Входим через Telegram…
Конспект и транскрипт одним файлом
Загрузите его в ChatGPT, Claude или NotebookLM и спрашивайте по занятию: что говорили про задания и сроки, объясни непонятную тему, составь вопросы для повторения.
На этом занятии завершается тема вариационных рядов: рассматриваются все его числовые характеристики и начинается выборочный метод.
Мы перешли от теории вероятностей к математической статистике. Разница принципиальная. В теории вероятностей мы вычисляли вероятности значений случайной величины заранее, теоретически. В статистике мы наблюдаем значения признака и просто подсчитываем их частоты — сколько раз какое значение встретилось.
🗣 Преподаватель сказал: «Здесь мы как будто бы наблюдаем случайные величины, но мы их именно наблюдаем, и мы подсчитываем их частотность».
На прошлых занятиях были введены вариационные ряды. Напомним два их вида:
Сегодняшняя задача — научиться считать числовые характеристики такого ряда. Их делят на три группы: средние величины, показатели вариации и моменты.
Эти характеристики показывают, какое значение признака для нас типично, ожидаемо.
Обозначается буквой с чертой сверху. Считается так: единица, делённая на N (число наблюдений), умноженная на сумму произведений каждого значения признака на его частоту. Если уже посчитаны относительные частоты (частость = частота, делённая на общее число наблюдений), то можно сразу складывать произведения значений на относительные частоты — и делить уже ничего не надо.
📐 Разбор формулы:
- x̄ (буква с чертой) — средняя арифметическая признака;
- N — общее число наблюдений;
- xᵢ — значение признака (для интервала — середина интервала);
- nᵢ — частота значения; ωᵢ = nᵢ/N — относительная частота (частость);
- формула: x̄ = (1/N)·Σ xᵢ·nᵢ = Σ xᵢ·ωᵢ.
Как работает: это «взвешенное» среднее: каждое значение учитывается тем сильнее, чем чаще оно встречается. Это статистический аналог математического ожидания, где роль вероятностей играют частости.
💡 Понятнее: это просто «обычное среднее», но когда одни значения встречаются чаще других, каждое берётся со своим весом — со своей частотой.
Для дискретного ряда считаем прямо по таблице. Для интервального ряда вместо самого значения берём середину интервала (например, для интервала от 96 до 100 серединой будет 97).
🗣 Преподаватель сказал: «Это аналог математического ожидания… то значение, которое наиболее ожидаемое». При этом «наиболее ожидаемое» и «наиболее вероятное» — не одно и то же; наиболее вероятное — это уже про моду.
Медиана — это середина ранжированного ряда (то есть ряда, выстроенного по возрастанию или убыванию). Если у нас просто набор данных — выстроили и взяли середину, проблем нет. Но мы работаем с уже обработанными данными (частоты сосчитаны и сгруппированы), поэтому нужны формулы.
Для дискретного ряда:
Но в таблице вариационного ряда отдельных вариант с такими номерами уже не видно — данные сгруппированы. Поэтому практическое правило: медиана — это значение признака в той группе, где накопленная частота впервые превышает половину числа наблюдений.
💡 Понятнее: накопленная частота — это «сколько наблюдений набралось к этому значению включительно». Идём по ряду, складываем частоты нарастающим итогом; как только перевалили за половину — это и есть группа медианы.
Для интервального ряда сначала ищут медианный интервал — тот, где накопленная частота впервые больше половины наблюдений. Затем медиану внутри него находят по формуле: к нижней границе медианного интервала прибавляют дробь, в числителе которой стоит (половина всех наблюдений минус накопленная частота предыдущего интервала), в знаменателе — частота самого медианного интервала, и всё это умножают на ширину интервала.
📐 Разбор формулы:
- Me — медиана; формула: Me = x₀ + h·(N/2 − S₋₁)/n_Me;
- x₀ — нижняя граница медианного интервала;
- h — ширина интервала;
- N/2 — половина всех наблюдений;
- S₋₁ — накопленная частота интервала, предшествующего медианному;
- n_Me — обычная (не накопленная) частота медианного интервала.
