Подготовка к школе
1 класс
2 класс
3 класс
4 класс
5 класс
6 класс
7 класс
8 класс
9 класс
10 класс
11 класс
ОГЭ
ЕГЭ
Для всех
Назад

Диаграммы рассеивания

Содержание

В уроке «Стандартное отклонение числового набора» мы описывали разброс одного признака. Теперь посмотрим, как связаны два признака одного объекта. Вы узнаете, что такое диаграмма рассеивания, как ее построить и прочитать, как по облаку точек определить вид связи, найти выброс и почему связь еще не означает причину.

Каждый ученик — точка на плоскости

Учителя часто говорят: чем дольше готовиться к контрольной, тем выше будет балл. Видно ли это в данных? Для ответа у каждого ученика нужны сразу два числа: часы подготовки и баллы. Вернемся к этому в конце урока, а начнем с простого примера.

У $12$ учеников класса измерили рост и длину стопы (данные учебные). Каждого ученика обозначим буквой.

УченикABCDEF
Рост, см144147149151153154
Длина стопы, см212322222323
УченикKLMNPR
Рост, см157157159161163165
Длина стопы, см242523252625

Каждый ученик описан парой чисел — как точка на координатной плоскости. Отложим рост по горизонтальной оси, а длину стопы — по вертикальной. Ученик K ростом $157$ см с длиной стопы $24$ см станет точкой $(157; 24)$.

Диаграмма рассеивания: рост и длина стопы 12 учеников. Строка таблицы «K: рост 157, стопа 24» стала точкой (157; 24): первое число читают по горизонтали, второе по вертикали
Строка таблицы превращается в точку: ученик K — это точка $(157; 24)$, ее значения читают по пунктирам до осей

Определение

Диаграмма рассеивания — диаграмма, где каждый объект — точка с координатами $(x; y)$, значениями двух признаков.

Первое число откладывают по горизонтальной оси, второе — по вертикальной. У каждой оси подписывают признак и единицы измерения.

Пример 1

Задача. По диаграмме найдите рост и длину стопы ученика N. Какой буквой отмечен ученик ростом $147$ см с длиной стопы $23$ см?

Решение. От точки N опустим пунктир вниз, на горизонтальную ось: он попадает в $161$ — рост $161$ см. От той же точки проведем пунктир влево, на вертикальную ось: он попадает в $25$ — длина стопы $25$ см. Значит, N — это точка $(161; 25)$.

Для второго вопроса найдем $147$ на горизонтальной оси и поднимемся до уровня $23$. Там стоит точка B; по таблице у B рост $147$ см, стопа $23$ см — совпадает.

Ответ: рост $161$ см, длина стопы $25$ см; точка B.

Интересный факт: рост родителей и детей

Скрыть

Связь признаков по таким диаграммам одним из первых изучал Фрэнсис Гальтон. В 1880-х годах он отметил точками рост родителей и их взрослых детей и увидел: у высоких родителей дети в основном тоже выше среднего, но обычно не такие высокие, как родители.

По облаку видно, растут ли признаки вместе

Вместе точки образуют облако, и облако «рост — стопа» вытянуто снизу слева вверх направо. Чтобы понять, что это значит, вспомним модель прошлых уроков: опора — среднее арифметическое, отклонение — стрелка от опоры.

У каждого ученика здесь два признака, поэтому и опор две: средний рост $155$ см и средняя длина стопы $23{,}5$ см. Проведем через них вертикальную и горизонтальную линии — получится опорный крест. Он делит диаграмму на четыре части. У каждой точки две стрелки от креста: по горизонтали — отклонение роста от среднего, по вертикали — отклонение длины стопы. Вправо и вверх — плюс, влево и вниз — минус. «Опорный крест» — название модели курса; в задачах говорят о линиях средних.

