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第 1 章 記述統計の復習

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第 1 章 記述統計の復習. 統計学  2011 年度. Ⅰ  データの種類 Ⅱ 1 変量データのまとめ方 a)  特性値による記述 代表値(中心的傾向) ⅰ)  算術平均  ⅱ)  メディアン  ⅲ)  モード  ⅳ)  各代表値の特徴 2)  散布度(散らばりの傾向) ⅰ)  分散  ⅱ)  標準偏差  ⅲ)  レンジ  ⅳ)  四分位偏差 b)   表・グラフによる記述 1)  折れ線グラフ・棒グラフ・円グラフ・帯グラフ 2)  度数分布表 3)  ヒストグラム・度数折れ線 4)  度数分布表における算術平均・分散 Ⅲ 2 変量データのまとめ方

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第1章 記述統計の復習

統計学 2011年度

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Ⅰ データの種類

Ⅱ1変量データのまとめ方

a) 特性値による記述

  • 代表値(中心的傾向)

ⅰ) 算術平均 ⅱ) メディアン ⅲ) モード ⅳ) 各代表値の特徴

2) 散布度(散らばりの傾向)

ⅰ) 分散 ⅱ) 標準偏差 ⅲ) レンジ ⅳ) 四分位偏差

b)  表・グラフによる記述

1) 折れ線グラフ・棒グラフ・円グラフ・帯グラフ

2) 度数分布表

3) ヒストグラム・度数折れ線

4) 度数分布表における算術平均・分散

Ⅲ2変量データのまとめ方

a) 特性値による記述

  • 相関係数

b) 表・グラフによる記述

1) 分割表(クロス集計表)・2次元ヒストグラム

2) 散布図

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Ⅰ データの種類

10人の学生について下の表のような情報がえられた。

  • 学年、性別、出身地、身長、体重、家族の人数、テストの点数という7つの変量(変数)について、10個の観測値を持つデータ。
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データを分析する場合、性別や出身地などの情報はなんらかの数値によって表されることが多い。データを分析する場合、性別や出身地などの情報はなんらかの数値によって表されることが多い。

 この例では出身地(都道府県コード)、性別(男-1、女-2)を数値で表している。

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質的変量(質的変数)

量的変量(量的変数)

性別、学年、出身地など

家族の人数、テストの点数など

身長、体重など

離散変量(離散変数)

連続変量(連続変数)

この表にある変量は次のように分類することができる。

<質的変量と量的変量>

  • 数値が量的な意味を持つ変量を量的変量、意味を持たないものを質的変量という。
  • 家族の人数は数値に意味があるが、性別などは数値に意味が無い。また、学年は実際に大学に在学している年数とは異なり、分類のための数値である。
  • 質的変量か量的変量を見分けるには、「算術平均をとって意味があるか」を考えてみる方法がある。
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テストの点数(離散変量)

50

51

52

53

<離散変量と連続変量>

  • 量的変量はさらに離散変量と連続変量に分類される。
  • 離散変量は家族の人数やテストの点数など、とびとびの値しかとらない変量である。
  • 一方、身長や体重などは正確に測ろうとする場合、無限に細かい数値になる。(身長171.2865...cm)このような変量は連続変量である。

身長(連続変量)

170

171

172

173

データの種類によって、まとめ方が異なる

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Ⅱ1変量データのまとめ方
  • データのまとめ方には
    • 特性値による記述(数値的表現)
    • 表・グラフによる記述(視覚的表現)

 がある。

  • 特性値による記述は、データの特徴をまとめ、それを用いた分析をおこなうことが中心的な役割である。
  • 表・グラフによる記述は、データの特徴を一目でとらえやすくするためにおこなわれる。
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a) 特性値による記述

1) 代表値(中心的傾向)

  • ある集団についてのデータ(例えば50人のクラスの身長など)があるとき、集団の特徴をあらわすには、その中心的傾向を示す数値が必要となる。
  • 中心的傾向をあらわす数値として、
    • 算術平均
    • メディアン(中央値)
    • モード(最頻値)

の3種類がある。

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ⅰ) 算術平均

  • 算術平均 = データの合計 ÷ データ数

(例) 10人のテストの点数

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ⅱ) メディアン(中央値、中位数)

