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探索单变量数据

AP 统计学 · 知识点 1

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9:03

探索单变量数据

测量同一事物二十次,你不会得到二十个相同答案。二十名学生测量同一张桌子,数值各不相同。这并非…

英语旁白 · 英中内嵌字幕

1.1

统计学导论:我们能从数据中学到什么?

教学大纲

持久理解(VAR-1): 由于变异可能是随机的,也可能不是随机的,因此结论具有不确定性。

学习目标 VAR-1.A: 基于单变量数据的变异,识别需要回答的问题。[技能 1.A]

  • VAR-1.A.1 当数字置于具体情境中时,可能传达有意义的信息。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Statistics 统计学 is the science of learning from data 数据 – numbers or labels collected from the real world. Data vary, so we describe patterns and account for the variation 变异 rather than expecting every value to match. A statistical question anticipates an answer based on data that vary.

Two distinctions run through the whole course. A parameter 参数 is a numerical summary of a whole population; a statistic 统计量 is a numerical summary of a sample - we use the statistic to estimate the parameter we cannot measure directly. And descriptive statistics 描述统计 only summarise the data set in hand, while inferential statistics 推断统计 use a sample to make and test claims about the larger population.

Statistics answers questions by collecting, analysing and interpreting data
Statistics answers questions by collecting, analysing and interpreting data
探索

具有变异性的数据

真实数据在不同值上分布——统计学在这些变异性中寻找规律。

词汇 训练
English 中文 拼音
Statistics/stəˈtɪstɪks/ 统计学 tǒng jì xué
data/ˈdeɪtə/ 数据 shù jù
variation/ˌveərɪˈeɪʃn/ 变异 biàn yì
parameter/pəˈræmɪtə/ 参数 cān shù
statistic/stəˈtɪstɪk/ 统计量 tǒng jì liàng
descriptive statistics/dɪˈskrɪptɪv stəˈtɪstɪks/ 描述统计 miáo shù tǒng jì
inferential statistics/ɪnfəˈrenʃl stəˈtɪstɪks/ 推断统计 tuī duàn tǒng jì
1.2

变异的语言:变量

教学大纲

持久理解 (VAR-1): 鉴于变异可能是随机的也可能不是随机的,结论具有不确定性。

学习目标 VAR-1.B: 识别数据集中的变量。[技能 2.A]

  • VAR-1.B.1 变量是指从一个个体到另一个个体发生变化的特征。

学习目标 VAR-1.C: 对变量的类型进行分类。[技能 2.A]

  • VAR-1.C.1 分类变量取值为类别名称或分组标签。
  • VAR-1.C.2 定量变量是测量值或计数值表现为数值的变量。
    • VAR-1.C 示例:
      • 分类变量:
        • 惯用手
        • 年龄组(年轻或年长)
        • 获得的最高学位
      • 定量变量:
        • 建筑物的年龄
        • 儿童的身高
        • 样本的浓度

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

A variable 变量 is a characteristic that can differ between individuals. Two kinds:

  • Categorical 分类 (qualitative): values are labels/groups (eye colour, brand).
  • Quantitative 定量: values are numbers you can do arithmetic on (height, age). Quantitative variables are discrete (countable) or continuous (measured).

Choosing the right graph and summary depends on which kind you have.

Categorical variables sort cases into groups; quantitative variables are numbers you can average
Categorical variables sort cases into groups; quantitative variables are numbers you can average
探索

分类变量还是定量变量?

每个变量要么是分类变量(它将组标签分配给每个单位),要么是定量变量(一个可平均的测量数值)。它属于哪一类决定了你可以使用的图表和摘要类型。

词汇 训练
English 中文 拼音
variable/ˈveərɪəbl/ 变量 biàn liàng
Categorical/ˌkætɪˈɡɒrɪkl/ 分类 fēn lèi
Quantitative/ˈkwɒntɪteɪtɪv/ 定量 dìng liàng
1.3

用表格表示分类变量

教学大纲

持久理解 (UNC-1): 图形表示和统计数据使我们能够识别并呈现数据的关键特征。

学习目标 UNC-1.A: 使用频数表或相对频数表表示分类数据。[技能 2.B]