Как работает: медиана делит наблюдения пополам и почти всегда попадает внутрь интервала. Формула «достраивает» точное положение медианы внутри медианного интервала: дробь показывает, какую долю интервала нужно пройти от его начала, чтобы набрать ровно половину наблюдений. Важно не перепутать накопленную частоту предыдущего интервала и обычную частоту медианного.
⚠️ Уточнение: в формуле участвуют именно накопленная частота предыдущего интервала и обычная (не накопленная) частота медианного интервала — их легко перепутать.
Самая простая характеристика: мода — это варианта с наибольшей частотой. Для интервального ряда модой берут середину того интервала, у которого частота максимальна.
🗣 Преподаватель сказал: про моду «точно можем сказать, что это наиболее вероятное значение признака». В разобранном дискретном примере мода и медиана совпали, но это вовсе не обязательно — обычно три средние величины близки к матожиданию, но различаются.
Если средние говорят, чего ожидать, то показатели вариации говорят про рассеивание, разброс значений вокруг среднего.
📐 Разбор формулы:
- S² — выборочная дисперсия (мера разброса вокруг средней);
- xᵢ — значение признака; x̄ — средняя арифметическая; (xᵢ − x̄) — отклонение от средней;
- ωᵢ — относительная частота; формула: S² = Σ(xᵢ − x̄)²·ωᵢ;
- рабочий вариант: S² = (среднее x²) − (x̄)² — «средний квадрат минус квадрат среднего».
Как работает: дисперсия усредняет квадраты отклонений от средней (квадрат не даёт плюсам и минусам гаситься). Рабочая формула короче: считают средний квадрат значений и вычитают квадрат средней. Это статистический аналог дисперсии D(X) случайной величины.
📐 Разбор формулы:
- S — выборочное среднее квадратическое отклонение; S² — дисперсия; √ — корень.
Как работает: так как дисперсия выражена в квадрате размерности, из неё берут корень, чтобы вернуться к единицам признака. S показывает типичный разброс значений вокруг средней.
📐 Разбор формулы:
- Ṽ (буква с тильдой) — коэффициент вариации; формула: Ṽ = (S / x̄)·100 %;
- S — среднее квадратическое отклонение; x̄ — средняя арифметическая.
Как работает: коэффициент измеряет разброс относительно средней, а не в абсолютных единицах, поэтому позволяет сравнивать разнородные признаки. Если он больше 100 %, признак считают неоднородным (значения сильно различаются).
⚠️ Уточнение: если коэффициент вариации больше 100%, говорят о неоднородности признака — его значения сильно отличаются друг от друга. В разобранных примерах получились 7–8% и около 29% — то есть признаки достаточно однородные.
Эта группа полностью аналогична тому, что было для случайных величин, только вместо вероятностей подставляются относительные частоты.
Через центральные моменты выражаются два важных коэффициента формы:
📐 Разбор формулы:
- A — коэффициент асимметрии; формула: A = μ₃ / S³;
- μ₃ — центральный момент 3-го порядка (среднее кубов отклонений от средней);
- S³ — среднее квадратическое отклонение в кубе (для обезразмеривания).
Как работает: нечётная третья степень сохраняет знак отклонений, поэтому у симметричного ряда кубы влево и вправо компенсируются и A = 0. Длинный хвост вправо даёт A > 0, влево — A < 0.
📐 Разбор формулы:
- E — эксцесс; формула: E = μ₄ / S⁴ − 3;
- μ₄ — центральный момент 4-го порядка (среднее четвёртых степеней отклонений);
- S⁴ — среднее квадратическое отклонение в четвёртой степени (для обезразмеривания);
- −3 — поправка, обнуляющая эксцесс у нормального распределения.
Как работает: μ₄ чувствителен к крупным отклонениям (хвостам). У нормального распределения μ₄/S⁴ = 3, поэтому тройку вычитают, делая нормальное эталоном с E = 0. Положительный E — острая («пикообразная») вершина, отрицательный — пологая.
➕ Преподаватель не упомянул: положительный эксцесс означает более острый, «пикообразный» график по сравнению с нормальным, а отрицательный — более пологий. В разобранном интервальном примере асимметрия вышла отрицательной (левосторонней), а эксцесс около −0,26, что на полигоне выглядело как островершинная, чуть смещённая влево кривая.
