Matemáticas de secundaria · Grades 10–12
8Estadística descriptiva
La estadística resume una colección grande de números (notas, salarios, temperaturas) mediante unos pocos indicadores bien elegidos. Este capítulo presenta las dos familias de indicadores: los que localizan el centro de los datos (media, mediana) y los que miden su dispersión (recorrido, cuartiles). Un tratamiento más profundo, con la desviación típica, llega en el Capítulo 17.
8.1 Datos y frecuencias
Definición 8.1 (Serie estadística)
Una serie estadística es una lista de valores observados en una población de tamaño . Cuando un valor aparece veces, es su frecuencia absoluta y el cociente
es su frecuencia relativa (que a menudo se expresa como porcentaje). Las frecuencias relativas de todos los valores suman .
Ejemplo 8.2
Las notas de alumnos en una prueba sobre puntos:
| nota | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| frec. absoluta | ||||||
| frec. relativa |
Comprobación: y las frecuencias relativas suman .
8.2 Medidas de centralización
Definición 8.3 (Media)
La media de la serie es
Si los valores aparecen con frecuencias absolutas , el mismo número se calcula como la media ponderada
Ejemplo 8.4
Para la prueba del Ejemplo 8.2:
Definición 8.5 (Mediana)
La mediana es un valor que parte en dos mitades la serie ordenada: al menos la mitad de los valores son que la mediana y al menos la mitad son que ella. En la práctica, ordena los valores;
- si es impar, la mediana es el valor central, en la posición ;
- si es par, se toma el punto medio de los dos valores centrales, en las posiciones y .
Ejemplo 8.6
Serie ordenada de precios de vivienda (en miles): , , , , , , . La mediana es el .o valor, . La media es , ¡mayor que de los precios! Un valor extremo () arrastra a la media mucho más que a la mediana: la mediana es robusta; la media, no.
8.3 Medidas de dispersión
Definición 8.7 (Recorrido, cuartiles)
Para una serie ordenada:
- el recorrido es la diferencia entre el mayor y el menor de los valores;
- el primer cuartil es el menor valor tal que al menos una cuarta parte () de los valores son ; el tercer cuartil es el menor valor tal que al menos tres cuartas partes () de los valores son ;
- el recorrido intercuartílico mide la dispersión de la mitad central de los datos.
Método 8.8 (Hallar los cuartiles)
Para una serie de valores ordenados:
- calcula ; si no es entero, redondéalo hacia arriba al entero siguiente; es el valor de esa posición;
- calcula ; redondea hacia arriba si hace falta; es el valor de esa posición.
Ejemplo 8.9
Tomemos los valores ordenados
Mediana: posición , así que la mediana es . : , que se redondea a ; el er valor es . : , que se redondea a ; el o valor es . Recorrido: ; recorrido intercuartílico: .
Ejemplo 8.10 (Comparar dos grupos)
Dos clases hacen el mismo examen (notas sobre ):
| mediana | |||
|---|---|---|---|
| clase A | |||
| clase B |
La misma mediana y dispersiones muy distintas: la clase A es homogénea (la mitad de sus notas están en ) y la clase B es heterogénea (su mitad central abarca ). Los indicadores de centralización, por sí solos, nunca cuentan toda la historia.
Observación 8.11
Ni la media ni la mediana son “mejores”: la media usa todos los valores (y hace falta para calcular totales), la mediana resiste los valores extremos. Un resumen serio de una serie da al menos un indicador de centralización y uno de dispersión.
8.4 Ejercicios
Ejercicio 8.1 ★
Estos son los números de libros leídos en un año por alumnos:
Ejercicio 8.2 ★
Se ha lanzado un dado veces:
| resultado | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| frecuencia |
Calcula la frecuencia relativa de cada resultado y el resultado medio.
Ejercicio 8.3 ★
Halla la mediana, y de la serie ordenada
y dibuja el diagrama de caja correspondiente.
Solución
Solución de Ejercicio 8.3.
(par): la mediana es el punto medio del .o y el .o valores, los dos iguales a : mediana .
: , así que es el .er valor: .