  • UNC-1.A.1 频数表给出落入每个类别中的案例数量。相对频数表给出落入每个类别中的案例比例。

学习目标 UNC-1.B: 描述在频数表或相对频数表中表示的分类数据。[技能 2.A]

  • UNC-1.B.1 百分比、相对频数和比率提供的信息与比例相同。
  • UNC-1.B.2 分类数据的计数和相对频数揭示了可用于在具体情境中证明关于该数据的主张的信息。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

A frequency table 频数表 lists each category's count (frequency); a relative frequency 相对频率 table lists each category's proportion 比例 (count ÷ total). Relative frequencies let you compare groups of different sizes fairly.

A frequency table lists counts; relative frequency is each count divided by the total
A frequency table lists counts; relative frequency is each count divided by the total
探索

整体的份额

相对频率是每个类别占总数的份额——这正是频率表饼图所展示的内容。

词汇 训练
English 中文 拼音
frequency table/ˈfriːkwənsi ˈteɪbl/ 频数表 pín shù biǎo
relative frequency/ˈrelətɪv ˈfriːkwənsi/ 相对频率 xiāng duì pín lǜ
proportion/prəˈpɔːʃn/ 比例 bǐ lì
1.4

用图形表示分类变量

教学大纲

持久理解(UNC-1): 图形表示和统计量使我们能够识别并呈现数据的关键特征。

学习目标 UNC-1.C: 用图形方式表示分类数据。[技能 2.B]

  • UNC-1.C.1 条形图(或柱状图)用于显示分类数据的频数(计数)或相对频数(比例)。
  • UNC-1.C.2 条形图中每个条形的高度或长度对应于落入每个类别中的观测值数量或比例。
  • UNC-1.C.3 还有多种其他方法可以表示分类数据的频数(计数)或相对频数(比例)。

学习目标 UNC-1.D: 描述以图形方式表示的分类数据。[技能 2.A]

  • UNC-1.D.1 分类变量的图形表示揭示的信息可用于在特定情境下对数据做出有依据的论断。

学习目标 UNC-1.E: 比较多组分类数据。[技能 2.D]

  • UNC-1.E.1 可以使用频数表、条形图或其他表示方法来按同一分类变量比较两组或多组数据集。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Bar charts 条形图 show the count or proportion of each category as separated bars; a pie chart shows each category's share of the whole. The bar heights (or slices) let you compare categories at a glance. Bars may be ordered by size or by a natural category order.

The same data as a bar chart and as a pie chart
The same data as a bar chart and as a pie chart
探索

用饼图展示分类变量

饼图将每个类别占整体的份额转化为扇区:份额越大,扇区越大,所有扇区加起来构成 100%。它是相对频率表的图像化表示。

词汇 训练
English 中文 拼音
Bar charts/bɑː tʃɑːts/ 条形图 tiáo xíng tú
1.5

用图形表示定量变量

教学大纲

持久理解 (UNC-1): 图形表示和统计数据使我们能够识别并呈现数据的关键特征。

学习目标 UNC-1.F: 对定量变量的类型进行分类。[技能 2.A]

  • UNC-1.F.1 离散变量可以取有限个或可数无限个值,例如计数数字。
  • UNC-1.F.2 连续变量可以取无限多个值,但这些值是不可数的。无论连续变量两个值之间的间隔多么小,总可以在它们之间确定另一个值。
    • UNC-1.F 的示例:
      • 一个离散变量:
        • 班级里的学生人数
      • 一个连续变量:
        • 孩子的身高

学习目标 UNC-1.G: 用图形方式表示定量数据。[技能 2.B]

  • UNC-1.G.1 在直方图中,每个条形的高度显示了落在与该条形对应的区间内的观测值的数量或比例。改变区间的宽度会改变直方图的外观。
  • UNC-1.G.2 在茎叶图中,每个数据值被分为“茎”(第一位或前几位数字)和“叶”(通常是最后一位数字)。
  • UNC-1.G.3 点图用点表示每个观测值,水平轴上的位置对应于该观测值的数据值,数值几乎相同的点会堆叠在一起。
  • UNC-1.G.4 累积图表示小于或等于给定数值的数据集的数量或比例。
  • UNC-1.G.5 还有多种其他方法可以用图形方式表示定量数据的分布。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

For numbers, use a dotplot 点图, stem-and-leaf plot 茎叶图, or histogram 直方图 (bars over value intervals called bins). These show the distribution 分布 – how the values spread out. A histogram's bin width changes the picture, so choose it to reveal the shape.

