Statystyka w Psychologii · Wykład 3

Miary zróżnicowania

Dwie klasy z tą samą średnią mogą być diametralnie różne. Jak mierzyć rozrzut — i co mówi nam wynik standaryzowany Z?

Dlaczego rozrzut ma znaczenie?

Miary tendencji centralnej (moda, mediana, średnia) opisują tylko „środek" danych. Dwie grupy mogą mieć identyczną średnią, a mimo to różnić się tak bardzo, że porównanie ich wyłącznie przez pryzmat średniej byłoby błędem.

Przykład 1 — badanie kliniczne

Dwa leki obniżają ciśnienie średnio o 10 mmHg. Ale lek A obniża je równomiernie u każdego pacjenta, a lek B — u połowy o 20, u połowy o 0. Bez miary zróżnicowania nie widać tej różnicy.

Przykład 2 — oceny w klasie

Klasa A: wszyscy uczniowie mają 3,5. Klasa D: połowa ma 2,0, połowa ma 5,0. Średnia ocen identyczna (3,5) — klasy zupełnie różne. Sama średnia tego nie ujawnia.

Cztery klasy, jedna średnia — kliknij i porównaj

Każda z czterech klas ma tę samą średnią ocen: 3,5. Wybierz klasę, żeby zobaczyć rozkład ocen i wariancję.

Wybierz klasę, żeby
zobaczyć wykres.

Klasyfikacja miar zróżnicowania

Miary dzielą się według dwóch kryteriów: czy uwzględniają wszystkie obserwacje (klasyczne) czy tylko wybrane kwantyle (pozycyjne), oraz czy wynik jest w tych samych jednostkach co dane (bezwzględne) czy jest proporcją (względne).

BezwzględneWzględne
Klasycznes² wariancja
s odch. standardowe
Vs = s/X̄ współczynnik zmienności
PozycyjneQ odch. ćwiartkowe
Oz rozstęp
Vφ względne odch. ćwiartkowe

Miary klasyczne uwzględniają każdą obserwację (wrażliwe na wartości skrajne). Miary pozycyjne opierają się na kwantylach (odporne na outliery).

Rozstęp (Oz = xmax − xmin)›

Rozstęp to najprostsza miara zróżnicowania — różnica między najwyższą a najniższą obserwacją. Jest zawsze nieujemny.

Oz = xmax − xmin

Wada: zależy wyłącznie od dwóch skrajnych wartości. Jeden outlier radykalnie zwiększa rozstęp, nie opisując rozproszenia reszty danych. Dlatego rzadko stosuje się go jako jedyną miarę.

Przykład: Wyniki testu: {55, 60, 62, 65, 68, 70, 95}. Rozstęp = 95 − 55 = 40. Jedno skrajne 95 sprawia, że rozstęp wydaje się duży, choć pozostałe wyniki są skupione.

Odchylenie ćwiartkowe (Q = (Q3 − Q1) / 2)›

Odchylenie ćwiartkowe to połowa rozstępu interkwartylowego (IQR). Mierzy, jak szeroki jest środkowy 50% danych wokół mediany. Jest odporne na wartości skrajne.

Q = (Q3 − Q1) / 2 Q1 = 1. kwartyl (25. percentyl), Q3 = 3. kwartyl (75. percentyl)

Q informuje: „połowa obserwacji leży w odległości co najwyżej Q od mediany". Małe Q → dane skupione, duże Q → dane rozproszone.

Jak obliczyć kwartyle?

Szereg posortowany rosnąco. Mediana dzieli go na dwie połówki. Q1 = mediana dolnej połówki, Q3 = mediana górnej połówki.

Parzyste N=8: {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8}
Połowy: {1,2,3,4} i {5,6,7,8} → Q1 = (2+3)/2 = 2,5, Q2 = 4,5, Q3 = (6+7)/2 = 6,5
Q = (6,5 − 2,5)/2 = 2,0

Nieparzyste N=9: {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}
Mediana = 5 (wykluczona z obu połówek) → dolna: {1,2,3,4}, górna: {6,7,8,9}
Q1 = (2+3)/2 = 2,5, Q3 = (7+8)/2 = 7,5

Wariancja

Wariancja mierzy przeciętne kwadratowe odchylenie każdej obserwacji od średniej. Kwadratowanie jest konieczne — gdybyśmy zsumowali zwykłe odchylenia, suma zawsze wynosiłaby zero.

s² = Σ(Xi − X̄)² / N Suma kwadratów odchyleń od średniej, podzielona przez liczbę obserwacji