: , así que es el .o valor: .
Diagrama de caja: caja de a con la barra de la mediana en y bigotes de a .
Ejercicio 8.4 ★
La media de notas de un examen es . Un .o alumno hace el examen y saca . ¿Cuál es la nueva media de la clase?
Solución
Solución de Ejercicio 8.4.
Las notas suman . Con la nueva nota, el total es para alumnos: nueva media .
Ejercicio 8.5 ★★
Un alumno tiene una media de después de exámenes, todos con el mismo peso. ¿Qué nota en el .o examen subiría la media a ? ¿Es alcanzable una media de (las notas son sobre )?
Ejercicio 8.6 ★★
Inventa una serie de valores no negativos cuya mediana sea y cuya media sea mayor que ; después otra cuya mediana sea y cuya media sea menor que . ¿Por qué la media de una serie así nunca puede ser menor que ? ¿Qué muestran estos ejemplos?
Solución
Solución de Ejercicio 8.6.
Media mayor que : por ejemplo, , con mediana (el .o valor ordenado) y media .
Media menor que : por ejemplo, , con mediana y media .
La media no puede bajar de : para que la mediana (el .o valor ordenado) sea , los valores de las posiciones a deben ser todos , así que el total es al menos y la media, al menos ; el segundo ejemplo es el extremo.
Estos ejemplos muestran que la media y la mediana son en gran medida independientes: conocer una dice poco de la otra, y por eso un buen resumen informa de las dos.
Ejercicio 8.7 ★★
En una empresa, los empleados cobran cada uno al mes y el director cobra .
- Calcula el salario medio y el salario mediano.
- ¿Qué indicador describe mejor un salario “típico” aquí? ¿Por qué?
Solución
Solución de Ejercicio 8.7.
1. Media: . Mediana: ordenados, los salarios son nueve valores y luego ; la mediana es el punto medio del .o y el .o valores, los dos : mediana .
2. La mediana () describe el salario típico: es lo que cobran realmente de cada empleados. La media () está tirada hacia arriba por el único salario alto y no coincide con la nómina de nadie.
Ejercicio 8.8 ★★
Los chicos de una clase miden de media cm; las chicas de la misma clase miden de media cm. Calcula la estatura media de toda la clase. (Cuidado: no es el punto medio de y ; hay que ponderar las medias por los tamaños de los grupos.)
Ejercicio 8.9 ★★★
Una serie de valores tiene media . Cada valor se transforma en con y números fijos.
8.5 Problema: La persona media no existe
Problema 8.1
Problema de fin de semana — media contra mediana: valores atípicos, curvas de notas, el almacén en la carretera y la cabina diseñada para nadie
En 1950, la Fuerza Aérea estadounidense midió a pilotos en diez dimensiones corporales y construyó la cabina para el hombre medio. Le servía, como descubrió un teniente contando, prácticamente a nadie. La estadística resume multitudes con números sueltos, y cada resumen dice la verdad sobre algo y miente sobre otra cosa. Este problema lleva a juicio a la media y a la mediana (Definición 8.3, Definición 8.5), deja que cada una enseñe en qué es la mejor y cierra el caso de la cabina.
Parte I — Dos resúmenes en el banquillo.
- En una calle se venden siete casas, en miles de euros: , , , , , y un caserón de . Calcula el precio medio y el precio mediano. ¿Qué número describe “una casa de esta calle”?
- Quita el caserón y vuelve a calcular los dos. ¿Cuánto se ha movido cada resumen? Enuncia la moraleja sobre los valores atípicos.
- Una tabla del censo: de familias, no tienen hijos, tienen uno, tienen dos, tienen tres y tienen cuatro. Calcula el número medio de hijos. Ninguna familia “tiene hijos”, así que ¿qué cantidad real codifica la media? (Multiplícala por .)
- Para las quince notas : halla la mediana y los cuartiles y (Método 8.8).
- Para la misma serie, da el recorrido y el recorrido intercuartílico. ¿Qué mide cada uno?
Parte II — Curvas de notas y clases fusionadas.