On a histogram with unequal class widths the bar area is the frequency
On a histogram with unequal class widths the bar area is the frequency
探索

探索箱宽如何影响直方图

直方图将数据分组到等宽的箱(bins)中,并在每个箱上绘制条形图。更改箱的数量,观察相同的数据如何看起来锯齿状(太窄)或平滑(太宽)——形状是一种选择。

词汇 训练
English 中文 拼音
dotplot/ˈdɒtplɒt/ 点图 diǎn tú
stem-and-leaf plot/stem ænd liːf plɒt/ 茎叶图 jīng yè tú
histogram/ˈhɪstəɡræm/ 直方图 zhí fāng tú
distribution/ˌdɪstrɪˈbjuːʃn/ 分布 fēn bù
1.6

描述定量变量的分布

教学大纲

持久理解 (UNC-1): 图形表示和统计量使我们能够识别并呈现数据的关键特征。

学习目标 UNC-1.H: 描述定量数据分布的特征。[技能 2.A]

  • UNC-1.H.1 定量数据分布的描述包括形状、中心位置和变异性(离散程度),以及任何异常特征,如离群值、空隙、簇或多峰。
  • UNC-1.H.2 单变量数据的离群值是指相对于其余数据而言异常小或大的数据点。
  • UNC-1.H.3 如果右尾比左尾长,则分布向右偏(正偏)。如果左尾比右尾长,则分布向左偏(负偏)。如果左半部分是右半部分的镜像,则分布是对称的。
  • UNC-1.H.4 具有一个主峰的单变量图称为单峰。具有两个明显峰值的图称为双峰。每个条形高度大致相同的图(无明显峰值)近似为均匀分布。
  • UNC-1.H.5 空隙是分布中两个数据值之间的区域,其中没有观测到的数据。
  • UNC-1.H.6 簇是通常被空隙隔开的集中数据。
  • UNC-1.H.7 描述性统计不会将数据集的属性归因于更大的总体,但可能为后续的检验提供推测的基础。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Describe four things (remember SOCS):

  • Shape 形状: symmetric, or skewed 偏斜 left/right (a long tail on that side), and how many peaks - one main peak is unimodal 单峰, two prominent peaks bimodal 双峰, and roughly equal bars uniform 均匀.
  • Outliers 离群值: unusual values far from the rest.
  • Center: a typical value (mean or median).
  • Spread: how much the values vary (range, IQR, standard deviation).

Always describe shape/center/spread in context, with units.

Common mistakes. Naming skew by the peak instead of the tail: a long tail to the left is skewed left, even though most values pile up on the right. Writing “the data are normal” from a histogram: say “roughly symmetric and unimodal”, because real data are only ever approximately normal. Leaving out context: “the median is $7$” earns less than “the median commute is $7$ minutes”.

The shape of a distribution: symmetric, skewed right (long right tail), or skewed left
The shape of a distribution: symmetric, skewed right (long right tail), or skewed left
探索

读取形状

一侧有长尾意味着分布向该方向偏斜——偏度以尾部命名。

词汇 训练
English 中文 拼音
Shape/ʃeɪp/ 形状 xíng zhuàng
skewed/skjuːd/ 偏斜 piān xié
unimodal/ˌʌnɪˈmɒdl/ 单峰 dān fēng
bimodal/baɪˈmɒdl/ 双峰 shuāng fēng
uniform/ˈjuːnɪfɔːm/ 均匀 jūn yún
Outliers/ˈaʊtlaɪəz/ 离群值 lí qún zhí
1.7

定量变量的汇总统计量

教学大纲

持久理解 (UNC-1): 图形表示和统计量使我们能够识别并呈现数据的关键特征。

学习目标 UNC-1.I: 计算定量数据的集中趋势和位置度量。[技能 2.C]

