Алгебра · 11 классурок · 2026-09-27~8 мин чтения

Математическая статистика 11 класс: элементы

Элементы математической статистики: как описать выборку одним числом и честно измерить разброс. Дисперсия, стандартное отклонение, полигон и гистограмма частот на задаче о пекарне.

Открыть тренажёрСразу к проверке

Пекарь подводит итоги двух недель продаж. Первая неделя: 118, 122, 119, 121 и 120 буханок — день ото дня почти одинаково. Вторая: 90, 150, 100, 140 и 120 — в среднем столько же, но муку закупать страшно: то пусто, то густо. Среднее арифметическое обеих недель одинаковое — ровно 120, а поведение совершенно разное. Чтобы отличать стабильность от лотереи, нужны характеристики разброса — дисперсия и стандартное отклонение. Весь урок — об инструментах, которыми статистика описывает данные: от выборки и генеральной совокупности до полигона и гистограммы частот.

Выборка и генеральная совокупность

Статистика начинается с вопроса «кого или что мы измеряем». Генеральная совокупность — это все интересующие нас объекты: все выпускники страны, все изделия завода, все звонки в колл-центр. Изучать всё поголовно дорого и часто невозможно, поэтому берут выборку — часть совокупности, и по ней судят о целом. Выборка обязана быть репрезентативной: отражать состав целого. Если измерять рост баскетбольной секции и объявить его средним ростом школы, прогноз будет ошибочным на пятнадцать сантиметров — классический пример нерепрезентативной выборки.

Репрезентативность обеспечивают случайностью: каждый объект совокупности должен иметь равные шансы попасть в выборку. Опрашивать прохожих у автосалона про цену автобуса — значит собрать смещённую выборку: состав прохожих не совпадает с составом города. Поэтому соцопросы выбирают адреса случайным числом, а контроль качества продукции берут детали через равные промежутки конвейера — так ни одна группа не получит преимущества. И чем больше выборка, тем надёжнее вывод: на трёх измерениях дисперсия скачет непредсказуемо, а на трёх сотнях уже ведёт себя прилично. Объём выборки — это мощность статистического утверждения, и этим словом статистики пользуются буквально.

Генеральная совокупность#
Все объекты, о которых делается вывод
Выборка#
Часть совокупности, которую реально измерили
Репрезентативность#
Свойство выборки правильно отражать состав совокупности
Частота#
Сколько раз значение встретилось в выборке

Центр выборки описывают тремя знакомыми числами. Среднее арифметическое — сумма всех значений, делённая на их количество. Мода — самое частое значение. Медиана — число посередине упорядоченного ряда: половина данных не меньше его, половина не больше. Размах показывает, насколько далеко разбросаны данные: от наибольшего до наименьшего. Прогоним всё это на живом примере — десять оценок за контрольную: 3, 4, 5, 4, 5, 3, 5, 5, 4, 3.

ХарактеристикаЗначениеКак считали
Мода5встречается чаще всех — 4 раза
Медиана4середина упорядоченного ряда из 10 оценок
Среднее4,1сумма 41 делим на 10
Размах2от наибольшей 5 до наименьшей 3

Обрати внимание, что среднее вышло 4,1 — такого значения в выборке нет вообще, и это нормально: среднее не обязано совпадать с данными. Медиана тут ровнее среднего: одна пятёрка-выброс сдвинула бы среднее сильнее, чем медиану. Именно поэтому в отчётах о доходах населения предпочитают медиану — она устойчивее к редким гигантским значениям.

Попыток: 0

Гистограмма цен на пирожки: значения от 26 до 50 рублей, самые высокие столбики у отметок 36–40. Выстави примерное среднее выборки.

Прикинь среднее по гистограмме
Представь столбики: у 26–30 низкие, к 36–40 поднимаются, к 46–50 снова спадают. Среднее тяготеет к «тяжёлой» стороне гистограммы. Допуск — плюс-минус два рубля.

Дисперсия: измеряем разброс честно

Размах груб: две крайние точки определяют его целиком, а поведение остальных данных не видит. Дисперсия смотрит на все значения сразу. Идея: измерь отклонение каждого значения от среднего, возведи его в квадрат и усредни. Квадрат нужен, чтобы плюс-отклонения и минус-отклонения не гасили друг друга и чтобы резкие выбросы получали вес. Возвращаемся к пекарне: у стабильной недели отклонения от 120 равны −2, 2, −1, 1 и 0 — квадраты крошечные. У скачущей недели отклонения −30, 30, −20, 20 и 0 — квадраты по 400 и 900, и дисперсия больше в сотни раз. Цифра наконец совпала с ощущением.

Дисперсия: средний квадрат отклонений значений от среднего
Считаем дисперсию набора 3, 5, 7
  1. Среднее арифметическое: (3 + 5 + 7) / 3 = 5.
  2. Отклонения от среднего: −2, 0 и 2.
  3. Квадраты отклонений: 4, 0 и 4, их сумма равна 8.
  4. Делим сумму на количество значений: дисперсия равна 8/3 ≈ 2,7, а стандартное отклонение — корень из неё, примерно 1,6.
Стандартное отклонение: корень из дисперсии, единицы как у данных

Дисперсия измеряется в квадратных единицах: буханки в квадрате — бессмыслица, поэтому в выводах используют стандартное отклонение, корень из дисперсии. Оно возвращается в исходные единицы и читается как «типичное отклонение от среднего». Практическое правило: у большинства данных из нормального разброса значения лежат в пределах двух стандартных отклонений от среднего. Если пекарь видит, что σ ≈ 15 буханок, он закладывает на закупку запас в пару десятков — иначе в неудачный день очередь уйдёт к конкуренту.