Krok po kroku — wiek uczestników badania

Dane: {18, 21, 23, 18, 19, 19, 19, 33, 18, 19, 19, 20}, N=12

  1. Oblicz średnią: X̄ = ΣX/N = 246/12 = 20,5
  2. Odejmij średnią od każdej wartości (odchylenia): −2,5; 0,5; 2,5; −2,5; −1,5; −1,5; −1,5; 12,5; −2,5; −1,5; −1,5; −0,5. Suma odchyleń = 0 — zawsze tak jest, bo średnia jest punktem równowagi.
  3. Podnieś każde odchylenie do kwadratu: 6,25; 0,25; 6,25; 6,25; 2,25; 2,25; 2,25; 156,25; 6,25; 2,25; 2,25; 0,25. Suma = 193
  4. Podziel przez N: s² = 193 / 12 ≈ 16,08
Dlaczego suma odchyleń = 0? Średnia jest matematycznym punktem równowagi zbioru. Wartości powyżej średniej dają odchylenia dodatnie, poniżej — ujemne, i zawsze się dokładnie znoszą. Dlatego nie możemy po prostu uśrednić odchyleń — kwadratowanie eliminuje ten problem.
Wzór obliczeniowy (skrót dla dużych zbiorów)›

Zamiast liczyć każde odchylenie, można skorzystać ze wzoru obliczeniowego — szczególnie przydatnego przy ręcznych obliczeniach:

s² = (ΣX² − (ΣX)²/N) / N

Przykład N=9: ΣX = 207, ΣX² = 5115
s² = (5115 − 207²/9) / 9 = (5115 − 4761) / 9 = 354/9 ≈ 39,33; s ≈ 6,27

Estymator wariancji — dzielnik (N−1)›

Gdy pracujemy z próbą (a nie populacją), wariancja obliczona wzorem N jest systematycznie zaniżona — próba rzadko zawiera skrajne wartości, przez co jej rozrzut wydaje się mniejszy niż w całej populacji.

s² = Σ(Xi − X̄)² / (N − 1) Wzór z N−1 to nieobciążony estymator wariancji populacyjnej

Przykład liczbowy: N=12, Σ(X−X̄)² = 193
Wariancja populacji: 193/12 ≈ 16,08
Estymator (próba): 193/11 ≈ 17,55

Różnica jest duża przy małym N, znikoma przy dużych próbach (N>100). W raportach badań zawsze sprawdź, czy użyto dzielnika N czy N−1.

Badanie: uśrednianie twarzy (Langlois & Roggman)

Badaczki pytały, dlaczego twarze uśrednione z wielu zdjęć są oceniane jako atrakcyjniejsze. Matematyczna odpowiedź leży w wariancji.

Zestaw 4 twarzy
0,4293
Wariancja ocen atrakcyjności
M = 2,64 · s = 0,655
Zestaw 32 twarzy
0,0048
Wariancja ocen atrakcyjności
M = 3,26 · s = 0,069

Uśredniając więcej twarzy, eliminuje się cechy skrajne (blizny, asymetrie, niezwykłe proporcje). Wariancja maleje drastycznie — z 0,43 do 0,005. Wzrost atrakcyjności jest więc skutkiem matematycznego wygładzenia, nie magicznego „idealnego piękna".

Odchylenie standardowe

Odchylenie standardowe to pierwiastek kwadratowy z wariancji. Przywraca wynik do tych samych jednostek co dane — dlatego jest bardziej interpretowalnie niż wariancja.

s = √s² = √(Σ(Xi − X̄)² / N) Typowa odległość obserwacji od średniej, w oryginalnych jednostkach

Interpretacja SD

Odchylenie standardowe mówi: o ile przeciętnie każda obserwacja różni się od średniej. Nie jest to dokładnie „przeciętne odchylenie" (bo kwadratowanie zawyża wkład wartości skrajnych), ale dostarcza użytecznej skali interpretacji.

Przykład: Dane {1, 2, 3, 4, 5, 6}, N=6
X̄ = 3,5 · s² = [(1−3,5)²+(2−3,5)²+(3−3,5)²+(4−3,5)²+(5−3,5)²+(6−3,5)²] / 6
= [6,25+2,25+0,25+0,25+2,25+6,25] / 6 = 17,5/6 ≈ 2,917
s = √2,917 ≈ 1,71 — typowa obserwacja różni się od średniej 3,5 o ok. 1,71 jednostki

SD w badaniu atrakcyjności twarzy

To samo badanie Langlois & Roggman, teraz z perspektywy odchylenia standardowego:

4 twarze uśrednione
s = 0,655
Duże zróżnicowanie ocen — każda twarz inna
32 twarze uśrednione
s = 0,069
Oceny bardzo zbliżone — twarz „homogeniczna"

SD spadło 9-krotnie przy 8-krotnym wzroście liczby uśrednianych twarzy. To ilustruje matematyczny fenomen: uśrednianie eliminuje skrajności i redukuje wariancję.

