統計学における範囲(はんい、)は、 記述統計量の一種。興味のあるデータ点すべてを含む最も狭い区間のことを指す。
データサンプルから計算する場合、データセットの中での最大値と最小値(すなわち、)の差より得られる。 範囲は、元となるデータと同じ次元を持つ。
範囲は統計的ばらつきの目安を与える。よりな指標として、や四分位範囲などが挙げられる。
連続分布からの標本に対する範囲 個の独立同分布な確率変数 の従う分布の累積分布関数が 、確率密度関数が であるとする。この状況下で、 から得られた範囲を で表すとする。
累積確率分布 範囲 は、以下の累積分布関数を持つ確率分布に従う:
20世紀のユダヤ人数学者エミール・ユリウス・ガンベルは、この式について「一般的に を で表すことができないという事実と、数値積分が手間がかかり面倒であるという事実によって、この式の美しさは完全に損なわれている」と論文で指摘している。
範囲の平均値 範囲を確率変数とみなしたとき、その平均値は次で与えられる:
特に、データがそれぞれ標準正規分布に従っている場合、範囲の平均値は次でも与えられる:
累積分布関数の導出 以下の導出は、Gumbelの論文に依拠する。
独立同分布な確率変数 の最小値が 、最大値が であるという状況が発生する確率を考える。 は順番の入れ替えについて対称なので、最小値を与えている変数が 、最大値を与えている変数が となるように入れ替える。このような並び替えは 通りだけある。
このもとで、最小値が かつ最大値が であるような同時確率密度は
で与えられる。ただし、 係数 は並び替えから発生する項であり、
は残りの 個の変数が を満たす確率である。最終的に求める確率は、 となる確率に等しいので、 と置換すれば以下が成立することがわかる:
ここで、を利用した置換積分を実行することで、所与の式が得られる:
他のモデルにおける範囲 連続分布からの独立同分布サンプル以外の場合を除けば、範囲として明示的な式を得られる。ただし、それらのケースは限定的な興味しかもたらさない:
独立同分布ではない連続一様分布からの確率変数群 自然数 上定義された離散変数群。離散分布に対しては範囲も離散的な値を取るので、公式は組合せ数学により導くことになる。
関連する指標 範囲は順序統計量の一種である。さらに、順位統計量の線形関数であるため、の一種でもある。
脚注
関連項目
四分位範囲 スチューデント化された範囲