Кіріспе
Сандар жиынтығының кері шамаларының орташасының кері мәні математикада гармониялық орташа деп аталады, ол орташа шамалардың бірнеше түрінің бірі, әсіресе Пифагор орташаларының бірі. Орташа жылдамдық қажет болатын жағдайларда оны қолдану тиімді. Гармониялық орташаны берілген деректер жиынтығының кері шамаларының арифметикалық орташасының кері мәні ретінде беруге болады. Мысалы, 1, 4 және 4 сандарының гармониялық орташасы:
In mathematics, the harmonic mean is one of several kinds of average, and in particular, one of the Pythagorean means. It is sometimes appropriate for situations when the average rate is desired. The harmonic mean can be expressed as the reciprocal of the arithmetic mean of the reciprocals of the given set of observations. As a simple example, the harmonic mean of 1, 4, and 4 is
Салмақты гармониялық орташа
Егер салмақтар жиынтығы , , деректер жиынтығына , , сәйкес келсе, салмақталған гармоникалық орташа былай анықталады . Салмақталмаған гармоникалық орташа – барлық салмақтар тең болатын ерекше жағдай ретінде қарастырылуы мүмкін.
The unweighted harmonic mean can be regarded as the special case where all of the weights are equal.
Тығыздығы
Сол сияқты, егер біреу қорытпаның тығыздығын оның құрамдас элементтерінің тығыздықтары мен олардың массалық үлестері (немесе, эквивалентті түрде, массалық пайыздық құрамы) берілгенде бағалауды қаласа, онда қорытпаның болжанған тығыздығы (әдеттегі, атомдардың жиылуына байланысты болатын шағын көлем өзгерістерін ескермегенде) масса бойынша салмақталған жеке тығыздықтардың салмақталған гармоникалық орташасы болады, ал бірінші көзқарастан күткендей, салмақталған арифметикалық орташа емес. Салмақталған арифметикалық орташаны қолдану үшін тығыздықтар көлем бойынша салмақталған болуы керек. Масса бірліктерін элементтер бойынша белгілеп, мәселеге өлшемдік талдау жүргізу және бірдей элементтердің массалары ғана қысқаруын қамтамасыз ету бұл тұжырымды нақтылай түседі.
Электр энергиясы
Егер екі электр кедергісін параллель жалғасатын болсақ, біреуінің кедергісі x (мысалы, 60 Ом) және екіншісінің кедергісі y (мысалы, 40 Ом) болса, нәтижесі екі кедергіні пайдаланғанмен бірдей болады, олардың әрқайсысы x және y-тің гармоникалық орташасына (48 Ом) тең. Эквивалентті кедергі екі жағдайда да 24 Ом-ға (гармоникалық орташаның жартысы) тең болады. Осы принцип конденсаторларды тізбектеп немесе индукторларды параллель жалғаған кезде де қолданылады. Дегенмен, егер кедергілерді тізбектеп жалғасатын болсақ, жалпы кедергі x және y-тің арифметикалық орташасының (50 Ом) екі есесіне, яғни x және y-тің қосындысына (100 Ом) тең болады. Бұл принцип конденсаторларды параллель жалғағанда немесе индукторларды тізбектеп жалғанда да қолданылады. Бұрынғы мысал сияқты, егер барлық кедергілер, конденсаторлар немесе индукторлар параллель немесе тізбектеп жалғанған болса, осы принцип екіден көп элементке де қолданылады. Жартылай өткізгіштің «желілік тиімді массасы» үш кристаллографиялық бағыт бойынша тиімді массалардың гармоникалық орташасы ретінде анықталады.
Оптика
Басқа оптикалық теңдеулерге қатысты, жұқа линза теңдеуі = + түрінде жазылуы мүмкін, осылайша ошақтық қашықтық f нысана u және объект v линзаданғы қашықтықтарының гармониялық орташасының жартысына тең болады. F1 және f2 ошақтық ұзындығы бар екі жұқа линза тізбегі, ошақтық ұзындығы fhm, олардың гармониялық орташасы бар екі жұқа линзаға тең. Оптикалық күш ретінде қарастырылғанда, P1 және P2 оптикалық күштері бар екі жұқа линза тізбегі, олардың арифметикалық орташасы Pam болатын екі жұқа линза тізбегіне тең.
