درسنامه آموزشی فصل هفتم ریاضی (2) کلاس یازدهم علوم تجربی با پاسخ درس 2: آمار توصیفی
مقدمه
آمار توصیفی به خلاصهسازی دادهها در قالب نمودار، جدول و یا شاخصهایی در قالب معیارهای گرایش به مرکز و معیارهای پراکندگی که در ادامه با آنها آشنا خواهید شد، میپردازد. آمار توصیفی اطلاعاتی از چگونگی دادههای جمعآوری شده فراهم میآورد که بسیار مفید است.
معیارهای گرایش به مرکز
معمولاً سعی میشود، دانستههای نهفته در دادهها را بهصورت یک یا چند عدد شاخص درآورد، تا بتوان هم اندیشهٔ کلی درباره ویژگی مورد مطالعه بهدست آورد و هم نتیجه مطالعات را بهسادگی گزارش کرد. میانگین و میانه بهعنوان معیارهای گرایش به مرکز در این کتاب معرفی میشوند.
میانگین
میانگین سادهترین و در عین حال پرکاربردترین معیار گرایش به مرکز است که در پایهٔ هشتم با آن آشنا شدهاید.
فعالیت (صفحه 153 تا 154 کتاب درسی)
محمد، جرم 5 نفر از دوستان خود را پرسید و آنها را در جدول زیر یادداشت کرد. سپس میانگین جرم دوستان خود را حساب کرد:
دوست | رضا | نیما | سام | احمد | علی |
جرم (کیلوگرم) | 55 | 61 | 57 | 55 | 62 |
نحوۀ محاسبه میانگین
1) محمد ابتدا مجموع جرم دوستان خود را محاسبه کرد:
2) سپس عدد حاصل را بر عدد 5 (تعداد دوستان) تقسیم کرد:
میانگین جرم دوستان محمد برابر است با ……… .
ویژگیهای میانگین
اگر هر یک از دادههای آماری با مقدار ثابتی جمع شود، میانگین آنها نیز با همان مقدار ثابت جمع خواهد شد. چرا؟
اگر هر یک از دادههای آماری در مقدار ثابتی ضرب شود، میانگین آنها نیز در همان مقدار ثابت ضرب خواهد شد. چرا؟
کار در کلاس (صفحه 154 کتاب درسی)
1) در فعالیت قبل، میانگین جرم دوستان محمد چند گرم است؟
2) هوای اهواز در هر ساعت از یک روز بهاری گزارش شد. اگر میانگین دمای هوا 28 درجهٔ سانتیگراد باشد، میانگین دمای هوا چند درجهٔ فارنهایت است؟ (راهنمایی )
میانه
مثال: در فعالیت قبل، میانهٔ دادهها کدام است؟
محمد برای پاسخ به این سؤال:
الف) دادهها را از کوچک به بزرگ مرتب کرد:
62 61 57 55 55
ب) جرم رضا و احمد از سام کمتر است. در حالی که جرم علی و نیما از سام بیشتر است.
در مثال فوق، عدد 57 را میانهٔ دادهها مینامند، زیرا پس از مرتب کردن دادهها از کوچک به بزرگ، در وسط دادهها قرار میگیرد.
مثال: اعداد زیر نمرههای درس ریاضی سمیرا در طول یک سال است.
- میانگین و میانهٔ نمرههای او را حساب کنید.
5 20 18 18 17 19
الف) محاسبهٔ میانگین
ب) محاسبهٔ میانه
پ) به نظر شما کدام معیار توانایی دانشآموز در این درس را بهتر ارزیابی میکند؟ چرا؟
کار در کلاس (صفحه 155 کتاب درسی)
دادههای زیر مربوط به تعداد ضربان قلب 12 دانشآموز پایهٔ یازدهم، قبل از یک مسابقهٔ دو است.
86 97 92 89 101 98 98 105 75 82 91 100
- میانهٔ دادهها را مشخص کنید.
- میانگین دادهها را مشخص کنید.
معیارهای پراکندگی
میانه و میانگین اطلاعاتی پیرامون مرکز دادهها در اختیار ما قرار میدهند. گاه در توصیف دادهها لازم است از چگونگی پراکندگی آنها نیز اطلاعی داشته باشیم. در این درس با دامنهٔ تغییرات، واریانس، انحراف معیار، چارک اول و چارک سوم بهعنوان معیارهای پراکندگی آشنا خواهیم شد.
فعالیت (صفحه 156 کتاب درسی)
نمرهٔ درس ریاضی دانشآموزان دو کلاس و ، به تفکیک گزارش شده است:
12 | 11 | 10 | 9 | 8 | |
20 | 15 | 10 | 5 | 0 |
الف) میانهٔ نمرهٔ این دو کلاس را محاسبه کنید.