  • UNC-1.I.1 统计量是样本数据的数值摘要。
  • UNC-1.I.2 均值是所有数据值之和除以数据值的个数。对于样本,均值用 $x$-bar(x上方加横线)表示:$\bar{x} = \dfrac{1}{n}\sum_{i=1}^{n} x_i$,其中 $x_i$ 代表样本中的第 $i^{\text{th}}$ 个数据点,$n$ 代表样本中数据值的个数。
  • UNC-1.I.3 数据集的中位数是将数据按顺序排列后的中间值。当数据点个数为偶数时,中位数可以取两个中间值之间的任意值。在 AP 统计学中,对于具有偶数个值的数据集,最常用的中位数是两个中间值的平均值。
  • UNC-1.I.4 第一四分位数 Q1 是从最小值到中间值位置这一半有序数据集的中位数。第三四分位数 Q3 是从中间值位置到最大值这一半有序数据集的中位数。Q1 和 Q3 构成了有序数据集中中间 50% 数值的边界。
  • UNC-1.I.5 第 $p^{\text{th}}$ 百分位数被解释为有 $p\%$ 的数据小于或等于该值。

学习目标 UNC-1.J: 计算定量数据的变异性度量。[技能 2.C]

  • UNC-1.J.1 分布中常用的三个变异性(或离散程度)度量是极差、四分位距和标准差。
  • UNC-1.J.2 极差定义为最大数据值与最小数据值之差。四分位距 (IQR) 定义为第三四分位数与第一四分位数之差:$Q3 - Q1$。极差和四分位距都是衡量定量变量分布变异性的可行方法。
  • UNC-1.J.3 标准差是衡量定量变量分布变异性的方法。对于样本,标准差用 $s$ 表示:$s_x = \sqrt{\dfrac{1}{n-1}\sum(x_i - \bar{x})^2}$。样本标准差的平方 $s^2$ 称为样本方差。
  • UNC-1.J.4 改变测量单位会影响计算出的统计量的值。

学习目标 UNC-1.K: 解释选择特定集中趋势和/或变异性度量来描述一组定量数据的原因。[技能 4.B]

  • UNC-1.K.1 确定异常值有许多方法。本课程中经常使用的两种方法是:
    • UNC-1.K.1.i 异常值是指大于第三四分位数以上 $1.5 \times \text{IQR}$ 的值,或者低于第一四分位数以下 $1.5 \times \text{IQR}$ 的值。
    • UNC-1.K.1.ii 异常值是指位于均值以上或以下 2 个或更多标准差处的值。
  • UNC-1.K.2 均值、标准差和极差被认为是非稳健(或非鲁棒)的,因为它们受异常值的影响。中位数和 IQR 被认为是稳健(或鲁棒)的,因为异常值不会显著(甚至完全不影响)它们的值。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Standard deviation: spread about the mean
  • Center: the mean 均值 $\bar{x}=\dfrac{\sum x_i}{n}$ (average) and the median 中位数 (middle value). The median resists outliers; the mean is pulled toward a skew.
  • Spread: the range, the interquartile range 四分位距 $\text{IQR}=Q_3-Q_1$ (middle 50%), and the standard deviation 标准差 $s_x=\sqrt{\dfrac{\sum(x_i-\bar{x})^2}{n-1}}$ (typical distance from the mean; its square is the variance 方差).
  • The five-number summary 五数概括: min, $Q_1$, median, $Q_3$, max.

Use resistant measures (median, IQR) for skewed data; mean and standard deviation for roughly symmetric data.

The percentile 百分位数 of a value is the percent of the data at or below it – so the median is the 50th percentile and $Q_1$ the 25th. A cumulative relative frequency graph 累积相对频率图 makes percentiles easy to read: for each value it plots the proportion of the data at or below it, rising from 0 to 1. Go up from a value to the curve and across to its percentile, or reverse the steps to find the value at a given percentile (the same reading works from a cumulative-frequency table).

Worked example. For the data $4, 8, 6, 10, 7$: the mean is $\bar{x}=\dfrac{4+8+6+10+7}{5}=\dfrac{35}{5}=7$. Sorting to $4,6,7,8,10$, the median is the middle value, $7$. The mean and median agree here because the data are roughly symmetric.

Worked example: standard deviation. For the same data, $\bar x=7$. Work in a table: each deviation from the mean, then its square.

