Разброс: наибольшее, наименьшее, размах
В уроке «Среднее и медиана» вы находили середину ряда данных — среднее и медиану. Но при одной и той же середине значения могут лежать тесно или далеко друг от друга. В этом уроке опишем это числом: найдем наибольшее и наименьшее значения ряда и его размах и выясним, что меняет размах.
Вот вопрос, к которому мы вернемся в конце. В якутском городе Верхоянске 20 июня 2020 года термометр показал $+38$ °C — Всемирная метеорологическая организация признала это рекордом жары для Арктики. А в феврале 1892 года там же было $-67{,}8$ °C. Как одним числом сказать, насколько разбросана погода в Верхоянске, и честно ли такое число описывает обычный год?
Одна середина — разный разброс
До школы можно доехать двумя маршрутами. Время в пути по каждому записывали пять дней (в минутах). Маршрут А: $18$, $30$, $22$, $35$, $20$. Маршрут Б: $24$, $26$, $25$, $25$, $25$. Среднее у обоих одинаковое: $125 : 5 = 25$ минут. До начала уроков осталось $28$ минут. На какой маршрут можно рассчитывать?
Изобразим каждое значение кирпичиком на числовой оси: одно наблюдение — один кирпичик, как грузики в уроке о среднем и медиане. Кирпичики маршрута А положим на одну ось, кирпичики маршрута Б — на такую же ось под ней. Кирпичики одного ряда вместе образуют стенку.
Что видно на рисунке. Точка равновесия у обеих стенок одна — $25$ минут. Но кирпичики маршрута Б лежат тесно: этот маршрут ни разу не занял больше $26$ минут, на него можно рассчитывать. Кирпичики маршрута А разбросаны от $18$ до $35$: в два дня из пяти ($30$ и $35$ минут) с этим маршрутом вы бы опоздали.
Среднее и медиана отвечают на вопрос «где середина ряда». Чтобы понять, можно ли на эту середину положиться, нужна вторая характеристика — насколько значения разбросаны. Самый простой способ ее измерить — длина стенки от крайнего кирпичика до крайнего.
Крайние кирпичики ищут на оси, а не в записи
Семь учеников прыгали в длину. Их результаты записали в том порядке, в каком они прыгали (в сантиметрах): $312$, $345$, $298$, $360$, $331$, $287$, $340$. Разложим кирпичики по оси и посмотрим, какие из них окажутся крайними.
Определение
Наибольшее значение ряда — самое большое число ряда данных. Наименьшее значение ряда — самое маленькое число ряда данных.
На числовой оси наименьшее значение — крайний левый кирпичик стенки, наибольшее — крайний правый.
Выстраивать весь ряд по порядку не обязательно. Достаточно один раз просмотреть его, держа в памяти самое большое и самое маленькое из уже просмотренных чисел, и сравнивать с ними каждое следующее.
Пример
Найдем наибольшее и наименьшее значения ряда прыжков $312$, $345$, $298$, $360$, $331$, $287$, $340$.
Просматриваем ряд и после каждого числа обновляем самое большое и самое маленькое из просмотренных (таблица ниже).
Ответ: наибольшее значение $360$ см, наименьшее $287$ см.
| Просмотрели число | Самое большое пока | Самое маленькое пока |
|---|---|---|
| $312$ | $312$ | $312$ |
| $345$ | $345$ | $312$ |
| $298$ | $345$ | $298$ |
| $360$ | $360$ | $298$ |
| $331$ | $360$ | $298$ |
| $287$ | $360$ | $287$ |
| $340$ | $360$ | $287$ |
Так же ищут крайние значения в таблице: просматривают все клетки со значениями, а не только первую и последнюю. На столбиковой диаграмме наибольшему значению соответствует столбик, конец которого выше всех по шкале, наименьшему — столбик, конец которого ниже всех. Если есть столбики вниз от нуля, это самый длинный из них, а не самый короткий. Значения читают по шкале.
Ошибка
Решавр взял крайними первое и последнее число записи: «наименьшее $312$, наибольшее $340$».
Проверка на оси: в ряду есть $287$ — этот кирпичик лежит левее $312$, и есть $360$ — он лежит правее $340$. Значит, ни $312$, ни $340$ не крайние.
Где сломалось: ряд записан в порядке прыжков, а не по возрастанию. Первое и последнее число записи — края списка, а не края стенки. Брать их можно, только если ряд уже упорядочен.
Размах — длина стенки
Вернемся к прыжкам. Стенка кирпичиков тянется от $287$ до $360$. Ее длина $360-287 = 73$ см: на столько лучший прыжок длиннее худшего. Эту длину называют размахом ряда.
