Умблик
Справочник вероятности
Статистика и данные
Вероятность и статистика · Статистика и данные

Случайная изменчивость и гистограмма

Как увидеть разброс данных, сгруппировать наблюдения и правильно читать столбцы гистограммы.

6 минут на чтениеЗаданий для самопроверки: 3

Чему научимся

Тема помогает увидеть форму данных, сравнить группы и не спутать высокий узкий столбец с большей численностью. Она также отделяет естественные колебания от систематических причин и ошибок измерения.

Главная идея. Случайная изменчивость проявляется в разбросе повторных наблюдений, а гистограмма группирует числовые значения по интервалам. При разных ширинах именно площадь столбца должна кодировать частоту.

План рассуждения и проверка понимания
  1. Проверьте единицы, границы интервалов и правило включения конечных точек, чтобы каждое наблюдение попало ровно в один столбец.
  2. Посчитайте nⱼ и относительную частоту nⱼ/n; при разных ширинах wⱼ вычислите высоту плотности nⱼ/(n·wⱼ).
  3. Проверьте, что площади столбцов дают нужные доли и суммируются в единицу, затем интерпретируйте форму с учётом выбора ширины интервалов.

Частая ошибка. Сравнивать только высоты столбцов разной ширины или строить гистограмму как диаграмму категорий, оставляя произвольные промежутки между числовыми интервалами.

Как проверить себя. У гистограммы числовая ось и ширина имеют смысл: при неодинаковых интервалах частоту показывает площадь, поэтому высоту нормируют делением на ширину.

Схема к теме

Наглядная модель: Случайная изменчивость и гистограмма

Как увидеть разброс данных, сгруппировать наблюдения и правильно читать столбцы гистограммы.

Наглядная модель: Случайная изменчивость и гистограммаКак увидеть разброс данных, сгруппировать наблюдения и правильно читать столбцы гистограммы.3 наблюденияA7 наблюденияB5 наблюденияC
  • A: 3 наблюдения — ниже общего уровня
  • B: 7 наблюдения — наибольшее значение
  • C: 5 наблюдения — между крайними
Одинаковая шкала помогает сравнить значения; точный вывод делают по числам, а не только по высоте столбиков. Вывод: Перед вычислением статистики проверьте шкалу, единицы и состав набора данных.
Проверка пониманияОбъясните тему своими словами

Объясните, почему два интервала ширины 1 и 3 с одинаковыми частотами должны иметь разные высоты нормированной гистограммы, но равные площади столбцов.

В хорошем объяснении есть:

  • Использована формула высоты «доля / ширина интервала».
  • Площадь связана с количеством наблюдений, а высота сама по себе — нет.

Почему одинаковые условия дают разные числа

Случайная изменчивость — разброс результатов, который остаётся в принятой модели при повторении наблюдений. На практике различия могут быть связаны и со случайными факторами, и с систематическими причинами, и с ошибками измерения. Название «случайный» не освобождает от проверки метода сбора.

Чтобы увидеть форму большого числового набора, его группируют по неперекрывающимся интервалам. Гистограмма изображает частоты этих интервалов примыкающими прямоугольниками. Правило включения границ задают явно, например [0,5)[0,5) и [5,10][5,10], чтобы значение 5 не попало сразу в две группы.

Высота и площадь

При равных ширинах можно показывать в высоте число наблюдений или относительную частоту, подписав шкалу. При неодинаковых ширинах для корректного сравнения используют плотность частоты: площадь столбца, а не его высота, должна отражать количество данных. В нормированном варианте общая площадь равна 1.

Три примера

  1. Времена 1, 2, 4, 5, 7, 9 делим на [0,5)[0,5) и [5,10][5,10]. В каждом интервале по три наблюдения; 5 входит только во второй.
  2. Из 20 значений 8 лежат в интервале ширины 2. Его относительная частота 8/20=0.48/20=0.4, высота нормированной гистограммы 0.4/2=0.20.4/2=0.2.
  3. Две группы ширины 1 и 3 содержат по 6 из 12 наблюдений. Их площади одинаковы — по 0.5, но высоты равны 0.5 и 1/61/6.

Интерпретация и ошибки

Слишком широкие интервалы скрывают детали, слишком узкие подчёркивают случайные колебания. Сравнивая группы, сохраняйте понятный масштаб и учитывайте объёмы выборок. Гистограмма описывает данные, но не доказывает точную плотность распределения. В отличие от диаграммы категорий, положение и ширина интервала на числовой оси имеют смысл.

Формула, смысл и ограничения

Главные формулы с расшифровкой

hj=njn wjh_j=\frac{n_j}{n\,w_j}

Формула словами: Высота нормированной гистограммы при ширине интервала wⱼ: площадь столбца равна относительной частоте nⱼ/n.

От формулы к наблюдению

Попробуйте самостоятельно

Измените параметры и сопоставьте расчёт с результатами случайного эксперимента.

От простого к сложному

Проверьте себя

Сначала запишите решение самостоятельно. Затем можно открыть намёк, сравнить каждый переход с пошаговым разбором и только после этого посмотреть ответ. Прогресс сохраняется в этом браузере.

Открываем задание…

Открываем задание…

Открываем задание…

Источники и соглашения

Объяснения и задачи — авторские. Источники помогают проверить определения, условия и школьную привязку. Обозначения и параметризация указаны в статье.