В статистике мы наблюдаем значение некоторого признака. Замерить его можно у всех объектов сразу — но это дорого (пример: всероссийская перепись населения) или вообще невозможно (пример: чтобы проверить качество партии консервов, пришлось бы вскрыть и тем самым уничтожить каждую банку). Поэтому обычно обследуют только часть объектов.
Ключевые понятия:
⚠️ Уточнение: главное требование к выборке — репрезентативность: она должна правильно представлять все основные характеристики генеральной совокупности. Репрезентативность обеспечивает прежде всего случайность отбора.
Виды выборки: случайная (элементы выбирают наугад), механическая (берут через равные интервалы, например каждый десятый элемент), типическая (случайно отбирают из заранее выделенных типических групп), серийная (отбирают целые группы-серии, а не отдельные элементы).
Способы образования выборки: повторный отбор (обследованный элемент возвращается обратно и теоретически может быть выбран снова) и бесповторный отбор (элемент не возвращается — как со вскрытой банкой консервов).
Характеристики генеральной совокупности оценивают по тем же характеристикам выборки (средняя, дисперсия, доля). Формулы те же самые; разница в обозначениях: для выборки дисперсия S², для генеральной совокупности σ². Везде, где для выборки стояла маленькая n, для генеральной совокупности ставится большая N — всё остальное идентично.
💡 Понятнее: разобранные ранее вариационные ряды (50 или 100 рабочих) — это и были выборки. По ним и судят о всей генеральной совокупности.
Следующая тема — оценка параметров, затем проверка статистических гипотез.
Занятие начинается с напоминания: мы уже вошли в математическую статистику и разобрали вариационные ряды — одно из базовых её понятий. На прошлом занятии дали определения, разобрали графическое представление ряда и остановились на его характеристиках. Сегодня — сами характеристики и начало новой темы.
Ключевое отличие статистики от теории вероятностей: в теории вероятностей мы вычисляли вероятности значений случайной величины, а в статистике мы наблюдаем значения признака и подсчитываем их частотность.
Два вида рядов:
Для разбора берутся два готовых примера: дискретный ряд (тарифные разряды 1–6, общее число наблюдений 50) и интервальный ряд (выработка в отчётном году в процентах к предыдущему, общее число наблюдений 100).
Обозначается чертой сверху. Формула: единица, делённая на N (число наблюдений), умноженная на сумму произведений значений признака на их частоты. Если введена относительная частота (частость = частота / общее число наблюдений), формула записывается как сумма произведений значений на относительные частоты.
📐 Разбор формулы:
- x̄ (буква с чертой) — средняя арифметическая; N — число наблюдений;
- xᵢ — значение признака (для интервала — середина интервала);
- nᵢ — частота; ωᵢ = nᵢ/N — относительная частота;
- формула: x̄ = (1/N)·Σ xᵢ·nᵢ = Σ xᵢ·ωᵢ.
Как работает: это «взвешенное» среднее: частые значения учитываются сильнее. Статистический аналог матожидания, где роль вероятностей играют частости.
Дискретный пример (тарифные разряды): считаем прямо по таблице.
(1·2 + 2·3 + 3·6 + 4·8 + 5·22 + 6·9) = 222, делим на 50:
средняя арифметическая = 4,4.
Это аналог математического ожидания — наиболее ожидаемое значение. Разряд 4,4 в реальности не встречается, ожидаем 4.
Интервальный пример (выработка): за значение варианты берём середину интервала. Шаг (ширина) интервала равен 6 (например, в интервале 94–100 серединой берут 97). Дальше каждую середину умножают на соответствующую относительную частоту и складывают:
97·0,03 + 103·0,07 + 109·0,11 + 115·0,2 + 121·0,28 + 127·0,19 + 133·0,1 + 139·0,02
средняя арифметическая ≈ 119,2%.
Определение: медиана — середина ранжированного ряда наблюдений (расположенного по возрастанию или убыванию).
Дискретный ряд:
Но в таблице вариационного ряда отдельных вариант не видно (данные сгруппированы, частоты подсчитаны). Поэтому правило: медиана — значение признака в той группе, где накопленная частота больше половины числа наблюдений.
Считаем накопленные частоты дискретного примера:
2 → 5 → 11 → 19 → 41 → 50.