Wynik standaryzowany Z

Z-score (wynik standaryzowany) informuje, o ile odchyleń standardowych dana wartość różni się od średniej. Pozwala porównywać wyniki z różnych rozkładów.

Z = (X − X̄) / SD X — wartość, X̄ — średnia, SD — odchylenie standardowe
Z > 0

Wartość powyżej średniej

Z = 0

Wartość równa średniej

Z < 0

Wartość poniżej średniej

Strefy interpretacyjne Z-score›

W rozkładzie normalnym, strefy interpretacyjne to:

  • |Z| < 1 — wynik typowy; ~68% populacji mieści się w tym zakresie
  • 1 ≤ |Z| < 2 — wynik powyżej/poniżej przeciętnej; ~28% populacji
  • 2 ≤ |Z| < 3 — wynik rzadki; ~4% populacji
  • |Z| ≥ 3 — wynik skrajny, outlier; poniżej 0,3% populacji
Przykłady obliczeniowe z wykładu›

Przykład 1: X = 32, M = 40, SD = 6
Z = (32 − 40) / 6 = −8/6 = −1,33 — wynik o 1,33 SD poniżej średniej

Dla rozkładu N(14,68; 3,08) — czas w sekundach:

X = 20: Z = (20 − 14,68) / 3,08 = 5,32/3,08 ≈ 1,73 — P(Z < 1,73) ≈ 95,8%
X = 6: Z = (6 − 14,68) / 3,08 ≈ −2,82 — wynik skrajnie niski
X = 16: Z = (16 − 14,68) / 3,08 ≈ 0,43 — wynik typowy

Kalkulator Z-score z krzywą normalną

Ustaw wartość X, średnią i odchylenie standardowe suwakami. Zacieniowany obszar pod krzywą to P(Z < z) — odsetek populacji z wynikiem nie wyższym niż X.

32
40
6
Z = (32 − 40) / 6 = −1,33
−3 −2 −1 0 1 2 3 Z = −1,33
P(Z < −1,33) ≈ 9,2% populacji ma wynik nie wyższy niż X = 32
Wynik o 1,33 SD poniżej średniej — poniżej przeciętnej, ale nie skrajny (zakres 1–2 SD).

Słowniczek — kliknij kartę, żeby zobaczyć definicję

Miary
zróżnicowania
Statystyki opisujące, jak bardzo obserwacje różnią się od siebie nawzajem lub od miary tendencji centralnej.
Rozstęp
(Oz)
Oz = xmax − xmin. Najprostsza miara rozrzutu, lecz wrażliwa na wartości skrajne.
Odchylenie
ćwiartkowe (Q)
Q = (Q3−Q1)/2. Połowa IQR — opisuje szerokość środkowych 50% danych, odporna na outliery.
Wariancja
(s²)
Przeciętne kwadratowe odchylenie od średniej: s² = Σ(X−X̄)²/N. Kwadratuje jednostki.
Odchylenie
standardowe (s)
s = √s². Pierwiastek z wariancji — przywraca wynik do oryginalnych jednostek danych.
Estymator
wariancji
s² = Σ(X−X̄)²/(N−1). Dzielnik N−1 koryguje zaniżenie wariancji populacyjnej przez próbę.
Z-score
Z = (X−X̄)/SD. Wynik standaryzowany — ile SD dzieli X od średniej. Umożliwia porównywanie rozkładów.
Miary
bezwzględne
Miary wyrażone w tych samych jednostkach co dane (np. s, Q, Oz). Wartość zależy od skali pomiarowej.
Miary
względne
Miary wyrażone jako proporcja (np. Vs = s/X̄). Pozwalają porównywać zróżnicowanie różnych skali.
Miary
klasyczne
Uwzględniają wszystkie obserwacje (s², s). Wrażliwe na wartości skrajne, ale pełnoinformacyjne.
Miary
pozycyjne
Opierają się na kwantylach (Q, Oz). Odporne na outliery — używane gdy dane mają skrajne wartości.
Langlois
& Roggman
Badaczki pokazały, że uśrednione twarze są oceniane jako atrakcyjne, bo uśrednianie zmniejsza wariancję cech.

Quiz — sprawdź wiedzę

Pytanie 1 / 12

Kluczowe wnioski