Merci Carpediem de ta réponse, mais je suis bloquée car je suis nullle en calcul est-ce que tu peux m'aider?
Merci encore

Posté par
flight
re : Calcul de la variance à partir d'autres variances 24-11-14 à 15:04

salut
en reprenant les notations de Carpediem :

V = 1/(N+M)*[(V1 + m1²).N + (V2 + m2²).M] - m²    sauf erreur

Posté par
verdurin
re : Calcul de la variance à partir d'autres variances 24-11-14 à 16:54

Bonjour,

pour utiliser tes notations.

Soit x_i la taille de l'individu numéro i, F l'ensemble des numéros des femmes et H celui des hommes.

On a
v=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n x_i^2-m^2
donc
\sum_{i=1}^n x_i^2=n(v+m^2)
et en particulier
\sum_{i\in F} x_i^2=n_1(v_1+m_1^2) et \sum_{i\in H} x_i^2=n_2(v_2+m_2^2)

or
\sum_{i=1}^n x_i^2=\sum_{i\in F} x_i^2+\sum_{i\in H} x_i^2

donc
\sum_{i=1}^n x_i^2=n_1(v_1+m_1^2)+n_2(v_2+m_2^2)

puis

v=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n x_i^2-m^2=\dfrac{n_1}{n}(v_1+m_1^2)+\dfrac{n_2}{n}(v_2+m_2^2)-m^2. C'est le résultat que t'a donné flight.

Et après quelques calculs en tenant compte de ce que n_1+n_2=n on trouve :

v=\dfrac{n_1}{n}v_1+\dfrac{n_2}{n}v_2+\Bigl[\dfrac{n_1m_1^2+n_2m_2^2}{n}-\Bigl(\dfrac{n_1m_1+n_2m_2}{n}\Bigr)^2\Bigr]\\
 \\ \phantom{v}=\dfrac{n_1}{n}v_1+\dfrac{n_2}{n}v_2+\frac{n_1 n_2}{n}(m_1-m_2)^2

Soit la somme pondéré des variances plus un termes ne dépendant que des moyennes. On peut remarquer que ce terme est égale à la variance d'une série qui comporterais n_1 valeurs m_1 et n_2 valeurs m_2.

Ce qui est un résultat général et utile à retenir.

Posté par
July09
re : Calcul de la variance à partir d'autres variances 24-11-14 à 17:28

Merci beaucoup flight et verdurin pour les précisions, je comprends mieux la formule maintenant.
Juste une petite précision, moi je trouve au final:

v = (n1/n)v1 + (n2/n)v2 + ((n1n2)/n^2)(m1-m2)^2

Je trouve n^2 pour la fraction n1n2/n dans le troisième terme est-ce correct?

Merci beaucoup

Posté par
LeDino
re : Calcul de la variance à partir d'autres variances 24-11-14 à 18:09

Citation :
Je trouve n^2 pour la fraction n1n2/n dans le troisième terme est-ce correct ?
Oui ton correctif est valable : il y a bien une coquille dans le résultat de verdurin (16:54).


Si  a=\frac{n_1}{n}  et  b=\frac{n_2}{n}  sont les proportions respectives du groupe 1 et 2, alors :

\boxed {  V = a.V_1 + b.V_2 + ab.(M_2-M_1)^2  }

Posté par
verdurin
re : Calcul de la variance à partir d'autres variances 24-11-14 à 19:02

En effet, j'ai oublié un exposant.

Le résultat à retenir :
la variance totale est la moyenne des variances plus la variance des moyennes, le tout pondéré par les effectifs.

Posté par
carpediem
re : Calcul de la variance à partir d'autres variances 24-11-14 à 19:35

tout de même ... en master ....

une fois les objets bien définis et les définitions bien posées le reste n'est que calcul élémentaire .... que t'on offert gracieusement sur un plateau les collègues ....

Posté par
verdurin
re : Calcul de la variance à partir d'autres variances 24-11-14 à 19:45

Salut carpediem

Citation :
tout de même ... en master ....
Ce n'est sans doute pas un master de maths...

Posté par
carpediem
re : Calcul de la variance à partir d'autres variances 24-11-14 à 20:33

salut verdurin

certes oui ... mais bon .... en master ....   .... et des calculs de niveaux collège ....

Posté par
verdurin
re : Calcul de la variance à partir d'autres variances 24-11-14 à 20:51

Comment dire : il m'est arrivé d'aider certains de mes anciens étudiants de BTS qui se retrouvaient en master.
Précisément sur ce genre de thème.

Comment sauraient-ils faire quelque chose que l'on ne leur a jamais appris ?

Si ils étaient vraiment bons en maths, ça ne poserait pas de problème, mais ce n'est pas le cas.

Et ce qu'il faut faire, c'est justement montrer comment ces calculs sont, théoriquement, niveau collège.
Ce qui n'est pas si facile, et rarement montré.

Posté par
LeDino
re : Calcul de la variance à partir d'autres variances 24-11-14 à 20:57

July09 a quand même fait le calcul de son côté au final...

Posté par
verdurin
re : Calcul de la variance à partir d'autres variances 24-11-14 à 21:23

Et on peut la féliciter pour ça.

Je n'ai pas fait exprès, d'oublier un exposant, mais j'aurais du.

Il a quand même fallut lui montrer comment faire les calculs pour qu'elle sache les faire, mais c'est normal.

De fait, je suis renforcé dans mes croyances :
hormis les matheux, très peu de gens sont capables de manipuler des sans explications. Et si on ne donne pas d'exemples non triviaux, on va droit à l'échec.

Avec toute l'infatuation dont je suis capable (c'est beaucoup), je crois que nous avons été utile à July09.

Posté par
LeDino
re : Calcul de la variance à partir d'autres variances 24-11-14 à 22:41

Citation :
je crois que nous avons été utile à July09.
Aucun doute la dessus :  "Merci beaucoup ... je comprends mieux la formule maintenant".
Et preuve à l'appui, avec l'erreur repérée et réparée ...

Posté par
carpediem
re : Calcul de la variance à partir d'autres variances 25-11-14 à 21:12

certes oui ....

il est vrai que le symbole pose problème .... à tout ceux qui manipule des symboles sans leur donner du sens ....

c'est ainsi que le passage du calcul numérique au calcul algébrique devient un blocage pour bon nombre ...

on ne comprend pas mieux ou moins bien cette formule :: la variance n'est qu'une moyenne :: la moyenne des carrés des écarts à la moyenne .... (et là je donne du sens et je sais de quoi je cause )

mais ces carrés compliquent tout car la moyenne d'une somme (éventuellement pondérée) n'est plus la somme des moyenne (éventuellement pondérée) : il reste un terme résiduel quadratique .... qui se détermine par un calcul propre et soigné qu'il faut mener au bout sans se tromper ....




il faut malheureusement montrer les calculs maintenant .... c'est bien dommage car c'est un bon exercice mental tant intellectuel (c'est le propre du cerveau) que physiologique (ou médical faire marcher un organe) ....



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