Диаграмма рассеивания рост — стопа с опорным крестом 155 и 23,5. У P стрелки +8 и +2,5, у C −6 и −1,5 (знаки совпадают), у M +4 и −0,5 (разные); большинство точек в частях «+ +» и «− −»
У ученика P обе стрелки положительные, у ученика C обе отрицательные: признаки «идут вместе». У ученика M стрелки разных знаков

У ученика P стрелка по росту $163-155 = 8$ см, по стопе $26-23{,}5 = 2{,}5$ см — обе плюс: он выше среднего, и стопа у него длиннее средней. У ученика C стрелки $149-155 = -6$ см и $22-23{,}5 = -1{,}5$ см — обе минус. Когда у заметного большинства точек (примерно у трех четвертей и больше) стрелки одного знака, признаки ходят вместе: больше один — в основном больше и другой.

Три диаграммы рассеивания с опорным крестом: рост — стопа (прямая связь, 11 и 1), бег — прыжок (обратная, 0 и 12), рост — число месяца (связи нет, 6 и 6)
Облако вверх — прямая связь, облако вниз — обратная, облако без формы — связи нет; опорный крест подтверждает это знаками стрелок

На второй диаграмме — время бега на $60$ м и длина прыжка в длину у других $12$ учеников. У всех точек стрелки разных знаков: кто бежит быстрее среднего, тот в основном прыгает дальше среднего. На третьей — рост и число месяца, в которое ученик родился: стрелок одного и разных знаков по $6$, облако без формы.

Правило

Прямая связь: с ростом первого признака второй в основном растет. Облако идет снизу слева вверх направо, у заметного большинства точек (примерно у трех четвертей и больше) стрелки от опорного креста одного знака.

Обратная связь: с ростом первого признака второй в основном убывает. Облако идет сверху слева вниз направо, у заметного большинства точек (примерно у трех четвертей и больше) стрелки разных знаков.

Связи нет: точки разбросаны без заметной формы, стрелок одного и разных знаков примерно поровну.

Пример 2

Задача. Определите с помощью опорного креста вид связи между ростом и длиной стопы у $12$ учеников из таблицы.

Решение. Опорный крест: средний рост $155$ см, средняя длина стопы $23{,}5$ см.

Слева от вертикальной линии (рост меньше $155$ см) — A, B, C, D, E, F. Их стопы $21$, $23$, $22$, $22$, $23$, $23$ см короче $23{,}5$ см: обе стрелки минус у всех шести.

Справа — K, L, M, N, P, R. У K, L, N, P, R стопы $24$, $25$, $25$, $26$, $25$ см длиннее средней: обе стрелки плюс. Только у M стопа $23$ см короче средней: стрелки разных знаков.

Итого у $11$ точек из $12$ стрелки одного знака.

Ответ: прямая связь — у более высоких учеников этой группы стопа в основном длиннее.

Облако точек — не график функции

Посмотрите на учеников K и L: у обоих рост $157$ см, а длина стопы $24$ и $25$ см. На диаграмме это две точки одна над другой. Из алгебры вы знаете, что у функции каждому значению $x$ соответствует одно значение $y$. Здесь одному росту соответствуют две длины стопы, поэтому облако точек — не график функции, и формулы «длина стопы по росту» у него нет.

Диаграмма рассеивания рост — стопа: при росте 157 см две точки одна над другой (стопа 24 и 25 см), это не график функции; облако показывает тенденцию
При росте $157$ см — две разные длины стопы: облако показывает тенденцию, а не точное значение по формуле

Обратите внимание

Связь на диаграмме рассеивания — общая тенденция облака, а не точная зависимость: при одном значении первого признака может быть несколько значений второго. Поэтому говорят «в основном растет», «в основном убывает». Линию через середину облака можно провести только «на глаз», и точки на ней не лежат.

Точки не на прямой — еще не значит «связи нет»

Опорный крест хорошо работает, когда облако вытянуто вверх или вниз. Но бывает связь и другой формы.

Ошибка

Решавр получил данные о погоде и посетителях парка за $12$ дней (учебные): температура воздуха от $14$ до $36$ °C и число посетителей за день. Он провел опорный крест через средние $25$ °C и $1000$ человек, насчитал $6$ точек со стрелками одного знака и $6$ — разных и заключил: «Связи нет».

Проверка на числах. При $14$ °C в парк пришли $300$ человек, при $24$ и $26$ °C — по $1600$, при $36$ °C — снова $300$. Точки образуют четкий «холм»: в теплую погоду посетителей много, в холод и в жару — мало. Зная температуру, можно уверенно сказать, много ли будет посетителей: связь есть.

