Математичні парадокси

Словник / Медіана і середнє

Словник · медіана і середнє

Хто такий «типовий» відвідувач бару?

У барі десятеро людей зі звичайними зарплатами. Заходить мільйонер, і «середній відвідувач» раптом заробляє сотні тисяч на місяць. Ніхто нікого не обдурив: просто є два різні способи сказати «типово», і вони відповідають на різні питання.

На пальцяхкартинки, аналогії, маленькі числа

Шар «На пальцях» приховано на всіх задачах.

Парадокс бару

Кожна точка — відвідувач, по горизонталі його дохід на місяць. Шкала логарифмічна: кожна поділка вдесятеро більша за попередню, інакше мільйонер не вмістився б на екрані.

Медіана · типовий відвідувач–
Середнє · усе порівну на всіх–

Майже всі «вище середнього»

  • Майже всі мають більше ніг, ніж у середньомуДеякі люди мають менше двох ніг, і ніхто не має більше. Тож середнє трохи менше за 2, а майже кожна людина з двома ногами вже «вище середнього».
Строготаблиці, графіки, формули

Шар «Строго» приховано на всіх задачах.

Два числа «посередині»

Середнє

Скласти всі значення й поділити на їхню кількість. Це скільки дісталося б кожному, якби все поділити порівну.

1, 2, 3, 4, 100 → (1 + 2 + 3 + 4 + 100) / 5 = 22

Медіана

Вишикувати всіх за зростанням і взяти того, хто посередині. Половина нижче, половина вище.

1, 2, 3, 4, 100 → 3

Одне число 100 потягнуло середнє до 22, хоча четверо з п'яти менші за 5. Медіана його майже не помітила: для неї неважливо, 100 там чи мільйон.

Більшість людей заробляє менше за середнє

Звучить як помилка, але це звичайна властивість перекошених розподілів. Доходи саме такі: більшість людей скупчена внизу, а кілька дуже багатих розтягують хвіст праворуч і тягнуть середнє за собою. Рухайте повзунок нерівності.

Заробляють менше за середнє–
Середнє більше за медіану в–

10 000 випадкових доходів з логнормального розподілу з медіаною 20 тисяч. Без нерівності всі заробляють однаково, і середнє збігається з медіаною.

Коли що брати

Правило просте: медіана відповідає на питання «як у типової людини?», середнє — на питання «скільки всього, якщо поділити на всіх?».

  • Скільки заробляє типова людина в містіМедіана. Кілька мільйонерів не повинні робити «типову» зарплату вищою.
  • Скільки податків збере містоСереднє, помножене на кількість людей. Тут важливий кожен мільйонер.
  • Ціна звичайної квартириМедіана. Один пентхаус не робить район дорожчим для вас.
  • Скільки піци замовити на 30 людейСереднє з'їдене, помножене на 30. Медіана «забуде» тих, хто їсть за трьох.
  • Скільки зазвичай їхати на роботуМедіана. А для планування тижня середнє: рідкісні затори теж треба відсидіти.
  • Оцінки в класі без різких викидівБайдуже. Коли розподіл симетричний, середнє й медіана майже збігаються.

Ще два дивні наслідки

  • Середнє може бути неможливим«1,5 дитини на сім'ю» — нормальне середнє, хоча півдитини немає в жодній сім'ї. Медіана ж завжди дорівнює комусь реальному або стоїть між двома реальними.
  • Більшість водіїв може бути кращою за середньогоНад тими, хто вважає себе кращим за середнього водія, люблять сміятися. Але якщо кілька дуже аварійних водіїв тягнуть середнє вниз, більшість справді опиниться вище нього. Неможливо інше: щоб більшість була вища за медіану.
Глибшеузагальнення, теорія, історія

Шар «Глибше» приховано на всіх задачах.

Чому вони різні: кожне число щось мінімізує

Середнє мінімізує суму квадратів

Σ (xᵢ − a)² → min ⇔ a = x̄ = (x₁ + … + xₙ) / n

Похідна за a дорівнює −2 Σ (xᵢ − a). Вона нульова, коли a — середнє. Квадрат росте швидко, тому далека точка «тягне» дуже сильно: мільйонер за 5 000 тисяч від решти важить у квадраті як сотні тисяч звичайних відхилень на 10 тисяч гривень.

Медіана мінімізує суму відстаней

Σ |xᵢ − a| → min ⇔ a = медіана

Зсуньте a на крок праворуч: відстані до всіх точок ліворуч зростуть на крок, до всіх праворуч зменшаться на крок. Сума перестає меншати, коли точок ліворуч і праворуч порівну. Тут кожна точка має один «голос», хоч як далеко вона стоїть, тому мільйонер важить як будь-хто інший.

Скільки даних треба зіпсувати

Статистики називають це точкою руйнування. Щоб зсунути середнє куди завгодно, досить змінити одне значення. Щоб так само зсунути медіану, треба зіпсувати половину даних. Тому медіану називають стійкою, а середнє — чутливим. Чутливість — не вада: саме вона робить середнє правильним для підсумків, де кожна гривня має значення.

Формули для повзунка нерівності

Доходи в симуляції вище мають логнормальний розподіл: логарифм доходу нормальний, з середнім μ і розкидом σ. Для такого розподілу все рахується точно.

медіана = eμ · середнє = eμ + σ²/2 · частка нижче середнього = Φ(σ/2)

Φ — частка нормального розподілу лівіше від заданої точки. Для поточного положення повзунка: середнє більше за медіану в –, а нижче середнього – людей. Порівняйте з числами, які порахувала симуляція на 10 000 доходів.

Де це трапляється

Інші терміни