ب) میانگین نمرهٔ این دو کلاس را محاسبه کنید.
پ) به نظر شما یک معلم ریاضی ترجیح میدهد در کدام کلاس تدریس کند؟ چرا؟
همانطور که در فعالیت میبینید، تنها توجه به معیارهای گرایش به مرکز نمیتواند اطلاعات کاملی از دادهها در اختیار ما قرار دهد و لازم است به چگونگی پراکندگی دادهها نیز توجه شود.
دامنۀ تغییرات
مثال: در فعالیت بالا برای محاسبهٔ دامنهٔ تغییرات نمره ریاضی کلاس و کلاس بهصورت زیر عمل کنید:
کلاس | کلاس | |
کوچکترین داده | 0 | 8 |
بزرگترین داده | 20 | 12 |
دامنه تغییرات | 20=20-0 | 4=12-8 |
در فعالیت بالا دامنهٔ تغییرات نمرهٔ ریاضی کلاس ، 4 نمره و دامنهٔ تغییرات نمرهٔ ریاضی کلاس ، 20 نمره است. ملاحظه میشود که در کلاس پراکندگی دادهها کمتر از کلاس است.
کار در کلاس (صفحه 157 کتاب درسی)
معلم از 7 نفر از دانشآموزان خواست تا تعداد کتابهای غیردرسی را که در طول تابستان گذشته مطالعه کردهاند، گزارش کنند.
الف) دامنه تغییرات آنها را محاسبه کنید.
1 4 14 12 9 8 15
ب) دو دانشآموز دیگر به جمع آنها اضافه شدند و آنها نیز تعداد کتابهای غیردرسی را که در طول تابستان گذشته مطالعه کرده بودند، به ترتیب 5 و 11 اعلام کردند. مجدداً دامنهٔ تغییرات این 9 داده را محاسبه کنید.
پ) از مقایسهٔ پاسخ الف و ب چه نتیجهای میگیرید؟
همانطور که میبینید، دامنهٔ تغییرات تنها به بزرگترین و کوچکترین دادهها وابسته است و با تغییر تعداد و مقدار دادههای میانی، مقدار آن تغییر نخواهد کرد. پس این معیار نمیتواند بیانگر خوبی برای پراکندگی دادهها باشد.
واریانس
میخواهیم شاخص بهتری برای بیان پراکندگی دادهها پیدا کنیم. از آنجا که میانگین، معیاری برای مرکز دادهها است، شاخصی که بیانگر اختلاف دادهها از میانگین باشد و معایب وارد بر دامنه تغییرات را برطرف سازد، میتواند شاخص بهتری برای بیان پراکندگی دادهها باشد.
فعالیت (صفحه 157 کتاب درسی)
الف) در ادامهٔ فعالیت قبل اختلاف از میانگین را برای نمرههای ریاضی کلاس و به کمک جدول زیر محاسبه کنید.
کلاس | کلاس | ||
0 | 8 | ||
5 | 9 | ||
10 | 10 | ||
15 | 11 | ||
20 | 12 |
ب) مجموع اختلاف دادهها از میانگین را برای هر کلاس محاسبه کنید.
در هر دو کلاس، مجموع اختلاف دادهها از میانگین دادهها صفر شد. با مراجعه به تعریف میانگین، بدیهی است این نتیجه اتفاقی نبوده است.
بنابراین برای ساختن شاخصی که پراکندگی حول میانگین را نشان دهد، باید از قدرمطلق اختلاف دادهها از میانگین یا از مجذور اختلاف دادهها از میانگین استفاده کرد. استفاده از مجذور اختلاف دادهها از میانگین متداولتر است.
الف) مجذور اختلاف از میانگین برای نمرههای ریاضی کلاس و را به کمک جدول زیر محاسبه کنید.
کلاس | کلاس | |||||
0 | 8 | |||||
5 | 9 | |||||
10 | 10 | |||||
15 | 11 | |||||
20 | 12 |
ب) مجموع مجذور اختلاف دادهها از میانگین را برای هر کلاس محاسبه کنید.
مجموع مجذور اختلاف دادهها از میانگین برای کلاس | |
مجموع مجذور اختلاف دادهها از میانگین برای کلاس |
پ) میانگین مجذور اختلاف دادهها از میانگین را برای هر کلاس محاسبه و مقایسه کنید.
میانگین مجذور اختلاف دادهها از میانگین برای کلاس | |
میانگین مجذور اختلاف دادهها از میانگین برای کلاس |
تذکر: واحد واریانس برابر با توان دوم واحد دادهٔ مورد نظر است.