Где сломалось рассуждение. Крест проверяет только, ходят ли признаки вместе в одну сторону. У холма левая половина идет вверх, правая — вниз, и знаки стрелок двух половин уравновешивают друг друга. Поэтому сначала смотрят на форму облака: точки не на прямой — еще не значит «связи нет», связь может быть кривой.

Диаграмма рассеивания температура — посетители парка: крест дает «6 на 6», но облако имеет форму холма; связь есть, она кривая
Крест дает «$6$ на $6$», но облако — четкий холм: связь есть, только не прямая, а кривая

Точка вдали от облака — выброс

В таблицу внесли тринадцатого ученика S: рост $150$ см, длина стопы $32$ см. На диаграмме его точка оказалась высоко над облаком. Измерим ее стрелки от опорного креста остальных $12$ учеников: по росту $150-155 = -5$ см, по стопе $32-23{,}5 = 8{,}5$ см. У остальных учеников стрелки по стопе не длиннее $2{,}5$ см, а здесь — в три с лишним раза длиннее, да еще и направлена против общего хода облака.

Диаграмма рассеивания рост — стопа с выбросом S (150; 32): стрелка S по стопе +8,5 в три с лишним раза длиннее самой длинной у остальных (+2,5 у P); вероятно, цифры 23 переставили
Точка S стоит далеко от облака: ее стрелка по стопе $8{,}5$ см, а у остальных — не больше $2{,}5$ см. Вероятно, при записи переставили цифры: $32$ вместо $23$

Определение

Выброс на диаграмме рассеивания — точка, которая стоит далеко от облака остальных точек.

Стопа $32$ см бывает у очень высоких взрослых, а не у ученика ростом $150$ см. Скорее всего, переставили цифры: с точкой $(150; 23)$ ученик S лег бы прямо в облако. Как и в одном ряду данных, выброс сдвигает опору: если оставить S, средняя длина стопы станет около $24{,}2$ см вместо $23{,}5$ см, и весь опорный крест поднимется.

Важно

Выброс сначала проверяют. Если это ошибка записи, ее исправляют. Если значение верное, точку оставляют, но выводы о связи делают по всему облаку, а не по одной точке.

Связь не означает причину

Решавр собрал данные о $12$ школьниках из $2$, $5$ и $8$ классов: длину стопы и число слов, которые ученик читает вслух за минуту (данные учебные). Облако идет вверх, у $11$ точек из $12$ стрелки одного знака — связь прямая.

Ошибка

Решавр делает вывод: «Длинная стопа помогает быстрее читать».

Проверка на числах. Раскрасим точки по классам. У второклассников стопа от $18$ до $20$ см, читают они от $48$ до $60$ слов в минуту, у пятиклассников — стопа $21$–$23$ см и $98$–$110$ слов, у восьмиклассников — $24$–$26$ см и $135$–$150$ слов. Внутри каждого класса направления нет: у второклассника со стопой $20$ см — $52$ слова, а у одноклассника со стопой $19{,}5$ см — $60$. Если бы стопа помогала читать, связь была бы видна и внутри класса.

Где сломалось рассуждение. Оба признака зависят от третьего — от возраста. Старшие ученики выше, у них длиннее стопа, и они больше времени учились читать. Стрелки «ходят вместе» из-за общей причины, а не потому, что один признак управляет другим.

Диаграмма рассеивания длина стопы — скорость чтения у учеников 2, 5 и 8 классов: все облако идет вверх, а внутри каждого класса направления нет; связь создает общая причина — возраст
Все облако идет вверх, а внутри каждого класса направления нет: связь создает общая причина — возраст

Правило

Диаграмма рассеивания показывает, есть ли связь между признаками у тех объектов, которые на ней отмечены. Она не показывает, что один признак — причина другого: связь может создавать общая причина. Перенести вывод на другие объекты по диаграмме тоже нельзя.

Чтобы построить диаграмму, сначала выбирают масштаб осей

Вернемся к вопросу из начала урока. Десять учеников записали, сколько часов готовились к контрольной и сколько баллов из $20$ получили (данные учебные).