Геометрияда
Кез келген үшбұрышта, іштей сызылған шеңбердің радиусы биіктіктердің гармоникалық орташасының үштен біріне тең. Теңқабырғалы АВС үшбұрышының сырттай сызылған шеңберінің ВС кіші доғасындағы кез келген Р нүктесі үшін, В және С нүктелерінен q және t қашықтықта орналасқан және PA мен BC түзулерінің қиылысы P нүктесінен y қашықтықта болса, y – q және t қашықтықтарының гармоникалық орташасының жартысына тең. А және b катеттері және гипотенузадан тік бұрышқа түсірілген h биіктігі бар тікбұрышты үшбұрышта, h² – a² және b² гармоникалық орташасының жартысына тең. t және s (t > s) – гипотенузасы c болатын тікбұрышты үшбұрышқа іштей сызылған екі квадраттың қабырғалары. Онда s² – c² және t² гармоникалық орташасының жартысына тең. Трапецияның төбелері A, B, C және D тізбекпен орналасқан және AB мен CD параллель қабырғалары бар. Е нүктесі диагональдардың қиылысы болсын, ал F нүктесі DA қабырғасында, G нүктесі BC қабырғасында орналасқан, FEG түзуі AB және CD түзулеріне параллель болсын. Онда FG – AB және DC гармоникалық орташасы. (Бұл ұқсас үшбұрыштар арқылы дәлелденеді.) Бұл трапецияға қатысты нәтиженің бір қолданылуы – қиылысқан екі баспалдақ мәселесінде, екі баспалдақ бір көшеде қарама-қарсы орналасқан, әрқайсысының табандары бір қабырғаның түбінде, біреуі А биіктіктегі қабырғаға, ал екіншісі B биіктіктегі қарама-қарсы қабырғаға сүйеніп тұр, суретте көрсетілгендей. Баспалдақтар көше еденінен h биіктікте қиылысады. Онда h – A және B гармоникалық орташасының жартысына тең. Бұл нәтиже қабырғалар көлбеу болған жағдайда да, бірақ параллель болса да сақталады, ал A, B және h «биіктіктері» қабырғаларға параллель түзулер бойынша еденнен өлшенген қашықтықтар болып табылады. Бұл трапецияның ауданы және аудандарды қосу формуласын қолдану арқылы оңай дәлелденеді. Эллипсте жартылай латус ректумы (фокустан эллипске дейінгі арақашықтық, кіші оське параллель түзу бойында) – эллипстің фокустан ең үлкен және ең кіші арақашықтықтарының гармоникалық орташасына тең.
In a right triangle with legs a and b and altitude h from the hypotenuse to the right angle, h² is half the harmonic mean of a² and b². Let t and s (t > s) be the sides of the two inscribed squares in a right triangle with hypotenuse c. Then s² equals half the harmonic mean of c² and t². Let a trapezoid have vertices A, B, C, and D in sequence and have parallel sides AB and CD. Let E be the intersection of the diagonals, and let F be on side DA and G be on side BC such that FEG is parallel to AB and CD. Then FG is the harmonic mean of AB and DC. (This is provable using similar triangles.) One application of this trapezoid result is in the crossed ladders problem, where two ladders lie oppositely across an alley, each with feet at the base of one sidewall, with one leaning against a wall at height A and the other leaning against the opposite wall at height B, as shown. The ladders cross at a height of h above the alley floor. Then h is half the harmonic mean of A and B. This result still holds if the walls are slanted but still parallel and the "heights" A, B, and h are measured as distances from the floor along lines parallel to the walls. This can be proved easily using the area formula of a trapezoid and area addition formula. In an ellipse, the semi latus rectum (the distance from a focus to the ellipse along a line parallel to the minor axis) is the harmonic mean of the maximum and minimum distances of the ellipse from a focus.