- A partir del Ejercicio 8.9: desplazar todos los valores en desplaza en la media, la mediana y los cuartiles; multiplicarlos por los multiplica por . ¿Qué les ocurre al recorrido y al recorrido intercuartílico con un desplazamiento? ¿Y con un cambio de escala? Justifícalo.
- Un examen tiene media (sobre ) y el profesor quiere media . Se proponen dos correcciones: sumar puntos a todo el mundo o multiplicar cada nota por . Calcula qué le ocurre a un alumno con y a otro con con cada corrección. ¿A quién favorece cada una y cuál tiene un problema de techo?
- La clase A ( alumnos) tiene media ; la clase B ( alumnos) tiene media . Calcula la media de los alumnos juntos y explica por qué no es (la lección de la media ponderada del problema de fin de semana del volumen anterior sobre la media armónica, llevada al aula).
- Comprueba que las medianas se niegan a este juego: calcula las medianas de y , después la mediana de la lista fusionada, y compárala con la media ponderada por tamaños de las dos medianas.
- Patinaje artístico: cinco jueces puntúan , , , , . Calcula la media, la mediana y la media recortada (se descartan la nota más baja y la más alta y se promedian las demás). ¿Por qué recortan casi todos los deportes con jueces?
Parte III — Leer distribuciones.
- Dos fábricas producen tornillos de longitud media mm. Fábrica A: , ; fábrica B: , . Necesitas tornillos intercambiables: ¿qué fábrica eliges y qué estadístico ha decidido?
- En un ambulatorio, la espera mediana es de minutos, pero la espera media es de . ¿Qué forma de los datos delata esta pareja de números? Construye un conjunto de cinco valores con exactamente esa mediana y esa media.
- “Tu bebé está en el percentil 75 de estatura”: ¿qué significa esa frase? ¿Y puede estar por encima de la media todo niño de una ciudad? ¿Y por encima de la mediana? Explica la diferencia.
- Clase A: mín , , mediana , , máx . Clase B: mín , , mediana , , máx . Compara: nota típica, homogeneidad de la mitad central y salvajismo de los extremos.
- La lista del periodista: un titular dice “salario medio en TechCorp: euros”. Enumera las tres preguntas que este problema te ha enseñado a hacer antes de creer que el titular dice algo sobre un empleado típico.
Parte IV — El caso de la cabina.
- Fabrica tus propias pruebas: construye cinco precios de vivienda con media y mediana (miles de euros).
- La media es el punto de equilibrio: demuestra a partir de la definición que las desviaciones respecto de la media siempre se cancelan, , y compruébalo con tu conjunto de datos de la pregunta 16.
- La mediana es la que minimiza los recados: hay tiendas en los kilómetros , , , y de una carretera, y un almacén debe minimizar la distancia total a las cinco tiendas. Calcula esa distancia total con el almacén en la mediana (), en la media () y en . ¿Quién gana? (Es un hecho general: la mediana minimiza la distancia total en valor absoluto; prueba con cualquier otro punto.)
- La cabina, resuelta: supón que un piloto tiene un de probabilidad de estar “cerca de la media” en una dimensión corporal, de forma independiente en las dimensiones. Estima la probabilidad de estar cerca de la media en las diez y concilia el resultado con lo que encontró el teniente entre pilotos. ¿Qué construyó la Fuerza Aérea en lugar de la cabina media?
- Final, el manual de uso, una línea para cada caso: cuando lo que importa son los totales (un presupuesto, una cosecha), usa la …; cuando importa el individuo típico (salarios, tiempos de espera), usa la …; cuando importa la equidad de la dispersión, informa de los …; cuando amenaza la contaminación, usa la … Cierra el caso con el título del problema.
Solución
Solución de Problema 8.1.
1. Media: mil euros; mediana: el cuarto de los siete precios ordenados, . La mediana describe la calle: seis de las siete casas no cuestan nada parecido a .
2. Sin el caserón: media , mediana . La media ha caído unos ; la mediana, . Un solo valor extremo puede arrastrar la media a donde sea; la mediana apenas se entera: es robusta.