Часов подготовки0,5111,52233,546,5
Баллов81071312915121718

Пример 3

Задача. Постройте по таблице диаграмму рассеивания и определите вид связи между временем подготовки и баллом.

Решение. 1. Выберем оси: часы подготовки — по горизонтальной, баллы — по вертикальной. Каждый ученик даст точку $(\text{часы}; \text{баллы})$, например $(0{,}5; 8)$.

2. Выберем масштаб. Часы — от $0{,}5$ до $6{,}5$, поэтому горизонтальную ось проведем от $0$ до $7$ ч с делениями через $1$ ч. Баллы — от $7$ до $18$. С осью от $0$ облако сожмется в верхней половине, поэтому вертикальную ось проведем от $6$ до $20$, а у ее начала поставим зигзаг — знак, что часть шкалы от $0$ до $6$ пропущена.

3. Отметим $10$ точек. Точки $(1; 10)$ и $(1; 7)$ стоят одна над другой: при одном времени подготовки — разные баллы.

4. Облако идет снизу слева вверх направо. Проверим крестом: среднее время $25 : 10 = 2{,}5$ ч, средний балл $121 : 10 = 12{,}1$. У $8$ точек из $10$ стрелки одного знака, разных знаков только у $(1{,}5; 13)$ и $(3{,}5; 12)$.

Ответ: связь прямая — кто готовился дольше, в основном получил больше баллов.

Диаграмма рассеивания: часы подготовки и баллы 10 учеников; ось баллов начата с 6 и помечена зигзагом; облако идет вверх, у 8 точек из 10 стрелки одного знака — связь прямая
Диаграмма по таблице: ось баллов начинается с $6$ и помечена зигзагом; облако идет вверх, у $8$ точек из $10$ стрелки одного знака — связь прямая

Ответ на вопрос из начала урока: связь видна — облако идет вверх. Но диаграмма не доказывает, что баллы выросли именно из-за подготовки: возможно, дольше готовятся те, кому предмет интереснее, и они знали его лучше заранее.

Вывод

Диаграмма рассеивания помогает увидеть, связаны ли два признака: рост и размер обуви, подготовка и оценка, погода и число посетителей. Чтобы вспомнить главное, представьте опорный крест через средние и две стрелки у каждой точки: стрелки одного знака — прямая связь, разных — обратная, поровну — смотрите на форму облака. И помните, что связь — это еще не причина.

Что видно на диаграммеСтрелки от опорного крестаВывод
Облако идет вверхУ заметного большинства точек (примерно у трех четвертей и больше) одного знакаПрямая связь
Облако идет внизУ заметного большинства точек (примерно у трех четвертей и больше) разных знаковОбратная связь
Облако без формыОдного и разных знаков поровнуСвязи нет
Облако изогнуто, например «холмом»Поровну — крест не помогаетСвязь кривая, а не «нет связи»
Одна точка далеко от облакаСтрелка в разы длиннее остальныхВыброс: проверить данные
Признаки растут вместеХодят вместеСвязь, но не обязательно причина

Часто задаваемые вопросы

Чем диаграмма рассеивания отличается от графика функции?

На графике функции каждому значению $x$ соответствует ровно одно значение $y$, и точки лежат на линии. На диаграмме рассеивания каждая точка — отдельный объект, и при одном значении первого признака может быть несколько значений второго.

Какой признак откладывать по горизонтальной оси?

Строгого правила нет. Обычно по горизонтали откладывают признак, от которого, как предполагают, зависит второй: часы подготовки — по горизонтали, баллы — по вертикали. Подписывайте обе оси, точку записывайте как $(x; y)$.

Зачем начинать ось не с нуля?

Если все значения далеко от нуля, например рост от $144$ до $165$ см, то при оси от $0$ точки собьются в узкую полосу и форму облака не будет видно. Ось начинают с круглого числа рядом с наименьшим значением (здесь ось роста — от $140$ до $170$ см), а пропуск шкалы отмечают зигзагом у начала оси.

Награды за урок
5
5
1
Количество опыта, полученного за урок 5

Спросить Зави Спросить Зави
Получить ещё подсказку

Трудности? Воспользуйтесь подсказкой

Верно! Посмотрите пошаговое решение

Предложить улучшение