Определение
Размах ряда — разность между наибольшим и наименьшим значениями ряда:
$$\text{размах} = \text{наибольшее}-\text{наименьшее}$$
На оси размах — длина стенки от крайнего левого кирпичика до крайнего правого. Коротко размах иногда обозначают буквой $R$.
Размах — это длина, поэтому он не бывает отрицательным. Размах равен $0$ только тогда, когда все значения одинаковые: все кирпичики лежат в одной точке. Измеряют размах в тех же единицах, что и данные: в сантиметрах, минутах, градусах. У маршрутов из первого раздела размахи $35-18 = 17$ минут и $26-24 = 2$ минуты — теперь разница в разбросе выражена числом.
Труднее, когда среди значений есть отрицательные. Температура воздуха в полдень за неделю была такой: $-12$, $-5$, $-8$, $3$, $-1$, $-15$, $2$ °C.
Пример
Найдем размах температур $-12$, $-5$, $-8$, $3$, $-1$, $-15$, $2$ °C.
Наибольшее значение — $3$. Наименьшее — $-15$: из отрицательных чисел меньше то, которое дальше от нуля, на оси оно левее всех.
Размах: $3-(-15) = 3 + 15 = 18$ °C.
Проверка по оси: от $-15$ до $0$ — $15$ делений, от $0$ до $3$ — еще $3$, всего $18$.
Ответ: $18$ °C.
Ошибка
Решавр нашел размах так: $15-3 = 12$ °C.
Проверка на оси: только от $-15$ до $0$ уже $15$ делений, и еще $3$ деления до отметки $3$. Стенка длиной $18$, а не $12$.
Где сломалось: Решавр вычитал числа без знаков, как будто $-15$ и $3$ лежат по одну сторону от нуля. Когда края стенки лежат по разные стороны от нуля, части ниже и выше нуля складываются.
Что удлиняет стенку, а что нет
Возьмем ряд $12$, $14$, $15$, $17$, $18$, $20$. Его размах $20-12 = 8$. Добавим к ряду число $16$. Кирпичик ляжет между $15$ и $17$, внутрь стенки. Края прежние, размах по-прежнему $8$. Теперь вместо $16$ добавим $25$. Этот кирпичик ляжет правее $20$ и станет новым краем: размах $25-12 = 13$. Стенка выросла на $5$ — ровно на столько, на сколько кирпичик вышел за прежний край.
Прибавим теперь ко всем числам исходного ряда по $5$: получим $17$, $19$, $20$, $22$, $23$, $25$. Вся стенка переехала вправо, а ее длина та же: $25-17 = 8$. Среднее и медиана переехали вместе с кирпичиками: у исходного ряда они равны $16$, у нового — $21$.
Правило
Размах меняется, только когда меняется наибольшее или наименьшее значение.
- Новое значение между наименьшим и наибольшим размах не меняет.
- Новое значение за краем увеличивает размах на столько, на сколько оно вышло за край.
- Если убрать крайнее значение, размах может уменьшиться.
- Если ко всем значениям прибавить одно и то же число или из всех вычесть одно и то же число, размах не изменится, а среднее и медиана сдвинутся на это число.
Ошибка
Решавр рассуждает: «Добавили к ряду число — значений стало больше, значит, и разброс стал больше».
Проверка на числах: к ряду $12$, $14$, $15$, $17$, $18$, $20$ добавили $16$. Размах был $20-12 = 8$ и остался $20-12 = 8$.
Где сломалось: размах смотрит только на два крайних кирпичика. Сколько кирпичиков лежит внутри стенки, на ее длину не влияет.
Пример
За неделю размах температур составил $17$ °C, самая низкая температура была $-4$ °C. Какой была самая высокая температура?
Размах — длина стенки, а ее левый край известен. Значит, правый край лежит на $17$ делений правее: наибольшее $=$ наименьшее $+$ размах.
$-4 + 17 = 13$ °C.
Проверка: $13-(-4) = 13 + 4 = 17$.
Ответ: $13$ °C.
Выброс растягивает стенку
Пять учеников пробежали $60$ м за $9{,}1$, $9{,}4$, $9{,}0$, $9{,}6$, $9{,}3$ с. Шестой споткнулся и пробежал за $15{,}8$ с: его кирпичик лег далеко от остальных.
Пример
Как изменятся размах и медиана, если к ряду $9{,}1$, $9{,}4$, $9{,}0$, $9{,}6$, $9{,}3$ с добавить $15{,}8$ с?
Новый ряд по возрастанию: $9{,}0$, $9{,}1$, $9{,}3$, $9{,}4$, $9{,}6$, $15{,}8$.