  • メディアン → データを大きさの順に並べたときに真ん中にくる値。データ数が偶数のときは真ん中の2つの値を足して2で割る。

点数の低い順に並べ替え

真ん中

この2つを足して2で割った

(60+70)÷2=65がメディアン

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ⅲ) モード(最頻値)

  • モード - データの中で最も多く出てくる値。10人のテストの点数の例では

80点が3人と最も多い。モードは80となる。

  • データのとりうる値が多いとき、データの最も多く出てくるものではなく、度数分布表にしたときに、最も度数の多い階級の階級値をモードと考える。
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ⅳ) 各代表値の特徴

  • 下の表は2010年の福岡ソフトバンクと北海道日本ハムの投手別勝利数(上位5人)である。

データ出典:日本野球機構オフィシャルサイト(www.npb.or.jp)

  • ソフトバンクの算術平均は10勝、日本ハムの算術平均は10.6勝と、差はあまり大きくない。
  • ソフトバンクは、算術平均以上は和田、杉内の2人のみで、メディアンは8勝と小さくなるのに対し、日本ハムは、算術平均以上が3人いて、メディアンも12勝と大きくなる。これは2010年のソフトバンクが、和田、杉内の2本柱に頼っていたのに対し、日本ハムは合格点の投手が多数いたことを示している。
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貯蓄現在高が算術平均(1638万円)より低い世帯は全世帯の3分の2におよぶ。ほとんどの世帯はメディアンである988万円ほどの貯蓄もなく、200万円未満の貯蓄しかない(ここがモードである)。貯蓄現在高が算術平均(1638万円)より低い世帯は全世帯の3分の2におよぶ。ほとんどの世帯はメディアンである988万円ほどの貯蓄もなく、200万円未満の貯蓄しかない(ここがモードである)。

  • 少数の大金持ちと多数の庶民がいるため、このようなことがおこる。

下の図は貯蓄現在高階級別の世帯分布である。

出典:総務省統計局『家計簿から見たファミリーライフ』

(http://www.stat.go.jp/data/kakei/family/4-5.htm#1)

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ゆがんだ分布であれば、算術平均とメディアンは一致しない。(モードも一致しない)ゆがんだ分布であれば、算術平均とメディアンは一致しない。(モードも一致しない)

左右対称な分布であれば、算術平均とメディアンは一致する。また、分布の山が1つであれば、モードもこれに一致する。

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算術平均は少数の極端な値が含まれるとき、その集団の正しい代表値とならないことがある。メディアンの方が少数の極端な値の影響を受けづらい。算術平均は少数の極端な値が含まれるとき、その集団の正しい代表値とならないことがある。メディアンの方が少数の極端な値の影響を受けづらい。
  • しかし、貯蓄現在高のように分布がゆがんでいる場合には、メディアンでも集団の正しい代表値とはいえない場合もある。(この場合はモードが適切か)
  • しかし、算術平均は数学的な扱いやすさから、代表値として非常に良く用いられている。

算術平均をうのみにしないようにしよう!

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b) 特性値による記述

1) 散布度(散らばりの傾向)

  • 教員A
  • チャイムの5分後に必ず教室にくる。
  • 教員B
  • チャイムと同時に教室にくることもあれば、10分以上遅れることもある。
  • 2人の教員はともに平均してチャイムの5分後に教室にくる
  • 2人の教員の特徴を表現するために、平均だけでは不十分。
  •    →散らばりの尺度の必要性
  • 散らばりの傾向をあらわす尺度として
    • 分散、標準偏差
    • レンジ(範囲)、四分位偏差
    • などがある。
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ⅰ) 分散

  • 分散=偏差2乗和÷データ数

偏差2乗和 - 個々のデータから算術平均を引いたもの(偏差)を2乗して、すべて加えたもの。

10人のテストの点数の例では

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算術平均60を引く

偏差

2乗を求める

合計を求める

6400

データ数(10)で割る

640

分散

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ⅱ) 標準偏差

  • 標準偏差 ⇒ 分散の平方根

10人のテストの点数の例では

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教員B

となり、教員Bの分散の方が大きいことがわかる。

標準偏差も      である。

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ⅲ) レンジ(範囲)

  •  レンジ ⇒ データの取りうる範囲
  •  レンジ = 最大値 - 最小値
  • 10人のテストの点数の例では
  • 90 - 10=80
  • データを大きさの順(小さい順)に並べて、4分割する点をq1,q2,q3とする。
  • このとき、次式で定義されるQを四分位偏差という。