$x_i$ $4$ $6$ $7$ $8$ $10$
$x_i-\bar x$ $-3$ $-1$ $0$ $1$ $3$
$(x_i-\bar x)^2$ $9$ $1$ $0$ $1$ $9$

The squares add to $20$. Divide by $n-1=4$, not by $n$, then take the square root:

$$s_x=\sqrt{\frac{\sum(x_i-\bar x)^2}{n-1}}=\sqrt{\frac{20}{4}}=\sqrt5\approx 2.24.$$

Interpretation: a typical value is about $2.24$ away from the mean of $7$. The deviations always add to $0$ (here $-3-1+0+1+3=0$), which is why they are squared first.

Common mistakes. Dividing by $n=5$ instead of $n-1=4$ (that gives $\sqrt4=2$, not $2.24$); stopping at the variance, $5$, and reporting it as the standard deviation; and describing $s_x$ as a distance from the median, or as the largest distance from the mean, instead of a typical distance from the mean.

探索

数据的中心和离散度

均值和中位数标示中心;极差、四分位距和标准差衡量离散度。

词汇 训练
English 中文 拼音
mean/miːn/ 均值 jūn zhí
median/ˈmiːdiːən/ 中位数 zhōng wèi shù
interquartile range/ˌɪntəˈkwɔːtaɪl reɪndʒ/ 四分位距 sì fēn wèi jù
standard deviation/ˈstændəd ˌdiːvɪˈeɪʃn/ 标准差 biāo zhǔn chā
variance/ˈveərɪəns/ 方差 fāng chà
five-number summary/faɪv ˈnʌmbə ˈsʌməri/ 五数概括 wǔ shù gài kuò
percentile/pəˈsentaɪl/ 百分位数 bǎi fēn wèi shù
cumulative relative frequency graph/ˈkjuːmjʊlətɪv ˈrelətɪv ˈfriːkwənsi ɡræf/ 累积相对频率图 lěi jī xiāng duì pín lǜ tú
1.8

汇总统计量的图形表示

教学大纲

持久理解 (UNC-1): 图形表示和统计量使我们能够识别并呈现数据的关键特征。

学习目标 UNC-1.L: 用图形方式表示定量数据的汇总统计量。[技能 2.B]

  • UNC-1.L.1 最小数据值、第一四分位数 (Q1)、中位数、第三四分位数 (Q3) 和最大数据值共同构成了五数概括法。
  • UNC-1.L.2 箱线图是五数概括法(最小值、第一四分位数、中位数、第三四分位数、最大值)的图形表示。箱体代表中间 50% 的数据,中位数处有一条线,箱体的两端对应于四分位数。线条(“须”)从四分位数延伸至非异常值的最极端点,异常值则通过该点之外的独立符号标示。

学习目标 UNC-1.M: 描述以图形方式表示的定量数据的汇总统计量。[技能 2.A]

  • UNC-1.M.1 定量数据或定量数据集的汇总统计量可用于在特定情境下为关于数据的论断提供依据。
  • UNC-1.M.2 如果分布相对对称,则均值和中位数彼此接近;如果分布右偏,则均值通常位于中位数的右侧;如果分布左偏,则均值通常位于中位数的左侧。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

A boxplot 箱线图 draws the five-number summary: a box from $Q_1$ to $Q_3$ with the median inside, and whiskers to the most extreme non-outlier values. A point is an outlier if it lies more than $1.5\times\text{IQR}$ beyond a quartile – a rule you may be asked to apply. Boxplots are ideal for comparing several groups side by side.

Worked example. A dataset has $Q_1=20$ and $Q_3=32$, so $\text{IQR}=12$. The outlier fences are $Q_1-1.5(12)=2$ and $Q_3+1.5(12)=50$. Any value below $2$ or above $50$ is flagged as an outlier.

Common mistakes. Building the fences from the range instead of the IQR; adding $1.5\times\text{IQR}$ to the median instead of to the quartiles; and drawing a whisker out to the fence ($50$) instead of to the largest value that is not an outlier.

