質問された方が提示している形(分かりやすいように昇順に変更)
test = np.array([71, 86, 86, 86, 100, 100, 100, 100, 100, 100])
# test.mean() + test.std() = 102.52 > 100
を,数学的に示すのは(私には)難しいですが,
test2 = np.array([86, 86, 86, 86, 100, 100, 100, 100, 100, 100])
# test2.mean() + test2.std() = 101.26 > 100
の形なら,数学的に示せそうです。つまり,命題は
「異なる実数 a, b (a < b)
のみを含み,それぞれの個数が k, m (0 < k < m)
個の集合では mean + std > b
となる」
です。
まず,「平均値が 0
」の条件を加えて考えます。
a0, b0 (a0 < 0 < b0), k, m (0 < k < m)
(a0 * k + b0 * m) / (k + m) = 0 -> a0 * k + b0 * m = 0
が条件なので
r = -a0 / m = b0 / k (r > 0)
とおけて, a0 = -r * m
が k
個, b0 = r * k
が m
個と書けます。次に,分散(標準偏差の2乗)を求めると
var = {(a0 - 0)^2 * k + (b0 - 0)^2 * m} / (k + m)
= {(-r * m - 0)^2 * k + (r * k - 0)^2 * m} / (k + m)
= r^2 * k * m * (m + k) / (k + m)
= r^2 * k * m
> r^2 * k * k because: m > k > 0, r > 0
= (r * k)^2
となります。よって,標準偏差は以下の条件を満たします。
std > r * k = b0
ところで,この平均値が 0
の集合の全ての要素に同じ任意の実数を加算した集合を考えると,標準偏差は変わらず加算値が平均値となります。従って,この集合では
mean + std > mean + b0 = b
となり,上記の命題が示されました。