ⅳ) 四分位偏差

q1

q2

q3

最大値

最小値

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(例)9人のテストの点数が次のようになっていたとする。(例)9人のテストの点数が次のようになっていたとする。

点数の低い順に並べ替え

q1

q2

(メディアン)

q3

最小値

最大値

q1⇒最小値とq2(メディアン)の真ん中の値

q3⇒q2(メディアン)と最大値の真ん中の値

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b) 表・グラフによる記述

1)  折れ線グラフ・棒グラフ・円グラフ・帯グラフ

  • 集団の特徴をあらわすためには、代表値や散布度などの数値とともに、さまざまな表やグラフが用いられる。
  • なかでも、折れ線グラフと棒グラフは、さまざまなデータの表現に利用される。
  • 折れ線グラフは、主に時系列データ(時間の順序によって並べたデータ)に利用される。棒グラフは時系列データにもクロスセクションデータ(1時点におけるデータを何らかの項目でまとめたもの)にも利用される。

出典:総務省統計局『労働力調査』

出典:日本野球機構オフィシャルサイト

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<時系列データとクロスセクションデータ>

(例) 交通事故死亡者数の推移(中国地方5県)(データ出典: 警察庁「交通事故死者数について」)

鳥取県の交通事故死亡者数の年次推移

  → 時系列データ

(単位:人)

2010年の県別交通事故死亡者数

  → クロスセクションデータ

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クロスセクションデータには、通常棒グラフを用いる。クロスセクションデータには、通常棒グラフを用いる。

出典:文部科学省『学校基本調査』

右の図は上の図を折れ線グラフで描きなおしたものであるが、隣り合う県†どうしを線で結んでも、そこに意味はない。

???

†都道府県コードの順なので、必ずしも隣接してはいない。

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棒グラフは前述のように、クロスセクションデータ対して用いるが、時系列データに用いられることも少なくない。棒グラフは前述のように、クロスセクションデータ対して用いるが、時系列データに用いられることも少なくない。

  • 単位の異なる2つの時系列データを1つのグラフであらわすとき、折れ線グラフと棒グラフを重ね合わせて表現することがよくおこなわれる。
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円グラフは相対的な割合を表現するときに用いられる。円グラフは相対的な割合を表現するときに用いられる。
  • 帯グラフは相対的な割合が、時間とともにどのように変化していくかなどを表現するときに用いられる。

10人の学生の例から作成

出典:総務省統計局『国勢調査』

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2) 度数分布表

  • 質的変量および量的変量のうち離散変量は、棒グラフや円グラフとして表すことができる。
  • では、連続変量を棒グラフで表したい場合どのようにすればよいであろうか?そのままあらわすと下図のようになる。
  • このような棒グラフでは、集団の特徴がよくわからない。
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サッカー日本代表

 東北地方太平洋沖地震復興支援チャリティーマッチ がんばろうニッポン! (2011.3.29) ベンチ入りメンバー

  • そこで、データをいくつかの階級に分け、その階級に入る度数を表の形でまとめた度数分布表を作成する必要がある。

† その階級を代表する値を階級値という。階級の上限と下限をたして2で割った値が用いられることが多い。

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† 質的変量や離散変量の場合は、とりうる値1つ1つが階級となる。† 質的変量や離散変量の場合は、とりうる値1つ1つが階級となる。

ただし、年収・貯蓄のようにとり得る値が多い場合には、連続変量と同様に階級を設定する。

  • 度数分布表の階級の幅は原則として均一にする。ただし、貯蓄現在高のようにすべて均一にすることによって、度数が極めて小さくなる場合には、一部の階級幅を広げることもある。
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3) ヒストグラム・度数折れ線

  • 度数分布表を棒グラフであらわしたものをヒストグラムといい、それぞれの棒は間隔をつめて描かれる。これは階級と階級の間が連続していることによる。
  • 度数折れ線はヒストグラムにおいてその頂点を折れ線グラフで結んだものである。
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度数分布表の階級幅、階級の上限と下限の値の取り方によってヒストグラムは大きく変化する。度数分布表の階級幅、階級の上限と下限の値の取り方によってヒストグラムは大きく変化する。
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4) 度数分布表における算術平均・分散の導出4) 度数分布表における算術平均・分散の導出

