Matemática do ensino médio · Grades 10–12
8Estatística descritiva
A estatística resume uma grande coleção de números — notas, salários, temperaturas — por meio de alguns indicadores bem escolhidos. Este capítulo apresenta as duas famílias de indicadores: os que localizam o centro dos dados (média, mediana) e os que medem sua dispersão (amplitude, quartis). Um tratamento mais profundo, incluindo o desvio padrão, vem no Capítulo 17.
8.1 Dados e frequências
Definição 8.1 (Série estatística)
Uma série estatística é uma lista de valores observados em uma população de tamanho . Quando um valor aparece vezes, é a sua frequência absoluta e o quociente
é a sua frequência relativa (muitas vezes expressa em porcentagem). As frequências relativas de todos os valores somam .
Exemplo 8.2
As notas de alunos em um teste valendo pontos:
| nota | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| quantidade | ||||||
| frequência |
Verificação: e as frequências somam .
8.2 Medidas de centro
Definição 8.3 (Média)
A média da série é
Se os valores aparecem com quantidades , o mesmo número é obtido como média ponderada
Exemplo 8.4
Para o teste do Exemplo 8.2:
Definição 8.5 (Mediana)
A mediana é um valor que divide a série ordenada em duas metades: pelo menos metade dos valores é a mediana e pelo menos metade é a ela. Na prática, ordene os valores;
- se é ímpar, a mediana é o valor central, na posição ;
- se é par, tome o ponto médio dos dois valores centrais, nas posições e .
Exemplo 8.6
Série ordenada de preços de casas (em milhares): , , , , , , . A mediana é o valor, . A média é — maior do que dos preços! Um valor extremo () puxa a média muito mais do que a mediana: a mediana é robusta, a média não.
8.3 Medidas de dispersão
Definição 8.7 (Amplitude, quartis)
Para uma série ordenada:
- a amplitude é a diferença entre o maior e o menor valor;
- o primeiro quartil é o menor valor tal que pelo menos um quarto () dos valores seja ; o terceiro quartil é o menor valor tal que pelo menos três quartos () dos valores sejam ;
- a amplitude interquartil mede a dispersão da metade central dos dados.
Método 8.8 (Encontrar os quartis)
Para uma série de valores ordenados:
- calcule ; se não for inteiro, arredonde para cima, até o próximo inteiro; é o valor nessa posição;
- calcule ; arredonde para cima se preciso; é o valor nessa posição.
Exemplo 8.9
Tome os valores ordenados
Mediana: posição , logo a mediana é . : , arredondado para cima dá ; o valor é . : , arredondado para cima dá ; o valor é . Amplitude: ; amplitude interquartil: .
Exemplo 8.10 (Comparar dois grupos)
Duas turmas fazem a mesma prova (notas de a ):
| mediana | |||
|---|---|---|---|
| turma A | |||
| turma B |
Mesma mediana, dispersões muito diferentes: a turma A é homogênea (metade de suas notas em ), a turma B é heterogênea (sua metade central cobre ). Indicadores de centro sozinhos nunca contam a história inteira.
Observação 8.11
Nem a média nem a mediana é “melhor”: a média usa todos os valores (e é necessária para calcular totais), e a mediana resiste a valores extremos. Um resumo sério de uma série apresenta pelo menos um indicador de centro e um de dispersão.
8.4 Exercícios
Exercício 8.1 ★
Eis o número de livros lidos em um ano por alunos:
Exercício 8.2 ★
Um dado foi lançado vezes:
| resultado | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| quantidade |
Calcule a frequência de cada resultado e o resultado médio.
Exercício 8.3 ★
Encontre a mediana, e da série ordenada
e desenhe o diagrama de caixa correspondente.
Solução
Solução de Exercício 8.3.
(par): a mediana é o ponto médio entre o e o valores, ambos iguais a : mediana .
: , logo é o valor: .
: , logo é o valor: .
Diagrama de caixa: caixa de a com a barra da mediana em e bigodes de até .
Exercício 8.4 ★
A média de notas de uma prova é . Um aluno faz a prova e tira . Qual é a nova média da turma?
Solução
Solução de Exercício 8.4.
As notas somam . Com a nova nota, o total é para alunos: nova média .
Exercício 8.5 ★★
Um aluno tem média após provas, todas com o mesmo peso. Que nota na prova elevaria a média a ? Uma média de é alcançável (as notas vão até )?
Exercício 8.6 ★★
Invente uma série de valores não negativos cuja mediana seja e cuja média seja maior que ; depois uma cuja mediana seja e cuja média seja menor que . Por que a média de uma série assim nunca pode ser menor que ? O que esses exemplos mostram?
Solução
Solução de Exercício 8.6.
Média maior que : por exemplo, — mediana (o valor ordenado), média .
Média menor que : por exemplo, — mediana , média .
A média não pode ficar abaixo de : para que a mediana (o valor ordenado) seja , os valores nas posições a devem ser todos , de modo que o total é pelo menos e a média pelo menos — o segundo exemplo é extremal.
