요약

값들이 평균에서 평균적으로 얼마나 멀리 흩어지는지를 재는 수다. 평균에서 벗어난 거리를 제곱해 평균 낸 것이 분산이고, 그 제곱근이 원래 단위로 돌아온 표준편차다. 평균 응답 시간이 같은 두 서버도 흔들림이 크게 다를 수 있어서, 평균만으로는 성능을 말할 수 없다. 서로 독립인 것들을 더하면 분산도 그대로 더해지지만, 독립이 아니면 이 덧셈이 맞지 않는다.

예시로 보기

서버 A는 늘 100 ms에 응답하고, 서버 B는 반반의 확률로 50 ms 또는 150 ms에 응답한다. 평균은 둘 다 100 ms다.

  평균 \(\mu\) 평균에서 벗어난 거리의 제곱 분산 표준편차
A 100 늘 0 0 0 ms
B 100 늘 \(50^2 = 2500\) 2500 50 ms

B의 분산 2500은 단위가 ms²라 감이 오지 않는다. 제곱근을 씌운 표준편차 50 ms가 “평균에서 보통 이만큼 벗어난다”는 뜻으로 읽힌다. 표의 셋째 열의 평균이 아래 정의의 분산이다.

정의

정의

평균이 \(\mu = \mathbb{E}[X]\)(\(\mathbb{E}[\cdot]\)은 평균(기댓값))인 확률변수 \(X\)의 분산은

\[\operatorname{Var}[X] = \mathbb{E}\big[(X - \mu)^2\big] = \mathbb{E}[X^2] - \mu^2\]

이고, 표준편차는 \(\operatorname{SD}(X) = \sqrt{\operatorname{Var}[X]}\)다1.

둘째 등호는 선형성으로 전개한 것이다. \(\mathbb{E}[X^2 - 2\mu X + \mu^2] = \mathbb{E}[X^2] - 2\mu^2 + \mu^2\). 주사위 하나는 \(\mathbb{E}[X^2] = \frac{91}{6}\), \(\mu = \frac72\)라 분산 \(\frac{91}{6} - \frac{49}{4} = \frac{35}{12} \approx 2.92\)다.

성질.

성질 이유
\(\operatorname{Var}[aX + b] = a^2\operatorname{Var}[X]\) \(b\)만큼 옮기면 평균도 같이 옮겨 거리가 그대로다. \(a\)배 늘리면 거리가 \(a\)배, 제곱이 \(a^2\)배다
\(X\), \(Y\)가 독립이면 \(\operatorname{Var}[X + Y] = \operatorname{Var}[X] + \operatorname{Var}[Y]\) 전개하면 교차항 \(2\mathbb{E}[(X - \mu_X)(Y - \mu_Y)]\)가 남는데, 독립이면 곱의 기댓값이 나뉘어 0이다
독립이 아니면 맞지 않을 수 있다 \(\operatorname{Var}[X + X] = \operatorname{Var}[2X] = 4\operatorname{Var}[X]\)이지 \(2\operatorname{Var}[X]\)가 아니다

설계 이유. 거리의 평균 \(\mathbb{E}[\vert X - \mu\vert ]\)도 쓸 수 있지만, 제곱을 쓰면 독립합의 덧셈 법칙이 생기고 미분하기 쉽다. 제곱의 평균은 벡터 길이의 제곱과 같은 구조라, 최소제곱과도 자연스럽게 이어진다.

예제

여러 번 재서 평균 내기. 서로 독립이고 분포가 같은 측정값 \(X_1, \dots, X_n\)(각각 분산 \(\sigma^2\))의 평균 \(\bar X = \frac{X_1 + \cdots + X_n}{n}\)의 분산은?

  1. 합의 분산: 독립이라 \(\operatorname{Var}[X_1 + \cdots + X_n] = n\sigma^2\).
  2. \(\frac1n\)배: 성질 1로 \(\operatorname{Var}[\bar X] = \frac{1}{n^2} \cdot n\sigma^2 = \frac{\sigma^2}{n}\).
  3. 표준편차: \(\operatorname{SD}(\bar X) = \frac{\sigma}{\sqrt n}\).
  4. 결론: 측정을 4배 늘리면 흔들림은 절반으로 준다. 벤치마크를 여러 번 돌려 평균을 내는 이유이자, 몬테카를로 오차가 표본 수의 제곱근에 반비례하는 이유다.
검증: 두 서버의 분산, 계산 공식(무작위 분포 200개), 주사위 \(\frac{35}{12}\), 세 성질과 \(\operatorname{Var}[X + X]\), 평균의 분산 \(\frac{\sigma^2}{n}\)(모의실험, \(n = 1, 4, 16, 64\)), 부동소수점 실험 — 09_variance_verify.py

활용

  • 꼬리 지연. 서비스 품질은 평균보다 흔들림(표준편차, 상위 1% 지연)에 좌우될 때가 많다. 평균이 같아도 분산이 큰 쪽이 사용자에게 더 나쁘다.
  • 수치 계산의 함정. \(\mathbb{E}[X^2] - \mu^2\) 공식으로 분산을 계산하면, 값이 크고 흔들림이 작을 때 비슷한 큰 수끼리 빼면서 유효숫자가 사라진다. \(10^9\) 근처의 값 \(10^9 + 4, 10^9 + 7, 10^9 + 13, 10^9 + 16\)(참 분산 22.5)을 배정밀도로 계산하면 이 공식은 0을 낸다. 평균을 갱신하며 편차를 누적하는 웰퍼드 방법은 22.5를 정확히 낸다2.

연결

확인 문제

C1 공정한 주사위 눈의 분산을 구하라.

답: \(\mathbb{E}[X^2] = \frac{1 + 4 + 9 + 16 + 25 + 36}{6} = \frac{91}{6}\), \(\mu^2 = \frac{49}{4}\). 분산 \(\frac{182 - 147}{12} = \frac{35}{12} \approx 2.92\), 표준편차 약 1.71.

C2 \(\operatorname{Var}[X] = 2\)일 때 \(\operatorname{Var}[3X + 5]\)는?

답: \(3^2 \times 2 = 18\). 더한 5는 분산에 영향이 없다.
흔한 오답: \(3 \times 2 + 5 = 11\). 분산은 제곱 단위라 배율이 제곱으로 들어간다.

C3 같은 주사위의 눈 \(X\)에 대해 \(\operatorname{Var}[X + X]\)가 \(2\operatorname{Var}[X]\)가 아니라 \(4\operatorname{Var}[X]\)인 이유는?

답: \(X + X = 2X\)라 성질 1로 \(4\operatorname{Var}[X]\)다. 분산의 덧셈 법칙은 독립일 때만 맞는데, \(X\)와 자기 자신은 완전히 같이 움직여서 흔들림이 상쇄되지 않고 겹쳐 커진다. 교차항 \(2\operatorname{Var}[X]\)가 0이 아니다.

  1. Blitzstein, Hwang, Introduction to Probability 2판, 4.6절 “Variance”(정의, 계산 공식, 성질, 독립합의 분산). ↩

  2. 웰퍼드 방법은 B. P. Welford, “Note on a method for calculating corrected sums of squares and products”, Technometrics 4(3), 1962에서 나왔다. 두 공식의 결과(0과 22.5)는 09_variance_verify.py로 확인했다. ↩