Наблюдений 50, половина = 25. Накопленная частота впервые превышает 25 в группе со значением 5 (накопленная 41).
Медиана = 5. (25-я и 26-я варианты попадают в эту группу.)
Интервальный ряд: сначала находят медианный интервал — тот, где накопленная частота впервые больше половины наблюдений. Затем считают по формуле:
медиана = (нижняя граница медианного интервала) + ((0,5·N − накопленная частота предыдущего интервала) / частота медианного интервала) · (ширина интервала)
📐 Разбор формулы:
- Me — медиана; x₀ — нижняя граница медианного интервала; h — ширина интервала;
- 0,5·N — половина всех наблюдений; S₋₁ — накопленная частота интервала перед медианным;
- n_Me — обычная (не накопленная) частота медианного интервала;
- формула: Me = x₀ + h·(0,5N − S₋₁)/n_Me.
Как работает: медиана делит наблюдения пополам и попадает внутрь медианного интервала. Дробь показывает, какую долю интервала пройти от его начала, чтобы набрать ровно половину наблюдений. Важно не перепутать накопленную частоту предыдущего интервала и обычную частоту медианного.
Где:
Интервальный пример: N = 100, половина = 50. Накопленная частота впервые больше 50 = 69 — это медианный интервал (пятый по номеру). Данные: нижняя граница = 118; накопленная предыдущего = 41; частота медианного = 28; ширина = 6.
118 + ((0,5·100 − 41)/28)·6 = 118 + (9/28)·6 ≈ 118 + 1,93
Медиана ≈ 119,93.
Медиана и средняя арифметическая — в общем случае разные значения, но близкие к математическому ожиданию; медиану можно использовать как оценку, если средняя неизвестна.
Определение: мода — варианта с наибольшей частотой.
Дискретный пример: наибольшая частота (22) у значения 5 → мода = 5. (Здесь мода и медиана совпали, но это не обязательно.)
Интервальный пример: берут середину интервала с наибольшей частотой → мода = 121.
Итог по группе 1: средние величины (средняя арифметическая, медиана, мода) показывают значения, которые можно ожидать; про моду точно говорят, что это наиболее вероятное значение признака.
Показывают рассеивание, разброс значений.
Обозначается R — разность наибольшего и наименьшего значений варианты. Самый простой показатель (использовался при определении шага).
Сумма произведений квадратов отклонений значений признака от средней арифметической на относительные частоты. Эквивалентная рабочая формула: средний квадрат минус квадрат среднего.
📐 Разбор формулы:
- S² — выборочная дисперсия; xᵢ — значение, x̄ — средняя; (xᵢ − x̄) — отклонение;
- ωᵢ — относительная частота; формула: S² = Σ(xᵢ − x̄)²·ωᵢ;
- рабочий вид: S² = (средний квадрат значений) − (x̄)².
Как работает: усредняет квадраты отклонений от средней (квадрат не даёт плюсам и минусам гаситься). Рабочая формула считает средний квадрат значений и вычитает квадрат средней. Это аналог дисперсии D(X) случайной величины.
Дискретный пример (через средний квадрат минус квадрат среднего):
Средний квадрат: (1²·2 + 2²·3 + 3²·6 + 4²·8 + 5²·22 + 6²·9)/50 = 1070/50 = 21,4.
Дисперсия: S² = 21,4 − 4,44² ≈ 21,4 − 19,7 ≈ 1,664.
Интервальный пример:
Средний квадрат: 97²·0,03 + 103²·0,07 + … + 139²·0,02 = 14 296,12.
Дисперсия: S² = 14 296,12 − 119,2² ≈ 87,48.
Корень квадратный из дисперсии. Даёт разброс в размерности самой величины.
📐 Разбор формулы:
- S — среднее квадратическое отклонение; S² — дисперсия; √ — корень.
Как работает: дисперсия в квадрате размерности, поэтому из неё берут корень, возвращаясь к единицам признака. S показывает типичный разброс значений вокруг средней.
S = √1,664 ≈ 1,29 (разброс «вправо-влево» от среднего).S = √87,48 ≈ 9,35.Обозначается тильдой сверху. Отношение среднего квадратического отклонения к средней арифметической, в процентах.