Esses exemplos mostram que a média e a mediana são em larga medida independentes: conhecer uma diz pouco sobre a outra, e é por isso que um bom resumo informa as duas.
Exercício 8.7 ★★
Em uma empresa, os funcionários ganham cada por mês e o diretor ganha .
- Calcule o salário médio e o salário mediano.
- Qual indicador descreve melhor um salário “típico” aqui? Por quê?
Solução
Solução de Exercício 8.7.
1. Média: . Mediana: ordenados, os salários são nove valores e depois ; a mediana é o ponto médio entre o e o valores, ambos : mediana .
2. A mediana () descreve o salário típico: é o que em cada funcionários efetivamente ganham. A média () é puxada para cima pelo único salário alto e não corresponde ao contracheque de ninguém.
Exercício 8.8 ★★
Uma turma com meninos tem altura média de cm; as meninas da mesma turma têm altura média de cm. Calcule a altura média da turma inteira. (Cuidado: não é o ponto médio entre e — pondere as médias pelos tamanhos dos grupos.)
Exercício 8.9 ★★★
Uma série de valores tem média . Cada valor é transformado em para números fixos e .
8.5 Problema: A pessoa média não existe
Problema 8.1
Problema de fim de semana — média contra mediana: valores atípicos, curvas de correção, o depósito na estrada e a cabine projetada para ninguém
Em 1950, a Força Aérea dos Estados Unidos mediu pilotos em dez dimensões corporais e construiu a cabine para o homem médio. Ela servia — como um tenente descobriu contando — essencialmente a ninguém. A estatística resume multidões com números isolados, e cada resumo diz a verdade sobre uma coisa e mente sobre outra. Este problema leva a média e a mediana (Definição 8.3, Definição 8.5) a julgamento, deixa cada uma mostrar no que é melhor e encerra o caso da cabine.
Parte I — Dois resumos no banco dos réus.
- Uma rua vende sete casas, em milhares de euros: , , , , , — e uma mansão a . Calcule o preço médio e o preço mediano. Que número descreve “uma casa desta rua”?
- Retire a mansão e recalcule os dois. De quanto cada resumo se deslocou? Enuncie a moral sobre valores atípicos.
- Uma tabela de censo: de famílias, não têm filhos, têm um, têm dois, têm três e têm quatro. Calcule o número médio de filhos. Nenhuma família “tem filhos” — então que quantidade real a média codifica? (Multiplique-a por .)
- Para as quinze notas : encontre a mediana e os quartis , (Método 8.8).
- Para a mesma série, dê a amplitude e a amplitude interquartil. O que cada uma mede?
Parte II — Curvas de correção e turmas juntadas.
- Do Exercício 8.9: deslocar todos os valores de desloca média, mediana e quartis de ; multiplicá-los por multiplica-os por . O que acontece com a amplitude e com a amplitude interquartil sob um deslocamento? E sob uma multiplicação? Justifique.
- Uma prova tem média (de ) e o professor quer média . Duas correções são propostas: somar pontos a todos, ou multiplicar toda nota por . Calcule o destino de um aluno com e de um com sob cada correção. Que correção favorece quem — e qual tem um problema de teto?
- A turma A ( alunos) tem média ; a turma B ( alunos) tem média . Calcule a média dos alunos juntos e explique por que ela não é (a lição da média ponderada do problema de fim de semana sobre a média harmônica, no volume do ensino fundamental, agora na sala de aula).
- Mostre que as medianas recusam esse jogo: calcule as medianas de e , depois a mediana da lista reunida, e compare com a média ponderada pelos tamanhos das duas medianas.
- Patinação artística: cinco juízes dão , , , , . Calcule a média, a mediana e a média aparada (descarte a menor e a maior nota e tire a média das restantes). Por que a maioria dos esportes com júri apara as notas?
Parte III — Ler distribuições.
- Duas fábricas produzem parafusos de comprimento médio mm. Fábrica A: , ; fábrica B: , . Você precisa de parafusos intercambiáveis: qual fábrica, e qual estatística decidiu?
- Em uma clínica, a espera mediana é de minutos, mas a espera média é de . Que forma dos dados esse par denuncia? Construa um conjunto de cinco valores com exatamente essa mediana e essa média.
- “Seu bebê está no percentil 75 de altura” — o que essa frase significa? E todas as crianças de uma cidade podem estar “acima da média”? Acima da mediana? Explique a diferença.
- Turma A: mín , , mediana , , máx . Turma B: mín , , mediana , , máx . Compare: nota típica, homogeneidade da metade central, selvageria dos extremos.
- A lista de verificação do jornalista: uma manchete diz “salário médio na TechCorp: euros”. Liste as três perguntas que este problema lhe ensinou a fazer antes de acreditar que a manchete diz alguma coisa sobre um funcionário típico.
Parte IV — O caso da cabine.
- Construa sua própria prova: monte cinco preços de casas com média e mediana (em milhares de euros).
- A média é o ponto de equilíbrio: prove, a partir da definição, que os desvios em relação à média sempre se cancelam, , e verifique isso no seu conjunto de dados da questão 16.