3. Media . Ninguna familia tiene hijos, pero sí es el número total exacto de hijos: la media codifica el total, repartido a partes iguales; ese es su verdadero talento.
4. : mediana .o valor ; .o valor ; .o valor .
5. Recorrido : la dispersión completa, extremos incluidos. Recorrido intercuartílico : la anchura de la mitad central, o sea, la dispersión sin el ruido de los extremos.
6. Un desplazamiento mueve todos los valores, así que las diferencias entre valores (recorrido, recorrido intercuartílico) no cambian: . Un cambio de escala de razón multiplica todas las diferencias por : el recorrido y el recorrido intercuartílico quedan multiplicados por .
7. Corrección aditiva: y ; el alumno flojo gana un y el fuerte, un , y el solo se sale ligeramente de la escala de puntos. Multiplicativa: y ; se conservan las razones, pero es imposible en una escala de : el problema del techo. Las correcciones aditivas favorecen a los de abajo; las multiplicativas hacen estallar a los de arriba.
8. Total de notas: , así que la media conjunta es : los treinta alumnos de la clase B pesan más que los veinte de la A; las medias se fusionan por media ponderada, nunca por media simple.
9. Mediana de : ; la de : . Lista fusionada : mediana . La media de las medianas ponderada por tamaños sería : las medianas no llevan ningún total, así que no existe fórmula de fusión; hay que reordenar la lista entera.
10. Media: . Mediana: . Media recortada: . Un juez entusiasta (o corrupto) ha movido la media casi un punto; la mediana y la media recortada se han encogido de hombros: de ahí las reglas de recorte de los deportes con jueces.
11. Fábrica A: la mitad central cabe en mm; fábrica B, en mm. Misma media, fiabilidad opuesta: compra en A. Ha decidido el recorrido intercuartílico; las medias solas comparan centros, nunca regularidad.
12. Una mediana muy por debajo de la media delata una cola larga por la derecha: casi todas las esperas cortas y unas pocas catastróficas. Ejemplo: , con mediana y media .
13. Significa que el de los bebés de esa edad son más bajos (y el , más altos): es un puesto, no una talla. “Todos los niños por encima de la media” es imposible: si todos los valores superaran a la media, su promedio superaría a la media, que es él mismo: contradicción. Pero casi todos sí pueden estarlo: un solo niño muy bajo puede mantener la media por debajo de todos los demás. Por encima de la mediana: nunca más de la mitad, por definición. A los puestos no se los puede halagar; a los promedios, sí.
14. Nota típica: la misma, mediana en las dos. Homogeneidad de la mitad central: B es más compacta (recorrido intercuartílico frente a ). Extremos: B es más salvaje (recorrido frente a ). B es una clase de alumnos parecidos con unos pocos valores atípicos; A está repartida de manera uniforme.
15. (1) ¿Es la media o la mediana, y me pueden dar la mediana? (2) ¿Cuál es la dispersión (los cuartiles), para saber hasta qué punto lo “típico” es típico? (3) ¿A quién se ha contado: tamaño de la muestra y forma de elegirla (la lección sobre encuestas del problema de fin de semana del volumen anterior sobre cómo mienten los datos)?
16. Por ejemplo, : mediana , media .
17. . Comprobación: . La media es el punto donde se equilibran las desviaciones: el centro de gravedad de los datos (el del problema de fin de semana del volumen anterior sobre el baricentro, en una dimensión).
18. En la mediana : km. En la media : km. En : km. Gana la mediana: alejarse de ella siempre deja atrás más tiendas de las que acerca, así que el total solo puede crecer.
19. : unos seis pilotos por millón. Entre pilotos, el número esperado es , es decir, cero, tal como encontró el teniente Daniels. La Fuerza Aérea dejó de diseñar para el hombre medio y lo hizo todo ajustable: asientos, pedales, correas; diseñar para la dispersión, no para el centro.
20. Totales: la media. Individuo típico: la mediana. Equidad de la dispersión: los cuartiles (y el recorrido intercuartílico). Contaminación: la media recortada. Y la frase de cierre: la persona media no existe, pero la persona mediana casi sí.