همانطور که در فعالیت قبل دیده میشود، واریانس بزرگ (کلاس ) نشان دهندهٔ دور بودن دادهها از میانگین آنها و واریانس کوچک (کلاس ) نشان دهندهٔ نزدیکی دادهها به میانگین آنهاست. چنانچه همهٔ دادهها با هم برابر باشند، واریانس آنها صفر خواهد بود. بنابراین واریانس معیار خوبی برای سنجش پراکندگی و تغییرپذیری دادهها نسبت به میانگین است.
کار در کلاس (صفحه 159 کتاب درسی)
واریانس تعداد کتابهای غیردرسی مطالعه شده در «کار در کلاس» قبل، توسط 7 و 9 دانشآموز را محاسبه کنید.
واریانس | دامنهٔ تغییرات | تعداد کتابهای مطالعه شده توسط هر دانشآموز | |||||||||||||
14 | 1 | 4 | 14 | 12 | 8 | 8 | 15 | ||||||||
14 | 11 | 5 | 1 | 4 | 14 | 12 | 8 | 8 | 15 |
همانطور که در این «کار در کلاس»، دیده میشود، واریانس برخلاف دامنهٔ تغییرات، با تغییر تعداد و مقادیر دادهها تغییر میکند.
ویژگی های واریانس
اگر هر یک از دادههای آماری با مقدار ثابتی جمع شود، واریانس آنها تغییر نخواهد کرد. چرا؟
اگر هر یک از دادههای آماری در مقدار ثابتی ضرب شود، واریانس آنها در مجذور همان مقدار ثابت ضرب خواهد شد. چرا؟
کار در کلاس (صفحه 159 کتاب درسی)
1) در اولین فعالیت، واریانس جرم دوستان محمد چند گرم به توان دو است؟
2) هوای اهواز در هر ساعت از یک روز بهاری گزارش شد. اگر واریانس دمای هوا 6 درجهٔ سانتیگراد به توان دو باشد، واریانس دمای هوا چند درجهٔ فارنهایت به توان دو است؟ (راهنمایی )
انحراف معیار
معیارهای گرایش به مرکز و پراکندگی فعالیت قبل در جدول زیر آمده است.
جذر واریانس | واریانس | دامنهٔ تغییرات | میانه | میانگین | |
1/6 | 2 | 4 | 10 | 10 | کلاس |
7/9 | 50 | 20 | 10 | 10 | کلاس |
همانطور که در جدول و نمودار بالا دیده میشود، واریانس پراکندگی حول میانگین را بیشتر از حد انتظار نشان میدهد ؛ زیرا در محاسبهٔ واریانس از میانگین مجذور اختلاف از میانگین دادهها استفاده میشود. درحالی که جذر واریانس شاخص بهتری برای پراکندگی حول میانگین دادهها است.
برای گزارش پراکندگی، کدام شاخص را ترجیح میدهید؟ چرا؟
مجدداً این سؤال را مطرح میکنیم که در این فعالیت، به نظر شما یک معلم ریاضی ترجیح میدهد در کدام کلاس تدریس کند؟ چرا؟
ضریب تغییرات
ضریب تغییرات که با نمایش داده میشود، نسبت انحراف معیار به میانگین است و معمولاً به صورت درصد بیان میشود.
کار در کلاس (صفحه 160 کتاب درسی)
فرض کنیم جرم دو نوزاد به ترتیب کیلوگرم و کیلوگرم و جرم دو فرد چهل ساله به ترتیب کیلوگرم و کیلوگرم است.
الف) تفاوت جرم دو نوزاد چقدر است؟
ب) تفاوت جرم دو فرد چهل ساله چقدر است؟
پ) انحراف معیارهای هر دو دسته را بهدست آورید.
ت) فکر میکنید تفاوت جرمها در کدام دسته زیادتر به نظر میرسد؟
ث) ضریب تغییرات هر دو دسته را بهدست آورید.
همانگونه که دیدید با اینکه میزان تغییرات دو داده در هر دو دسته یکسان است اما ضریب تغییرات در متفاوت است زیرا این شاخص، تغییرات را به نسبت میانگین میسنجد.
لازم به ذکر است که از ضریب تغییرات فقط برای دادههای مثبت استفاده میشود.
کار در کلاس (صفحه 160 کتاب درسی)
موجودی حساب پس انداز علی و محمد و امید در ابتدای یک سال به ترتیب و و ریال است. (مقادیر و و دو به دو متمایزند) اگر این سه نفر ماهانه صد هزار تومان به حساب خود واریز کرده و هیچ مبلغی برداشت نکنند، ضریب تغییرات موجودیهای آنها در پایان سال نسبت به ابتدای سال چه تغییری خواهد کرد؟ افزایش مییابد یا کاهش؟ چرا؟
چارکها
میبینید که 25 درصد دادهها از 48 (چارک اول)، 50 درصد دادهها از 70 (میانه) و 75 درصد دادهها از 87 (چارک سوم) کمتر است.