A box-and-whisker plot shows the quartiles and the range
A box-and-whisker plot shows the quartiles and the range
A boxplot draws the five-number summary; the box spans the IQR
A boxplot draws the five-number summary; the box spans the IQR
探索

探索作为箱线图的五数概括

拖动 $Q_1$、中位数和 $Q_3$ 以查看箱体(其长度为 IQR,即四分位距),并观察中位数在箱内的位置如何揭示偏度——靠近 $Q_1$ 的中位数表示右偏分布。

词汇 训练
English 中文 拼音
boxplot/ˈbɒksplɒt/ 箱线图 xiāng xiàn tú
1.9

比较定量变量的分布

教学大纲

持久理解 (UNC-1): 图形表示和统计量使我们能够识别并呈现数据的关键特征。

学习目标 UNC-1.N: 比较多组定量数据的图形表示。[技能 2.D]

  • UNC-1.N.1 任何图形表示(例如直方图、并排箱线图等)均可用于在中心位置、变异性、聚类、间隙、离群值及其他特征方面比较两个或更多独立样本。

学习目标 UNC-1.O: 比较多组定量数据的汇总统计量。[技能 2.D]

  • UNC-1.O.1 任何数值汇总(例如均值、标准差、相对频率等)均可用于比较两个或更多独立样本。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

To compare two or more groups, compare shape, center, and spread, and mention outliers – always with comparative words ("Group A has a higher median than Group B") and in context. Do not just describe each group separately; make the comparison explicit.

Parallel box plots compare centre, spread and outliers of two groups
Parallel box plots compare centre, spread and outliers of two groups
探索

用箱线图比较分布

箱线图绘制五数概括。将两个箱线图置于同一尺度上,可以一目了然地比较它们的中心(中位数)、离散程度(IQR = 箱体宽度)和偏度——这是比较组别的公平方式。

1.10

正态分布

教学大纲

持久性理解 (VAR-2): 正态分布可用于表示某些总体分布。

学习目标 VAR-2.A: 将数据分布与正态分布模型进行比较。[技能 2.D]

  • VAR-2.A.1 参数是对总体的数值摘要。
  • VAR-2.A.2 某些数据集可以描述为近似正态分布。正态曲线呈山丘状且对称。正态分布的参数是总体均值,$\mu$,以及总体标准差,$\sigma$。
  • VAR-2.A.3 对于正态分布,大约 68% 的观测值位于均值的一个标准差范围内,大约 95% 的观测值位于均值的两个标准差范围内,大约 99.7% 的观测值位于均值的三个标准差范围内。这被称为经验法则。
  • VAR-2.A.4 许多变量可以用正态分布来建模。
    • VAR-2.A 的示例:
      • 可以用正态分布建模的变量:
        • 体温
        • 一条面包的重量

学习目标 VAR-2.B: 确定正态分布中的比例和百分位数。[技能 3.A]

  • VAR-2.B.1 特定数据值的标准化分数计算为(数据值 − 均值)/(标准差),它衡量数据值高于或低于均值的标准差数量。
  • VAR-2.B.2 标准化分数的一个例子是 $z$ 分数,其计算方式为 $z\text{-score} = \left(\dfrac{x_i - \mu}{\sigma}\right)$。$z$ 分数衡量数据值距离均值多少个标准差。
  • VAR-2.B.3 可以使用技术工具,如计算器、标准正态表或计算机生成的输出,来查找位于正态分布随机变量的给定区间内的数据值比例。
  • VAR-2.B.4 给定正态分布曲线下某个区域的面积,可以使用技术工具(如计算器、标准正态表或计算机生成的输出)来估计某些总体的参数。

学习目标 VAR-2.C: 比较数据集中的相对位置度量。[技能 2.D]

  • VAR-2.C.1 百分位数和 $z$ 分数可用于比较数据集中点之间的相对位置或不同数据集之间的相对位置。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

A normal distribution 正态分布 is a symmetric, bell-shaped model described by its mean $\mu$ and standard deviation $\sigma$. The empirical rule 经验法则 (68–95–99.7): about 68% of values lie within $1\sigma$ of the mean, 95% within $2\sigma$, and 99.7% within $3\sigma$.

