Gewichtetes geometrisches Mittel

Das geometrische Mittel ist ein Mittelwert; es ist in der Statistik ein geeignetes Mittelmaß für Größen, von denen das Produkt anstelle der Summe interpretierbar ist, z. B. von Verhältnissen oder Wachstumsraten.

Definition

Das geometrische Mittel der n Zahlen $x_1,x_2\ldots,x_n$ ist gegeben durch die n-te Wurzel des Produkts der n Zahlen:

$G(x_1,x_2\ldots,x_n)= \bar{x}_\mathrm{geom} = \sqrt[n]{\prod_{i=1}^n{x_i}} = \sqrt[n]{x_1 \cdot x_2 \cdot \ldots \cdot x_n}$

Eigenschaften

Im Gegensatz zum arithmetischen Mittel ist das geometrische Mittel nur für nichtnegative, Zahlen x_i definiert und meistens nur für echt positive reelle Zahlen sinnvoll, denn wenn ein Faktor gleich null ist, ist schon das ganze Produkt gleich null und für komplexe Zahlen wird es nicht eingesetzt, da die komplexen Wurzeln mehrdeutig sind.

Die Ungleichung vom arithmetischen und geometrischen Mittel besagt, dass das geometrische Mittel nie größer als das arithmetische Mittel ist. Äquivalent dazu gilt:

$\log \bar{x}_\mathrm{geom} = \frac{1}{n}\sum_{i=1}^n \log x_i,$

das heißt der Logarithmus des geometrischen Mittels ist das arithmetische Mittel der Logarithmen, wobei die Basis des Logarithmus beliebig gewählt werden darf, aber auf beiden Seiten die gleiche sein muss.

Analog zum gewichteten arithmetischen Mittel lässt sich ein mit den Gewichten w_i > 0 gewichtetes geometrisches Mittel definieren:

$\bar{x}_\mathrm{geom} = \sqrt[w]{\prod_{i=1}^n x_i^{w_i}}$

wobei $w:=\sum_{i=1}^{n}w_i$. Das arithmetisch-geometrische Mittel ist eine Zahl, die zwischen dem arithmetischen und geometrischen Mittel liegt.

Außerdem gilt

$x_\mathrm{geom}=\sqrt{x_\mathrm{arithm}\cdot x_\mathrm{harm}}$

mit dem arithmetischen und dem harmonischen Mittel.

Anwendungsbeispiele

• Das geometrische Mittel von 3 und 300: $\sqrt{3 \cdot 300} = 30$
• Das Mittel aus einer Verdopplung und nachfolgender Verachtfachung einer Bakterienkultur ist eine Vervierfachung (nicht eine Vermehrung um den Faktor 5).
• Ein Guthaben G wird im ersten Jahr mit zwei Prozent, im zweiten Jahr mit sieben und im dritten Jahr mit fünf Prozent verzinst. Welcher über die drei Jahre konstante Zinssatz p hätte zum Schluss das gleiche Kapital ergeben?

Guthaben G_Ende am Ende des dritten Jahres:

$G_\mathrm{Ende}=\left(1+\frac{2}{100}\right)\left(1+\frac{7}{100}\right)\left(1+\frac{5}{100}\right) G$

oder mit Zinsfaktoren geschrieben

$G_\mathrm{Ende} = 1{,}02 \cdot 1{,}07 \cdot 1{,}05 \cdot G$

Mit konstantem Zinssatz p und zugehörigen Zinsfaktor 1 + p ergibt sich am Ende ein Guthaben von

$G_\mathrm{konst} = (1 + p)^3\; G$

Mit G_konst = G_Ende ergibt sich

$(1+p)^3 G = 1{,}02 \cdot 1{,}07 \cdot 1{,}05 \cdot G$

und damit berechnet sich der durchschnittliche Zinsfaktor 1 + p zu

$1+p=\sqrt[3]{1{,}02 \cdot 1{,}07 \cdot 1{,}05}\approx 1{,}04646$

Der durchschnittliche Zinssatz beträgt also ca. $4{,}646 \%$. Allgemein berechnet sich der durchschnittliche Zinsfaktor also aus dem geometrischen Mittel der Zinsfaktoren der einzelnen Jahre. Wegen der Ungleichung vom arithmetischen und geometrischen Mittel ist der durchschnittliche Zinssatz kleiner oder bestenfalls gleich dem arithmetischen Mittel der Zinssätze, welches in diesem Beispiel $\tfrac{14}{3}\%\approx 4{,}667\%$ beträgt.

Geometrische Interpretation

Das geometrische Mittel zweier Zahlen a und b liefert die Seitenlänge eines Quadrates, das den gleichen Flächeninhalt hat wie das Rechteck mit den Seitenlängen a und b. Genauso entspricht es bei drei Zahlen der Seite eines Würfels der volumengleich ist zu dem Quader mit den drei Seitenlängen und entsprechend im n-dimensionalen bei n Zahlen mittels Hyperwürfeln.

Weblinks

• Eric W. Weisstein: Geometric Mean auf MathWorld (englisch)