Wie berechnet man das harmonische Mittel
Berechnen Sie das harmonische Mittel H = n/Σ(1/xᵢ): Durchschnittsgeschwindigkeiten, P/E, Parallelwiderstände, F1-Score. Vergleich mit arithmetischem und geometrischem Mittel.
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Wie berechnet man das harmonische Mittel ermöglicht es, den passenden Durchschnitt zu finden, wenn Daten Raten, Geschwindigkeiten, Frequenzen oder Verhältnisse darstellen. Die Formel lautet H = n / Σ(1/xᵢ): Anzahl der Elemente geteilt durch die Summe der Kehrwerte. Das harmonische Mittel ist immer ≤ dem geometrischen Mittel, das wiederum ≤ dem arithmetischen Mittel ist (HM-GM-AM-Ungleichung, Cauchy 1821). Verwendet für Geschwindigkeiten bei gleicher Distanz, aggregierte P/E-Verhältnisse, Parallelwiderstände, F1-Scores im maschinellen Lernen, gemäß Standards von Destatis, MPG, Fraunhofer und DIBt.
Formel und Definition
Für n positive Beobachtungen x₁, x₂, ..., xₙ ist das harmonische Mittel: H = n / (1/x₁ + 1/x₂ + ... + 1/xₙ). Für zwei Werte: H = 2x₁x₂ / (x₁ + x₂). Gewichtete Version: H = Σwᵢ / Σ(wᵢ/xᵢ), mit wᵢ als Gewichten.
Die Ungleichung HM ≤ GM ≤ AM gilt immer, mit Gleichheit nur wenn alle Werte identisch sind. Für 40 und 60: H = 48, G = 48,99, A = 50. Die Lücke HM-AM wächst mit der Streuung. Ableitung aus der Theorie verallgemeinerter Mittel von Hardy-Littlewood-Pólya (1934), Standardreferenz in mathematischer Statistik des Max-Planck-Instituts und Fraunhofer-Instituts.
Geschichte und mathematischer Kontext
Das harmonische Mittel wurde von den Pythagoräern (6. Jahrhundert v. Chr.) im Kontext musikalischer Proportionen untersucht: das Verhältnis 1:1/2:1/3 entspricht den Frequenzen konsonanter Intervalle. Archytas von Tarent (430-360 v. Chr.) definierte es als das "dritte Mittel". Cauchy (Cours d'Analyse, 1821) bewies rigoros die HM ≤ GM ≤ AM-Ungleichung.
In modernen Anwendungen verwendet Destatis es für zusammengesetzte Sozialindikatoren. Die Max-Planck-Gesellschaft und das Fraunhofer-Institut wenden es in statistischer Physik an. Der F1-Score im maschinellen Lernen ist ein harmonisches Mittel von Precision und Recall. Das DIBt (Deutsches Institut für Bautechnik) verwendet harmonische Mittel für Wärmeleitfähigkeit von Schichtwänden.
Vergleichstabelle Mittel
| Werte | Arithmetisch | Geometrisch | Harmonisch | Lücke AM-HM |
|---|---|---|---|---|
| 10, 10 | 10,00 | 10,00 | 10,00 | 0% |
| 40, 60 | 50,00 | 48,99 | 48,00 | 4% |
| 1, 100 | 50,50 | 10,00 | 1,98 | 96% |
| 2, 4, 8 | 4,67 | 4,00 | 3,43 | 27% |
| 5, 10, 15, 20 | 12,50 | 10,61 | 9,07 | 27% |
| 30, 50, 70, 90 | 60,00 | 56,12 | 52,03 | 13% |
5 verifizierte Zahlenbeispiele
- Durchschnittsgeschwindigkeit bei gleicher Distanz: Hin 60 km/h und Rück 100 km/h auf gleicher Strecke. Mittlere Geschwindigkeit = H(60, 100) = 75 km/h, NICHT 80 (häufiger AM-Fehler).
- Parallelwiderstände: drei Widerstände 10Ω, 20Ω, 30Ω. R_eq = 1/(1/10+1/20+1/30) = 5,455Ω. Norm DIN EN 60063.
- Aggregiertes Portfolio P/E: 3 Aktien mit P/E 15, 25, 50. Harmonisches Mittel = 22,06; arithmetisches = 30,00. Das harmonische spiegelt das aggregierte Earnings Yield besser wider.
- F1-Score maschinelles Lernen: Precision 0,80 und Recall 0,60. F1 = 0,686. Bestraft den niedrigen Recall-Wert mehr als AM (0,70). Standard scikit-learn-Bibliothek.
- Mittlere Bearbeitungszeit: 4 Maschinen vollenden in 3, 4, 5, 6 Stunden. Harmonisches Mittel = 4,11 Stunden.
Modellgrenzen
- Funktioniert nicht mit Null oder negativen Werten: 1/0 ist undefiniert. Für gemischte Daten verwende AM.
- Empfindlichkeit gegenüber kleinen Ausreißern: ein Wert nahe Null dominiert das Mittel.
- Kontextuelle Interpretation: HM nur bei Raten oder Verhältnissen mit konstantem Nenner verwenden.
Häufige Fehler
- AM für Geschwindigkeiten verwenden: bei gleichen Distanzen aber unterschiedlichen Zeiten ist die Durchschnittsgeschwindigkeit harmonisch.
- F1-Score mit AM: F1 muss harmonisch sein, um unausgewogene Klassifikatoren zu bestrafen.
- Mittleres Index-P/E: Indizes DAX, MSCI World verwenden gewichtetes harmonisches P/E.
- Netzwerkgeschwindigkeit: Bandbreite in Reihe ist harmonisch; parallel ist Summe.
- Mittlere Dichten: für Mischungen bei gleichem Volumen AM; bei gleicher Masse HM.
- Produktivitätsindizes: mittlere Zeit pro Einheit ist harmonisch wenn Einheiten gleich.
Praktische Anwendungen nummeriert
- Mittlere Hin-/Rückreisegeschwindigkeit: 100 km bei 80 km/h und 100 km bei 50 km/h. H = 61,5 km/h.
- Parallelwiderstände Elektronik: Spannungsteiler mit 100Ω, 220Ω, 470Ω: R_eq = 56,5Ω.
- F1-Score ML-Modelle: Precision 0,75 und Recall 0,90: F1 = 0,818. Standard scikit-learn.
- P/E-Verhältnis Indexfonds: ETF mit P/E 12, 18, 25, 40: harmonisches P/E = 19,1.
- Legierungsdichte: Legierungen bei gleicher Masse, mittlere Dichte = HM der einzelnen ρ.
- Reihenkondensatoren: 3 Kondensatoren 10μF, 22μF, 47μF: C_eq = 5,82μF.
- Zusammengesetzte Wärmeleitfähigkeit: Schichtwand senkrecht zum Fluss → HM. DIN EN ISO 6946.
Für technischen Support: info@calcoi.com.
Aktualisiert im Juli 2026
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