The normal curve: a probability is the area under it, centred on the mean
The normal curve: a probability is the area under it, centred on the mean

A $z$-score 标准分数 measures how many standard deviations a value is from the mean:

$$z=\frac{x-\mu}{\sigma}.$$
Convert to a $z$-score, then use the normal table or technology to find the proportion (area) below, above, or between values – and reverse the process to find a value from a given percentile.

Worked example. Test scores are normal with $\mu=500$ and $\sigma=100$. A score of $700$ has $z=\dfrac{700-500}{100}=2$. By the empirical rule, $95\%$ of scores lie within $2\sigma$, so $2.5\%$ lie above $700$ – meaning a $700$ is at about the $97.5$th percentile.

Worked example: between two values, and backwards. With the same $\mu=500$, $\sigma=100$:

  • Proportion between $450$ and $650$: $z=\dfrac{450-500}{100}=-0.5$ and $z=\dfrac{650-500}{100}=1.5$. The area is $P(z<1.5)-P(z<-0.5)=0.9332-0.3085=0.6247$, so about $62.5\%$ of scores.
  • The score at the $90$th percentile: the table (or invNorm) gives $z=1.28$ for an area of $0.90$ below. Solve $z=\dfrac{x-\mu}{\sigma}$ for $x$: $x=\mu+z\sigma=500+1.28(100)\approx 628$.

On the exam, show the distribution, the boundary and the area: “Normal, $\mu=500$, $\sigma=100$, $P(450<X<650)\approx 0.6247$”. A bare calculator command does not earn full credit.

Common mistakes. Using the empirical rule for a $z$-score that is not a whole number ($z=1.5$ needs the table or technology); giving the area below when the question asks for the proportion above (subtract from $1$); and using a normal model for a distribution the question describes as strongly skewed.

The normal curve and the 68-95-99.7 empirical rule
The normal curve and the 68-95-99.7 empirical rule
探索

从原始数值到正态模型概率

$z=(x-\mu)/\sigma$

把本课原始数值、标准化边界和正确的阴影区域联系起来。调整模型并不能证明真实数据服从该模型。

词汇 训练
English 中文 拼音
normal distribution/ˈnɔːml ˌdɪstrɪˈbjuːʃn/ 正态分布 zhèng tài fēn bù
empirical rule/emˈpɪrɪkl ruːl/ 经验法则 jīng yàn fǎ zé
1.10

Practice

English

Answer each before reading the answers below.

  1. For the data $3,\ 5,\ 7,\ 8,\ 9,\ 12,\ 15$, find the median and the IQR, and check for outliers with the $1.5\times IQR$ rule.
  2. Household incomes in a city are strongly right-skewed. Which is larger, the mean or the median? Which better describes a typical household?
  3. A test has mean 70 and standard deviation 8. Find the $z$-score of a student who scored 82.
  4. If the scores in question 3 are approximately normal, what proportion of students scored below 58?
  5. A student says: "The mean is always the best measure of center." Correct the student.
1.10

答案

English
  1. Median $8$. $Q_1=5$ and $Q_3=12$ (medians of the lower and upper halves), so $IQR=7$. The fences are $5-10.5=-5.5$ and $12+10.5=22.5$; no value lies outside them, so there are no outliers.
  2. The mean is larger, pulled up by the few very high incomes. The median better describes a typical household, because it resists extreme values.
  3. $z=\dfrac{82-70}{8}=1.5$: one and a half standard deviations above the mean.
  4. $z=\dfrac{58-70}{8}=-1.5$, so the proportion is about $0.067$, or $6.7\%$.
  5. The mean is sensitive to outliers and skew. For skewed data or data with outliers, the median is the better summary of a typical value; report the IQR with it.
1.10

考试技巧

English
  • Describe a distribution by shape, center, spread, and outliers (SOCS) — always in context.
  • The mean is pulled by outliers; the median resists them, so prefer the median for skewed data.
  • For a normal distribution use the 68–95–99.7 rule and z-scores $z=\tfrac{x-\mu}{\sigma}$.
  • Compare distributions with side-by-side boxplots and comment on center, spread, and shape.
  • Standard deviation measures a typical distance from the mean; the IQR pairs with the median.
词汇 训练
English 中文 拼音
z-score/zed skɔː/ 标准分数 biāo zhǔn fēn shù

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