Стандартное отклонение — рабочая лошадка реальных измерений. Фабрика шьёт детали с номиналом десять сантиметров: партии с малым стандартным отклонением означают ровный станок, а рост разброса без изменения среднего — станок разладился, пора в ремонт. Метеорологи сравнивают города не только средними температурами, но и отклонениями: у морского климата разброс мал — предсказуемо, у континентального велик — качели от жары к морозу. То же в педагогике: две группы с одинаковым средним баллом могут быть совершенно разными — ровной и пёстрой, и различить их позволяет только разброс. Правило двух сигм покрывает большинство значений, поэтому стандартное отклонение служит и быстрой оценкой доверия к среднему.

Полигон и гистограмма частот

Числа удобно сжимать в картинку. Данные раскладывают по интервалам и считают частоты — сколько значений попало в каждый. Гистограмма рисует частоты столбиками над интервалами и показывает форму разброса: где данные кучкуются, где хвосты. Если по серединам столбиков провести ломаную, получится полигон частот — та же информация линией, удобно для сравнения двух выборок на одном рисунке. Форма гистограммы о многом говорит раньше чисел: симметричный холм с одним пиком — признак ровного процесса, два пика намекают, что выборка перемешана из двух разных групп, например мальчики и девочки или два разных магазина. Длинный хвост в одну сторону подсказывает, что среднее уедет от медианы, и опираться на среднее будет ненадёжно.

Таблица частот превращается в два классических графика. Для дискретных данных — оценок, числа детей, количества книг — строят полигон частот: по горизонтали значения, по вертикали частоты, точки соединяют ломаной. Для непрерывных данных — роста, времени, температуры — данные группируют в интервалы и рисуют гистограмму: над каждым интервалом стоит столбик, высота которого равна сумме частот. Ширину интервалов выбирают разумно: слишком широкие столбики прячут детали, слишком узкие делают картинку шумной. По гистограмме сразу видны мода, симметрия и выбросы — то, что в таблице искать глазами долго.

Разложено: 0 из 6

Нажми на элемент, затем на категорию. Нажми на разложенный элемент — вернётся в пул.

Полигон или гистограмма?
Определи тип данных для каждого примера. Спорные разбираются так: можно ли значение посчитать поштучно?

За обоими графиками стоит случайная изменчивость: повтори измерение — получишь чуть другое число. Рост учеников, время в пути, урожай яблок колеблются от наблюдения к наблюдению не по злому умыслу, а по природе вещей: на значение влияет множество мелких причин. Статистика не борется с изменчивостью, а описывает её: среднее говорит про центр, дисперсия — про силу колебаний, полигон и гистограмма — про форму. Когда данные распределены симметричной горкой, стандартное отклонение становится главным связующим звеном между выборкой и выводами обо всём мире.

Выучено: 0 из 6 · В колоде: 6
Карточки по статистике
Переверни карточку и проверь определения перед контрольной.
Утверждение 1 из 5
Дисперсия может быть отрицательной.
Верно или нет?
Пять утверждений о статистике — найди ложные и объясни себе почему.

Теперь у тебя полный набор статистика-инструментов: выборка против генеральной совокупности, три меры центра, две меры разброса и два графика частот. Дальше эти слова появятся в теории вероятностей и в любой работе с данными — от лабораторной по физике до маркетингового отчёта. Прогони квиз, реши тренажёр и посчитай дисперсию чего-нибудь живого — например, своих оценок за месяц или времени в дороге в школу: настоящие данные запоминают формулы лучше любого списка.

Проверь себя

Клавиши 1–9 выбирают вариант, Enter — «Проверить»

Найди размах выборки 12, 15, 9, 20, 14.

Средние значения двух выборок совпали. Какая характеристика подскажет, какая из них стабильнее?

Дисперсия не бывает отрицательной.

Какие характеристики описывают выборку?

Расставь шаги вычисления дисперсии по порядку.

Сопоставь термин и его смысл.

Нажми на элемент слева, затем на его пару справа. Повторное нажатие отменяет связь.

Дополни.

Выбери подходящее слово в каждом пропуске.

Дисперсия измеряется в единицах, а стандартное отклонение — в единицах, как сами данные.

Было понятно? Скажи — так мы видим, какие темы переписать.

Частые вопросы

Как найти дисперсию ряда чисел?

Сначала посчитай среднее арифметическое. Затем для каждого значения найди отклонение от среднего, возведи его в квадрат и усредни квадраты. Итоговое число — дисперсия выборки.

Чем медиана отличается от среднего арифметического?

Среднее — это сумма всех значений, делённая на их количество, а медиана — число посередине упорядоченного ряда. Медиана устойчивее к выбросам: один гигантский доход сдвигает среднее, но почти не трогает медиану.

Как построить гистограмму частот?

Разбей данные на удобные интервалы и посчитай, сколько значений попало в каждый. Над каждым интервалом нарисуй столбик высотой в его частоту. Столбики рисуют вплотную, потому что данные непрерывны.

Что такое генеральная совокупность и выборка?

Генеральная совокупность — все объекты, о которых делается вывод, а выборка — та часть, которую реально измерили. Чтобы вывод был честным, выборка должна быть репрезентативной, то есть правильно отражать состав целого.