Басқа ғылымдарда
Компьютерлік ғылымда, әсіресе ақпаратты іздеу және машиналық оқыту салаларында, дәлдіктің (нақты оң жағдайлардың болжанған оң жағдайларға қатынасы) және толықтықтың (нақты оң жағдайлардың нақты оң жағдайларға қатынасы) гармоникалық орташасы алгоритмдер мен жүйелерді бағалау үшін жиынтық көрсеткіш ретінде жиі қолданылады: F-мәні (немесе F-өлшемі). Бұл ақпаратты іздеуде қолданылады, себебі маңыздысы тек оң класс ғана, ал теріс жағдайлардың саны көбінесе үлкен және белгісіз болады. Сондықтан, дұрыс оң болжамдарды болжанған оң жағдайлардың санына немесе нақты оң жағдайлардың санына қатысты өлшеу мәселесі туындайды, сондықтан ол екі мүмкін бөлімнің арифметикалық орташасы болып табылатын оң жағдайлардың шамамен санына қатысты өлшенеді. Адамдар немесе жүйелер бірлесіп жұмыс істегенде негізгі алгебрадан туындайтын салдарлар бар. Мысалы, егер газбен жұмыс істейтін сорғы бір бассейнды 4 сағатта, ал аккумулятормен жұмыс істейтін сорғы сол бассейнды 6 сағатта құрғата алса, онда екі сорғы да бірге бассейнды 2,4 сағатта құрғатады. Бұл 6 және 4 сандарының гармоникалық орташасының жартысына тең: яғни, екі түрлі сорғы үшін тиісті орташа – гармоникалық орташа, ал бір жұп сорғы (екі сорғы) үшін бұл гармоникалық орташа уақыттың жартысы, ал екі жұп сорғы (төрт сорғы) үшін бұл гармоникалық орташа уақыттың төрттен бірі қажет болады. Гидрологияда гармоникалық орташа қабаттарға перпендикуляр ағын үшін (мысалы, геологиялық немесе топырақтық) гидравликалық өткізгіштіктің орташа мәндерін есептеу үшін қолданылады. Қабаттарға параллель ағын үшін арифметикалық орташа қолданылады. Орташалаудағы бұл айырмашылық гидрология өткізгіштікті пайдаланатынымен түсіндіріледі, ол кедергіге кері шама. Саберметрияда бейсболшының «Күш-жылдамдық» көрсеткіші – оның хоум-рандары мен ұрланған базаларының гармоникалық орташасы. Популяциялық генетикада халық санының өзгеруінің тиімді халық санына әсерін есептеу үшін гармоникалық орташа қолданылады. Гармоникалық орташа популяцияның тарылуы сияқты жағдайлар генетикалық дрейфті күшейтетінін және популяциядағы генетикалық вариацияны азайтатынын ескереді. Бұл осы тарылудан кейін өте аз жеке тұлғалар гендік қорға үлес қосатынымен байланысты, бұл көптеген буынға созылатын популяциядағы генетикалық вариацияны шектейді. Автомобильдердің жанармай үнемділігін қарастырғанда екі өлшем жиі қолданылады: миль/галлон (mpg) және литр/100 км. Бұл шамалардың өлшемдері бір-біріне кері болғандықтан (біреуі – көлем бойынша арақашықтық, екіншісі – арақашықтық бойынша көлем), автомобильдер тізімі бойынша жанармай үнемділігінің орташа мәнін есептегенде бір өлшем екіншісінің гармоникалық ортасын береді, яғни литр/100 км көрсеткішімен берілген жанармай үнемділігінің орташа мәнін миль/галлонға аударғанда миль/галлон көрсеткішімен берілген жанармай үнемділігінің гармоникалық орташасы шығады. Көлік құралдары автопаркінің жеке тұтынудан орташа жанармай тұтынуын есептеу үшін автопарк миль/галлонды пайдаланса, гармоникалық орташа, ал литр/100 км пайдаланса, арифметикалық орташа қолданылуы керек. АҚШ-та CAFE стандарттары (автомобильдердің жанармай үнемділігі стандарттары) гармоникалық орташаны пайдаланады. Химия және ядролық физикада әртүрлі түрлерден (мысалы, молекулалар немесе изотоптар) тұратын қоспаның бір бөлшегінің орташа массасы әртүрлі түрлердің массаларының олардың тиісті массалық үлесімен салмақталған гармоникалық орташасы арқылы беріледі.
Статистика
Кездейсоқ үлгі үшін гармониялық орташа жоғарыда көрсетілгендей есептеледі. Орташа және дисперсия шексіз болуы мүмкін (егер ол кем дегенде бір мүшесі 1/0 түрінде болса).