  • 先の例では、サッカー日本代表26人の身長のデータを度数分布表にまとめた。
  • 反対に個々のデータが入手できず、度数分布表のみ入手できる場合がある。その場合、度数分布表から26人の身長の算術平均、分散の近似値を求めることができる。
  • 上のような度数分布表のみが入手できたとする。
  • この度数分布表で、170cm以上175cm未満の階級は4人いるが、この4人の個々の身長については情報がないとする。
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算術平均を求める場合、この階級4人の個々の身長について、何らかの仮定が必要となる。算術平均を求める場合、この階級4人の個々の身長について、何らかの仮定が必要となる。

y1

f1

f2

y2

y3

f3

f4

y4

f5

y5

  • 4人全員が上限のあたりや下限のあたり(4人全員が170cmとか、4人全員が174cmとか)という状態はあまり考えられない。通常は上限の近くから下限の近くまで適当に散らばっていると考えられる。このとき、4人の算術平均を取れば階級の真ん中あたりの値となると考えるのは自然な発想である。
  • 階級値は、そういう意味で階級を代表する値である。
  • 算術平均、分散を求める場合、4人全員が階級値の172.5cmであったと仮定する。
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算術平均を求める場合、4人の身長の合計は

4×172.5 = 690(cm)

  となる。(記号で表すとf2y2)

  • このように、各階級について 度数×階級値 (fiyi)を求め、それを全階級について加えたものが全員の身長の合計(に近い値)と考えられる。
  • よって、算術平均は(度数×階級値)の総和÷度数の総和

  として求められる。

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度数分布表において算術平均を求めるには、度数×階級値 (fiyi)の列を計算し、その和を求める。
  • そしてその和を度数の合計で割れば算術平均が求まる。
  • 算術平均は

  となる。

  (元のデータから算術平均を求めると、178.65cmとなる)

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分散の計算において、この階級の4人の偏差2乗和は分散の計算において、この階級の4人の偏差2乗和は

4×(172.5 – 178.85)2 = 4×40.3225 = 161.29

  となる。

  • 各階級について 度数×(階級値-算術平均)2を求め、その総和を度数の総和で割ったものが分散となる。
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 この式は次のように変形できる。

 よって、fiyi2の列を求め、その総和を度数の総和で割り、算術平均の2乗を引いたものが分散の近似値となる。

  (元のデータから分散を求めると、25.07となる)

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Ⅲ2変量データのまとめ方
  • 2変量データ → 2つの対になったデータ
    • (例)サッカー日本代表の身長と体重
    • ※ 日本代表の身長と韓国代表の体重は2つのデータであるが、対になっていない。
    • ※2変量データはその組合せを変えることはできない → 川島の身長と内田の体重を組み合わせても、意味がない。
  • 2変量データの記述
  • → それぞれ1変量の記述 + 2変量の関係の記述
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a) 特性値による記述

1) 相関係数

  • 相関係数 r は2変量間の関連の強さを表す尺度であり、-1と1の間の値をとる。
    • r>0 正の相関 1に近いほど関連度が強い
    • r<0 負の相関 -1に近いほど関連度が強い
    • r=0 無相関

 後で説明する散布図と密接な関係がある。

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b) 表・グラフによる記述

1) 分割表(クロス集計表)・2次元ヒストグラム

  • 2変量についてクロス集計した度数分布表のことを、分割表(またはクロス集計表)という。
  • 分割表は下のような2次元ヒストグラムであらわすことができる。
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2) 散布図

  • 横軸にX、縦軸にYをとった座標軸上に、個々のデータをあらわしたもの。
  • 相関係数と密接な関係があり、相関係数が±1に近いほど、散布図は直線に近くなる。
  • 正の相関(r>0)
  • Xが大きな値をとるほど、Yも大きな値をとる。
  • 負の相関(r<0)
  • Xが大きな値をとるほど、Yは小さな値をとる。
  •  無相関(r=0)
  • Xの値とYの値に一定の傾向がみられない。
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サッカー日本代表の身長と体重の散布図は下の図のようになる。サッカー日本代表の身長と体重の散布図は下の図のようになる。
  • サッカー日本代表の身長と体重の間には正の相関がやや見られる。 (r=0.821)
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