28. Desviación estándar

La desviación estándar es la raíz cuadrada de la varianza. Resume una distancia típica respecto de la media y expresa la dispersión en las mismas unidades que los datos.

28.1 Introducción

La varianza es útil para cálculos, pero queda expresada en unidades cuadradas. La desviación estándar devuelve el resultado a la unidad original y facilita la interpretación.

Se usa para describir variabilidad, comparar mediciones dentro de una misma escala, estandarizar valores y construir modelos estadísticos.

28.2 Relación con la varianza

Desviación estándar poblacional: σ = √σ²
Desviación estándar muestral: s = √s²

Si la varianza poblacional es 2,67, la desviación estándar es aproximadamente √2,67 = 1,63. Si la varianza muestral es 4, la desviación estándar muestral es 2.

28.3 Cálculo paso a paso

Para los datos 2, 4 y 6:

Media = 4
Desviaciones: −2, 0, 2
Cuadrados: 4, 0, 4
Varianza poblacional = 8 / 3 ≈ 2,67
Desviación estándar = √2,67 ≈ 1,63

La desviación estándar no es necesariamente la distancia exacta de cada dato a la media; es un resumen de las distancias cuadráticas.

28.4 Unidades originales

VariableVarianzaDesviación estándar
Tiempo25 ms²5 ms
Temperatura16 °C²4 °C
Consumo9 kWh²3 kWh

La raíz cuadrada no es solo una operación formal: hace que la medida pueda compararse directamente con los datos y con la media.

28.5 Población y muestra

La fórmula depende del objetivo:

Población: σ = √[Σ(xᵢ − μ)² / N]

Muestra: s = √[Σ(xᵢ − x̄)² / (n − 1)]

Debe indicarse cuál se utilizó. La desviación muestral suele ser algo mayor que la poblacional calculada sobre los mismos datos porque utiliza un divisor menor.

28.6 Laboratorio interactivo

Observa la media, la desviación estándar y el intervalo media ± una desviación estándar para distintas distribuciones.

Explorador de la desviación estándar

Tu navegador no puede mostrar el gráfico. El resumen textual aparece debajo.

28.7 Interpretación como distancia típica

Decir que una muestra tiene media 100 ms y desviación estándar 10 ms indica que las desviaciones respecto de la media tienen una magnitud típica del orden de 10 ms, según la forma de la distribución.

No significa que todos los datos estén entre 90 y 110. Para conocer proporciones concretas hay que observar la distribución o aplicar condiciones como la regla empírica.

28.8 Regla empírica

En una distribución aproximadamente normal:

Aproximadamente 68 % dentro de μ ± 1σ
Aproximadamente 95 % dentro de μ ± 2σ
Aproximadamente 99,7 % dentro de μ ± 3σ

La regla no se aplica automáticamente a cualquier lista. Con distribuciones asimétricas, discretas o con extremos, los porcentajes pueden diferir mucho.

28.9 Puntaje z

El puntaje z expresa cuántas desviaciones estándar separan un valor de la media:

z = (x − μ) / σ

Para una muestra: z = (x − x̄) / s

Un z positivo está por encima de la media y uno negativo por debajo. z = 2 indica una distancia de dos desviaciones estándar en dirección positiva.

28.10 Efecto de valores extremos

Como la desviación estándar deriva de cuadrados, un valor alejado puede aumentarla considerablemente:

A: 10, 11, 12, 13, 14 → σ ≈ 1,41
B: 10, 11, 12, 13, 100 → σ ≈ 35,28

La desviación estándar no está equivocada: refleja la dispersión causada por el 100. Si ese valor es un error o pertenece a otra población, la decisión debe documentarse.

28.11 Desviación estándar y RIC

MedidaCentro asociadoResistenciaUso habitual
Desviación estándarMediaSensible a extremos.Datos aproximadamente simétricos y modelos.
RICMedianaMás resistente.Datos asimétricos o con outliers.

La pareja centro-dispersión debe ser coherente: media con desviación estándar, o mediana con RIC, aunque el contexto puede justificar otras combinaciones.

28.12 Propiedades de escala

Si se suma una constante a todos los datos, la desviación estándar no cambia. Si se multiplican por c, se multiplica por |c|:

SD(X + c) = SD(X)
SD(cX) = |c| × SD(X)

Convertir segundos a milisegundos multiplica la desviación estándar por 1000, mientras que trasladar todas las temperaturas 5 grados no cambia su dispersión.

28.13 Comparar grupos

La desviación estándar permite comparar variabilidad cuando las variables tienen la misma unidad y escala. Si las medias son muy diferentes, puede convenir el coeficiente de variación, siempre que la media sea positiva y no cercana a cero.

Una desviación estándar menor no siempre implica mejor rendimiento: depende de si se busca estabilidad, amplitud o capacidad de alcanzar valores altos.