📐 Разбор формулы:
- Ṽ (с тильдой) — коэффициент вариации; формула: Ṽ = (S / x̄)·100 %;
- S — среднее квадратическое отклонение; x̄ — средняя арифметическая.
Как работает: измеряет разброс относительно средней, поэтому годится для сравнения разнородных признаков. Больше 100 % — признак неоднородный (значения сильно различаются).
9,35 / 119,2 · 100% ≈ 7,8%.1,29 / 4,44 · 100% ≈ 29,25%.Если коэффициент вариации больше 100% — признак неоднородный (значения существенно отличаются, требуют особого внимания). В обоих примерах признаки однородные.
Полностью аналогичны моментам случайной величины, но вместо вероятности — относительная частота.
Начальный момент k-го порядка = сумма произведений k-й степени значения случайной величины на относительную частоту. Начальный момент 1-го порядка совпадает со средней арифметической.
Центральный момент k-го порядка = сумма произведений k-й степени отклонения значения от средней арифметической на относительную частоту.
📐 Разбор формул:
- k — порядок момента (степень); xᵢ — значение; x̄ — средняя; ωᵢ — относительная частота;
- начальный момент: νₖ = Σ xᵢᵏ·ωᵢ (среднее k-й степени значений);
- центральный момент: μₖ = Σ(xᵢ − x̄)ᵏ·ωᵢ (среднее k-й степени отклонений от средней).
Как работает: моменты обобщают среднюю и дисперсию, но вместо вероятностей берут частости. Начальный момент 1-го порядка совпадает со средней x̄; центральный момент 1-го порядка всегда 0 (отклонения гасятся), а 2-го порядка равен дисперсии S². Моменты высших порядков описывают форму распределения.
Асимметрия (A) — отношение центрального момента третьего порядка к среднему квадратическому отклонению в кубе.
Эксцесс (E) — отношение центрального момента четвёртого порядка к среднему квадратическому отклонению в четвёртой степени, минус 3. Тройку вычитают потому, что для нормального распределения эта величина равна 3 (его принимают за эталон с нулевым эксцессом). Эксцесс — показатель крутости (островершинности).
📐 Разбор формул:
- A — асимметрия; формула: A = μ₃ / S³ (μ₃ — центральный момент 3-го порядка, S³ — СКО в кубе);
- E — эксцесс; формула: E = μ₄ / S⁴ − 3 (μ₄ — центральный момент 4-го порядка, S⁴ — СКО в 4-й степени).
Как работает: деление на степень СКО делает обе характеристики безразмерными. Нечётная степень в A сохраняет знак отклонений: A > 0 — хвост вправо, A < 0 — влево, A = 0 — симметрия. У нормального распределения μ₄/S⁴ = 3, поэтому в E вычитают тройку: положительный E — острая вершина, отрицательный — пологая.
Готовые значения для интервального примера: асимметрия ≈ −2 (левосторонняя), эксцесс ≈ −0,26. По гистограмме видно смещение влево, по полигону (по серединкам) — достаточно крутой, пикообразный график.
В статистике наблюдают значение признака. Замерять можно у всех объектов, но это дорого (всероссийская перепись населения) или физически невозможно (проверка качества партии консервов потребовала бы вскрыть каждую банку и уничтожить партию). Поэтому обследуют часть объектов.
Определения:
Главное условие: выборка должна быть репрезентативной — правильно представлять все основные характеристики генеральной совокупности. Обеспечивается прежде всего случайностью отбора.
Виды выборки:
Способы образования выборки:
Характеристики: генеральную совокупность оценивают по характеристикам выборки (средняя арифметическая, дисперсия, доля/частота). Формулы те же самые. Различие в обозначениях: дисперсия выборки — S², дисперсия генеральной совокупности — σ² (сигма-квадрат, так как сигма — среднее квадратическое отклонение). Везде, где для выборки стояла маленькая n, для генеральной совокупности ставится большая N; остальное идентично.
Ранее разобранные вариационные ряды (50 и 100 рабочих) — это и были выборки.
Следующая тема — оценка параметров, затем проверка статистических гипотез и элементы корреляционного анализа.
Загружаю транскрипт…