- A mediana é a que minimiza a rota: há lojas nos quilômetros , , , , de uma estrada, e um depósito deve minimizar a distância total às cinco lojas. Calcule esse total para um depósito na mediana (), na média () e em . Quem vence? (Isso é geral: a mediana minimiza a distância total absoluta — teste qualquer outro ponto.)
- A cabine, resolvida: suponha que um piloto tenha de chance de estar “perto da média” em uma dimensão corporal, de modo independente ao longo das dimensões. Estime a chance de estar perto da média em todas as dez — e reconcilie o resultado com o que o tenente encontrou entre pilotos. O que a Força Aérea construiu em vez da cabine média?
- Final — o manual de uso, uma linha para cada: quando o que importa são totais (um orçamento, uma colheita), use …; quando importa o indivíduo típico (salários, tempos de espera), use …; quando importa a justiça da dispersão, informe …; quando há risco de contaminação, use …. Encerre o caso com o título do problema.
Solução
Solução de Problema 8.1.
1. Média: mil euros; mediana: o quarto dos sete preços ordenados, . A mediana descreve a rua — seis das sete casas não custam nada perto de .
2. Sem a mansão: média , mediana . A média caiu cerca de ; a mediana, . Um único valor extremo pode arrastar a média para qualquer lugar; a mediana mal percebe — ela é robusta.
3. Média . Nenhuma família tem filhos, mas é o número total exato de filhos: a média codifica o total, redistribuído igualmente — seu verdadeiro talento.
4. : mediana valor ; valor ; valor .
5. Amplitude : a dispersão total, extremos incluídos. Amplitude interquartil : a largura da metade central — dispersão sem o ruído dos extremos.
6. Um deslocamento move todos os valores, de modo que as diferenças entre valores — amplitude e amplitude interquartil — não mudam: . Multiplicar por multiplica todas as diferenças por : amplitude e amplitude interquartil ficam multiplicadas por .
7. Correção aditiva: e — o aluno fraco ganha , o forte , e o estoura a escala de apenas um pouco. Multiplicativa: e — as razões se preservam, mas é impossível numa escala de : o problema do teto. Correções aditivas favorecem a base; as multiplicativas explodem o topo.
8. Total das notas: , de modo que a média conjunta é : os trinta alunos da turma B pesam mais que os vinte da turma A — médias se juntam por média ponderada, nunca por média simples.
9. Mediana de : ; de : . Lista reunida : mediana . A média ponderada pelos tamanhos das medianas daria : as medianas não carregam total algum, logo não existe fórmula de junção — é preciso reordenar a lista inteira.
10. Média: . Mediana: . Média aparada: . Um juiz entusiasmado (ou corrupto) deslocou a média em quase um ponto; a mediana e a média aparada nem se abalaram — daí as regras de aparo dos esportes com júri.
11. Fábrica A: metade central dentro de mm; fábrica B: dentro de mm. Mesma média, confiabilidade oposta: compre da A. Quem decidiu foi a amplitude interquartil — médias sozinhas comparam centros, nunca a consistência.
12. Mediana muito abaixo da média denuncia uma cauda longa à direita: a maioria das esperas é curta, e algumas são catastróficas. Exemplo: — mediana , média .
13. Significa que dos bebês daquela idade são mais baixos (e mais altos): é uma posição, não um tamanho. “Toda criança acima da média” é impossível — se todos os valores superassem a média, a média deles superaria a própria média: contradição. Mas quase todas podem estar: uma criança muito baixa segura a média abaixo de todas as outras. Acima da mediana: nunca mais que a metade, por definição. Posições não se lisonjeiam; médias sim.
14. Nota típica: a mesma, mediana nas duas. Homogeneidade do meio: B é mais compacta (amplitude interquartil contra ). Extremos: B é mais selvagem (amplitude contra ). B é uma turma de alunos parecidos com alguns valores atípicos; A é uniformemente espalhada.
15. (1) Esses são a média ou a mediana — e posso ver a mediana? (2) Qual é a dispersão (quartis), para eu saber o quanto o “típico” é típico? (3) Quem foi contado — tamanho e seleção da amostra (a lição das pesquisas do problema de fim de semana sobre como os dados mentem, no volume do ensino fundamental)?
16. Por exemplo, : mediana , média .
17. . Verificação: . A média é o ponto onde os desvios se equilibram — o centro de gravidade dos dados (o do problema de fim de semana sobre o baricentro, no volume do ensino fundamental, em uma dimensão).
18. Na mediana : km. Na média : km. Em : km. A mediana vence — afastar-se dela sempre deixa para trás mais lojas do que aquelas de que se aproxima, de modo que o total só pode crescer.
19. : cerca de seis pilotos por milhão. Em pilotos o número esperado é — zero, como o tenente Daniels constatou. A Força Aérea parou de projetar para o homem médio e tornou tudo ajustável: assentos, pedais, cintos — projetar para a dispersão, não para o centro.
20. Totais: a média. Indivíduo típico: a mediana. Justiça da dispersão: os quartis (e a amplitude interquartil). Contaminação: a média aparada. E a frase de encerramento: a pessoa média não existe — mas a pessoa mediana quase existe.