28.14 Datos agrupados

Con frecuencias, la desviación estándar se calcula a partir de desviaciones ponderadas:

σ² = Σ[fᵢ × (xᵢ − μ)²] / Σfᵢ
σ = √σ²

En intervalos se usa la marca de clase, por lo que el resultado es aproximado y puede subestimar o distorsionar la variabilidad interna.

28.15 Implementación en JavaScript

El ejemplo calcula media, varianza, desviación estándar e intervalo media ± una desviación estándar.

const datos = [2, 4, 6, 8, 10];
const media = datos.reduce((suma, valor) => suma + valor, 0) / datos.length;
const sumaCuadrados = datos.reduce((suma, valor) => suma + (valor - media) ** 2, 0);
const varianza = sumaCuadrados / datos.length;
const desviacion = Math.sqrt(varianza);
const inferior = media - desviacion;
const superior = media + desviacion;

console.log('Media:', media);
console.log('Varianza poblacional:', varianza.toFixed(2));
console.log('Desviación estándar:', desviacion.toFixed(2));
console.log('Intervalo media ± desviación:', inferior.toFixed(2), 'a', superior.toFixed(2));

if (typeof document !== 'undefined') {
  const canvas = document.getElementById('canvasDesvioCodigo');
  const contexto = canvas.getContext('2d');
  const area = { izquierda: 70, derecha: 770, arriba: 60, base: 350 };
  const escalaX = valor => area.izquierda + (valor - 0) / 12 * (area.derecha - area.izquierda);

  contexto.clearRect(0, 0, canvas.width, canvas.height);
  contexto.fillStyle = '#fbfffd'; contexto.fillRect(0, 0, canvas.width, canvas.height);
  contexto.fillStyle = '#173d37'; contexto.font = 'bold 18px Segoe UI, Arial'; contexto.fillText('Desviación estándar', 22, 30);
  contexto.strokeStyle = '#d3ebe4'; contexto.lineWidth = 1; contexto.beginPath(); contexto.moveTo(area.izquierda, 230); contexto.lineTo(area.derecha, 230); contexto.stroke();
  contexto.fillStyle = '#28685e'; contexto.font = '12px Segoe UI, Arial'; contexto.textAlign = 'center';
  for (let valor = 0; valor <= 12; valor += 2) { const x = escalaX(valor); contexto.beginPath(); contexto.moveTo(x, area.arriba); contexto.lineTo(x, area.base); contexto.stroke(); contexto.fillText(valor, x, area.base + 18); }
  contexto.fillStyle = '#8ed1c2'; datos.forEach(valor => { contexto.beginPath(); contexto.arc(escalaX(valor), 230, 7, 0, Math.PI * 2); contexto.fill(); });
  contexto.strokeStyle = '#168a78'; contexto.lineWidth = 8; contexto.beginPath(); contexto.moveTo(escalaX(inferior), 300); contexto.lineTo(escalaX(superior), 300); contexto.stroke();
  contexto.fillStyle = '#168a78'; contexto.font = 'bold 13px Segoe UI, Arial'; contexto.fillText(`Media ± σ: ${inferior.toFixed(2)} a ${superior.toFixed(2)}`, (escalaX(inferior) + escalaX(superior)) / 2, 325);
  contexto.strokeStyle = '#c2410c'; contexto.lineWidth = 3; contexto.beginPath(); contexto.moveTo(escalaX(media), area.arriba); contexto.lineTo(escalaX(media), area.base - 30); contexto.stroke(); contexto.fillStyle = '#c2410c'; contexto.fillText(`Media: ${media}`, escalaX(media), area.base - 8);
}
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28.16 Accesibilidad y comunicación

El resultado debe indicar si es poblacional o muestral, la unidad, el centro, el tamaño de muestra y la fórmula utilizada. Conviene acompañar la desviación estándar con el intervalo que ayuda a interpretarla.

Las zonas media ± σ deben etiquetarse con texto y no solo con colores.

28.17 Errores frecuentes

  • Informar la varianza cuando se quería la desviación estándar.
  • Olvidar aplicar la raíz cuadrada.
  • Usar el divisor incorrecto entre población y muestra.
  • Interpretar media ± σ como un límite que contiene todos los datos.
  • Aplicar la regla 68-95-99,7 a distribuciones no aproximadamente normales.
  • Comparar desviaciones estándar de unidades diferentes.
  • Redondear la media antes de calcular las desviaciones.

28.18 Qué debes recordar de este tema

  • La desviación estándar es la raíz de la varianza.
  • Está expresada en las unidades originales.
  • La fórmula poblacional divide por N y la muestral por n − 1.
  • Es una medida de distancia típica, no un límite absoluto.
  • Los valores extremos pueden aumentarla mucho.
  • La regla empírica requiere una distribución aproximadamente normal.
  • El puntaje z mide cuántas desviaciones separan un valor de la media.

28.19 Conclusión

La desviación estándar convierte la varianza en una medida interpretable en la escala original. Es una herramienta central para describir dispersión y comparar valores con su media.

Su lectura debe considerar población o muestra, forma de la distribución, extremos y unidades. En el próximo tema estudiaremos el coeficiente de variación.