Было: размах $9{,}6-9{,}0 = 0{,}6$ с, медиана $9{,}3$ с. Стало: размах $15{,}8-9{,}0 = 6{,}8$ с, медиана $(9{,}3 + 9{,}4) : 2 = 9{,}35$ с.
Ответ: размах вырос с $0{,}6$ до $6{,}8$ с, медиана — с $9{,}3$ до $9{,}35$ с.
Напомним: выброс — значение, которое сильно отличается от остальных значений ряда. Выброс лежит далеко от остальных кирпичиков, поэтому обычно сам становится краем стенки, и размах на него реагирует очень сильно: здесь размах вырос на $6{,}2$ с, среднее — на $1{,}09$ с (с $9{,}28$ до $62{,}2 : 6 \approx 10{,}37$ с), а медиана — всего на $0{,}05$ с. Среднее и размах выброс сдвигает заметно, медиану — почти нет. Поэтому, если размах ряда неожиданно большой, стоит проверить, нет ли в нем выброса.
У модели стенки есть граница: размах видит только ее края. У рядов $10$, $10$, $10$, $10$, $20$ и $10$, $12$, $15$, $18$, $20$ размах одинаковый — $10$. Насколько кучно лежат значения внутри стенки, размах не показывает. Для этого есть другие меры разброса, их изучают в 8 классе.
Теперь вернемся к Верхоянску. Возьмем ряд всех температур, измеренных там за историю наблюдений. Его крайние значения — рекорды $-67{,}8$ °C (февраль 1892 года) и $+38$ °C (20 июня 2020 года), размах $38-(-67{,}8) = 38 + 67{,}8 = 105{,}8$ °C. Это не ошибки измерений: такие морозы и такая жара в Верхоянске действительно были. Но размах видит только два крайних кирпичика, а за сто с лишним лет наблюдений крайними стали два самых исключительных дня. Поэтому $105{,}8$ °C описывает границы всей истории наблюдений, а не обычный год. Об обычном годе честнее говорит размах среднемесячных температур. В Верхоянске в среднем в январе около $-44{,}7$ °C, в июле около $+16{,}5$ °C, размах $16{,}5-(-44{,}7) = 61{,}2$ °C. В Сочи самый холодный месяц — январь, около $+6{,}3$ °C, самый теплый — август, около $+24{,}3$ °C, размах $18$ °C — в три с лишним раза меньше, чем в Верхоянске.
Вывод
Среднее и медиана показывают, где середина ряда, а размах — насколько ряд разбросан: это длина стенки кирпичиков от наименьшего значения до наибольшего, и по ней видно, можно ли положиться на среднее. Чтобы вспомнить главное, представьте стенку: края ищут на оси, а не в записи, через ноль части складываются, кирпичик внутри стенку не удлиняет, а выброс растягивает ее. В следующем уроке модуля научимся читать таблицы и столбиковые диаграммы.
| Случай | Что происходит со стенкой | Размах |
|---|---|---|
| Ряд записан не по порядку | Крайние кирпичики могут стоять в середине записи | Наибольшее − наименьшее, а не последнее − первое |
| Есть отрицательные значения | Стенка проходит через ноль, части складываются | $3-(-15) = 18$ |
| Новое значение между краями | Кирпичик ложится внутрь, края прежние | Не меняется |
| Новое значение за краем, выброс | Стенка удлиняется | Растет |
| Ко всем значениям прибавили одно число | Стенка переезжает целиком | Не меняется |
Часто задаваемые вопросы
Среднее показывает центр ряда, а размах — разброс. Время в пути $25$ минут в среднем бывает и стабильным, и скачущим от $18$ до $35$ минут: размах подсказывает, можно ли положиться на среднее.
Нет: наибольшее не меньше наименьшего. Отрицательное число получается, если из наименьшего вычли наибольшее. Размах равен $0$, только если все значения одинаковые.
Наименьшее среди отрицательных — число, которое дальше от нуля. Вычитайте его со знаком: $3-(-15) = 3 + 15$. Проверка по оси: если края по разные стороны от нуля, размах — сумма расстояний от нуля до краев.
Размах вычисляют только по двум крайним значениям, а выброс обычно и становится одним из них. Поэтому один необычный результат может увеличить размах в несколько раз.
Получите полный доступ ко всем материалам и занимайтесь в удобном темпе — без ограничений.
- Более 700 000 учеников и 50 000 учителей по всей России.
- Повышение среднего балла по предмету до 20 % после месяца занятий.
- Всплеск интереса к учебе и более глубокое понимание предметов.
Создайте бесплатный аккаунт — и откройте больше возможностей:
- Отслеживайте прогресс освоения тем
- Получайте персональные подборки полезных уроков и заданий
- Проводите работу над ошибками после занятий