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분산과 표준편차, 선형변환에서 b를 더하면 퍼짐이 달라질까?

계산동과외에서 자주 다루는 오답 중 하나는 점수에 일정한 값을 더했을 때 분산까지 변한다고 생각하는 경우입니다. 핵심은 변환식 V(aX+b)=a²V(X)입니다.

하나의 식에서 출발하기

확률변수 X의 분산이 V(X)=9이고, 새로운 변수 Y=2X+5라고 하겠습니다.

상수 5는 모든 자료에 똑같이 더해집니다. 따라서 자료 사이의 차이는 변하지 않고, 2를 곱한 효과만 분산에 반영됩니다.

V(Y)=V(2X+5)=2²V(X)=4×9=36

표준편차는 분산의 제곱근이므로 σ(Y)=√36=6입니다.

학생 풀이에서 생긴 오류

처음 기록에는 V(2X+5)=2V(X)+5처럼 b를 그대로 더한 식이 적혀 있었습니다. 그러나 분산은 자료의 절대적인 위치가 아니라 평균으로부터의 퍼짐을 측정합니다.

실제로 평균이 E(X)=μ라면 E(Y)=2μ+5이고, 각 편차는 다음과 같습니다.

Y-E(Y)=(2X+5)-(2μ+5)=2(X-μ)

따라서 편차의 제곱은 4배가 되고, 분산도 4배가 됩니다. b는 편차 계산에서 소거됩니다.

점수 환산 전후 비교

변환 분산 표준편차
원점수 X 9 3
환산점수 2X+5 36 6
이동만 한 점수 X+5 9 3

a와 a²를 구별하기

선형변환 Y=aX+b에서 표준편차는 |a|배가 되지만, 분산은 a²배가 됩니다.

  • V(aX+b)=a²V(X)
  • σ(aX+b)=|a|σ(X)
  • b는 분산과 표준편차에 영향을 주지 않음

최종 확인 문제

어떤 자료의 분산이 16일 때 Y=-3X+7의 분산과 표준편차를 구해 봅니다.

V(Y)=(-3)²×16=144

σ(Y)=√144=12

부호가 음수여도 분산에서는 제곱되며, 표준편차는 음수가 될 수 없으므로 12입니다. 이처럼 계산동 지역에서 고3수학과외를 진행할 때도 먼저 이동 b와 확대 계수 a의 역할을 분리하면 관련 오답을 안정적으로 줄일 수 있습니다.

계산동 고2수학과외 학부모 후기

새 단어 목록을 받아든 뒤에도 아이는 함수의 식과 그래프를 한쪽씩 따로 보지 않고 나란히 놓은 채 비교하고 있더라고요. 다음에 다시 살펴볼 부분도 하나 정해 두었고요. 단어를 외우는 자료인데도 수학 문제를 확인하듯 식과 그래프를 함께 맞춰 보는 모습이 눈에 들어왔어요. 주말 아침 간식을 가져다주러 방에 들어갔다가 함수 문제를 다시 그려 보는 장면도 봤습니다. 그래프를 새로 그린 뒤 식에 적힌 내용과 서로 맞는지 확인하고 있었어요. 예전에는 처음 고른 방식이나 계산한 까닭을 따로 남겨두는 일이 없었는데, 이번에는 같은 조건이 그래프에 제대로 나타나는지 비교하는 과정이 보였습니다. 계산동 수학과외 이야기를 나누던 때에도 이런 장면은 따로 생각하지 못했는데, 그날에는 식 옆에 그래프를 두고 확인하는 순서가 분명했어요.

★★★★★학부모 후기

학교 수행평가 준비를 다시 시작한 날, 아이가 계산한 교점을 그래프 위에 또렷하게 표시해 두었어요. 다음에 이어서 볼 위치까지 정해 놓은 걸 보니, 그냥 답만 적어둔 건 아니더라고요. 계산 결과가 그래프에서 어디에 해당하는지 직접 확인하고 있었습니다. 얼마 전 친구와 공부하고 돌아온 저녁에도 책과 프린트를 정리하다가 그래프 문제의 교점 위치만 따로 표시해 둔 흔적을 보게 됐어요. 예예전에는 자기 판단의 근거를 자료에 남겨두지 않아서 나중에 다시 볼 때 어디서 그렇게 생각했는지 찾기 어려웠거든요. 계산동 수학과외 관련 자료를 챙겨보던 중이라 더 눈에 들어왔는데, 이번에는 계산한 교점과 그래프의 위치가 맞는지 다시 대조하고 있더라고요. 그래프 한쪽에 표시된 점과 이어서 볼 부분이 함께 남아 있었습니다.

★★★★★학부모 후기

문제집 해설지를 정리하던 날, 아이가 해설지와 자기 풀이를 책상 위에 나란히 펼쳐 놓고 있더라고요. 답을 바로 맞춰보는 게 아니라 두 풀이가 처음 갈라지는 한 줄만 골라서 번갈아 살펴보게 됐어요. 계산동 수학과외 관련 자료를 정리하던 중이라 잠깐 보게 됐는데, 꽤 오래 그 부분에 시선이 머물렀습니다. 복습할 때 예전에는 어디서부터 달라졌는지 세세하게 나누기보다 해설 전체를 한 번에 확인하는 모습이었거든요. 그런데 이날은 자기 계산의 흐름을 따라가다가 해설과 어긋난 지점에서 멈추고, 그 한 줄만 다시 비교하더라고요. 새 문제집을 펼쳤을 때도 같은 식으로 풀이를 훑지 않고 처음 달라지는 부분부터 찾았습니다. 해설에서 본 판단과 자기 풀이를 다시 확인한 자리를 그대로 두고 다음 문제로 넘어가는 모습이 보이더라고요.

★★★★★학부모 후기

주말마다 공부 시간을 정해도 아이가 조금만 막히면 금세 지치고 답을 몇 번씩 확인하곤 했습니다. 계산동에서 수학과외를 시작한 뒤 선생님은 지난 숙제를 함께 보며 정답보다 풀이 과정을 먼저 말하게 했고, 이해했는지 살피며 천천히 설명해 주셨습니다. 요즘은 스스로 할 분량을 확인하고 한결 편안한 마음으로 책상에 앉습니다.

★★★★★학부모 후기

계산동에서 수학 수업을 시작한 뒤, 아이가 틀린 문제를 다시 보는 태도가 조금씩 달라졌습니다. 예전에는 선생님이 설명하면 이해했다고 넘겼지만, 요즘은 풀이를 천천히 말해 보고 모르는 부분도 숨기지 않습니다. 시험 계획을 세울 때도 맞힌 문제를 우연히 푼 것은 아닌지 살펴보며 틀린 이유부터 생각하는 모습이 보여 성적보다 반갑게 느껴졌습니다.

★★★★★학부모 후기

계산동에서 수학과외를 시작한 뒤, 아이가 오답을 따로 모아 보여주던 날 선생님은 맞힌 문제보다 왜 망설였는지를 먼저 물어봐 주셨습니다. 수행평가와 시험공부가 겹쳐 집중이 흐트러진 주에도 그날 꼭 다시 볼 내용만 몇 가지로 줄여 정리해 주고, 설명 속도보다 이해했는지를 살폈습니다. 요즘은 한 문제에서 막혀도 답을 계속 확인하기보다 끝까지 다시 풀어보려는 모습이 보여 공부를 대하는 마음이 한결 편해졌습니다.

★★★★☆학부모 후기