محاسبهٔ چارکها:
1- ابتدا میانه دادهها را به دست آورید.
2- برای دادههای مرتب شده قبل از میانه، یک میانه به دست آورید و آن را چارک اول بنامید.
3- برای دادههای مرتب شده بعد از میانه، یک میانه به دست آورید و آن را چارک سوم بنامید.
مثال: تعداد تصادفهای اتومبیلها در 15 روز اول تابستان در شهری بهصورت زیر گزارش شده است.
19 31 25 18 32 41 43 34 16 27 14 23 15 10 12
چارکها را مشخص کنید:
توجه به این نکته نیز ضروری است که با توجه به تعداد دادهها، ممکن است چارکها دقیقاً خود دادهها نباشند و در فاصلهٔ بین دو دادهٔ متوالی قرار گیرند.
کار در کلاس (صفحه 162 کتاب درسی)
معلم یک کلاس میخواهد متوسط مدت زمان استفاده دانشآموزان از اینترنت را برآورد کند. وی از 35 دانشآموز کلاس خود پرسید، در یک شبانهروز چند دقیقه از اینترنت استفاده میکنند؟ در زیر پاسخ آنها گزارش شده است.
45 | 90 | 60 | 200 | 15 | 180 | 45 | 80 | 30 | 120 |
75 | 90 | 90 | 60 | 20 | 120 | 115 | 60 | 30 | 20 |
45 | 45 | 60 | 60 | 60 | 100 | 90 | 75 | 200 | 25 |
15 | 30 | 180 | 100 | 120 |
چارک اول، میانه و چارک سوم مدت زمان استفاده از اینترنت دانشآموزان این کلاس را مشخص کنید.
تمرین (صفحه 162 تا 163 کتاب درسی)
1) درستی یا نادرستی جملههای زیر را مشخص کنید.
- اگر مقدار ثابت و مثبت از دادهها کم شود، انحراف معیار به اندازهٔ کاهش مییابد.
- اگر مقدار ثابت و مثبت به دادهها اضافه شود، ضریب تغییر بزرگتر میشود.
- اگر مقدار ثابت و مثبت در دادهها ضرب شود، انحراف معیار برابر میشود.
- اگر مقدار ثابت و مثبت در دادهها ضرب شود، ضریب تغییر ثابت میماند.
2) ضریب تغییرات سن دانشآموزان کلاس شما 10 سال دیگر چه تغییری میکند؟
3) علیرضا و آرمان دو کارمند شرکت A هستند که وظایف یکسانی دارند اما حقوق دریافتی آنها به ترتیب 1200000 تومان و 1600000 تومان است. محمد و بهروز نیز دو کارمند شرکت B هستند که با وظایف یکسان حقوقهایی به ترتیب 2500000 تومان و 3000000 تومان دریافت میکنند. بهنظر شما در کدام شرکت بیعدالتی بیشتری در پرداخت حقوق به این افراد مشاهده میشود؟ توضیح دهید.
4) جدول زیر، پول توجیبی (ده هزار ریال) هفتگی پنج دوست نزدیک مینا و مریم را نشان میدهد.الف) میانگین و میانهٔ پول توجیبی را برای دوستان مریم و مینا محاسبه کنید. ب) انحراف معیار پول توجیبی را برای دوستان مریم و مینا محاسبه کنید. پ) برنامهریزی برای یک سفر یک روزه با دوستان برای مینا سادهتر است یا مریم؟
27 | 26 | 25 | 24 | 23 | مینا |
35 | 30 | 25 | 20 | 15 | مریم |
5) میانگین، میانه و انحراف معیار نرخ تورم (مراجعه به خواندنی) سال های 94-84 را بر اساس جدول زیر محاسبه کنید.
1394 | 1393 | 1392 | 1391 | 1390 | 1389 | 1388 | 1387 | 1386 | 1385 | 1384 | سال |
11/9 | 15/6 | 34/7 | 30/5 | 21/5 | 12/4 | 10/8 | 25/4 | 18/4 | 11/9 | 10/4 | نرخ تورم |
6) در جدول زیر، ارتفاع از سطح دریا برای بعضی از شهرهای استان مرکزی و کهگیلویه و بویراحمد دیده میشود. (راهنمایی ، فوت: ، متر: )
کهگیلویه و بویراحمد | مرکزی | ||||||
دنا | دهدشت | یاسوج | شازده | خمین | محلات | اراک | شهر |
ارتفاع از سطح دریا |
الف) میانگین ارتفاع از سطح دریا در شهرهای استان مرکزی چقدر است؟
ب) انحراف معیار ارتفاع از سطح دریا در شهرهای استان مرکزی چقدر است؟
پ) ارتفاع از سطح دریا برای شهرهای کدام استان بیشتر است؟