Как найти среднее количество по диаграмме

Как оценить среднее значение и медиану любой гистограммы

Быстрая математика для графиков, на примере вычисления среднего

Рассмотрим, в качестве примера, формулу для вычисления среднего значения. На ней я постараюсь рассказать и показать какие подходы к реализации можно применять и чем они эффективны или не эффективны.

Это сумма всех значений за выбранный период, делённая на период. Иными словами －среднее значение за последние nзначений.

Классический подход

Как ни странно, большинство решений в сети выглядит, как последовательный перебор всех групп размером n (например 4) и вычисление среднего для каждой:

const data = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9];

function sma(data, period) {
    const result = [];

    for (let i = 0; i <= data.length - period; i++) {
        const chunk = data.slice(i, i + period);
        const sum = chunk.reduce((acc, num) => acc + num, 0);
        result.push(sum / period);
    }

    return result;
}

console.log(sma(data, 4));
//=> [ '2.50', '3.50', '4.50', '5.50', '6.50', '7.50' ]
//=>   │       │       │       │       │       └─(6+7+8+9)/4
//=>   │       │       │       │       └─(5+6+7+8)/4
//=>   │       │       │       └─(4+5+6+7)/4
//=>   │       │       └─(3+4+5+6)/4
//=>   │       └─(2+3+4+5)/4
//=>   └─(1+2+3+4)/4

Безусловно, это решение работает, но оно очень плохое. Здесь происходит огромное количество повторных вычислений и лишних операций. Разберем весь код по порядку и посмотрим, строка за строкой, что происходит «под капотом».

const result = []

Создание массива в JavaScript, выделяет определенную область памяти для хранения данных. Размер массива не определенный и он наполняется по мере работы цикла, в какой-то момент может наступить заполнение выделенной области памяти и модуль управления памятью будет вынужден выделить новоую, более широкую область, затем осуществить перенос в нее диапазона всех значений памяти из предыдущей области, в разных движках это может работать по разному, но в любом случае необходимо, как минимум, выделение новой области памяти. И вот, как выглядит график замера времени на операцию push, в зависимости от длинны массива.

На картинке видны космические, по местным масштабам выбросы. Это происходит по причине тех самых накладных работ в памяти движка на перенос всей области, либо на выделение новой области и связывание со старой.

Из этого можно сделать два вывода:

1. Для работы с большими массивами лучше использовать создание массива через конструктор как: new Array(size). Это позволит вам задать размер массива и движок выделит столько памяти, сколько нужно.

2. А зачем тут этот массив вообще. (Позже мы к этому вернемся)

for (let i = 0; i <= data.length - period; i++)

В теории самый самый быстрый способ итерации в JavaScript －while(i > 0) , но все тесты в лучшем случае предлагают такой вариант условия остановки: while(i++) , в котором добавляется дополнительная нагрузка в виде приведения типа числа из Number в Boolean. Даже такой вариант выхода из цикла не совсем правильный: while(i < length) потому, что сравнение с 0 является одной из самых быстрых операций и отличается от сравнения с любыми другими видами чисел.
Бытует мнение, что это миф, однако это не так. Доказательство очень простое, взглянем как процессор обрабатывает сравнение с 0 и с 1

// Сравнение с 0
Frame size 8
   30 S> 0xc24390c03a6 @    0 : 0c 01             LdaSmi [1]
         0xc24390c03a8 @    2 : 26 fb             Star r0
   38 S> 0xc24390c03aa @    4 : 0b                LdaZero 
   44 E> 0xc24390c03ab @    5 : 6a fb 00          TestGreaterThan r0, [0]
         0xc24390c03ae @    8 : 9a 02             JumpIfFalse [2] (0xc24390c03b0 @ 10)
         0xc24390c03b0 @   10 : 0d                LdaUndefined 
   52 S> 0xc24390c03b1 @   11 : aa                Return 

// Сравнение с 1
Frame size 8
   30 S> 0x1ae5f0003a6 @    0 : 0c 01             LdaSmi [1]
         0x1ae5f0003a8 @    2 : 26 fb             Star r0
   38 S> 0x1ae5f0003aa @    4 : 0c 64             LdaSmi [100]
   44 E> 0x1ae5f0003ac @    6 : 6a fb 00          TestGreaterThan r0, [0]
         0x1ae5f0003af @    9 : 9a 02             JumpIfFalse [2] (0x1ae5f0003b1 @ 11)
         0x1ae5f0003b1 @   11 : 0d                LdaUndefined 
   54 S> 0x1ae5f0003b2 @   12 : aa                Return 

Обратите внимание на 5ую строку. Там используется сравнение LdaZero. Которое вежливо отмечено вторым в порядке быстродействия самими разработчиками v8.

Выводы:

1. Сравнение с нулем или нет — разница есть!

2. Не верьте бенчмаркам, если они написаны не правильно

3. Все эти вычисления можно сделать без цикла, об этом позже.

const chunk = data.slice(i, i + period);

Теперь очередь этой строки. Оператор sliceсоздает новый массив, для которого выделяется память, заполняет его данными из предыдущего массива (иммутабильно) и присваивается в переменную chunk. Это с ума сойти сколько операций на пустом месте. И тут все можно описать столь же подробно, но я не стану, потому что больше нет сил разбираться в рубрике «По колено в коде» (Олды тут?). Выше, я все обещал позже рассказать о том, как сделать эти вычисления эффективнее. Приступим!

Потоковая обработка

export class SMA {
    constructor(period) {
        this.period = period;
        this.arr = [];
        this.sum = 0;
        this.filled = false;
    }

    nextValue(value) {
        this.filled = this.filled || this.arr.length === this.period;
        this.arr.push(value);

        if (this.filled) {
            this.sum -= this.arr.shift();
            this.sum += value;

            return this.sum / this.period;
        }

        this.sum += value;
    }
}

const data = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9];
const sma = new SMA(4);

for(let i = 0; i < data.length; i++) {
  console.log(sma.nextValue(data[i]));
}

Преимущества подхода в сравнении с классической реализацией:

Массив фиксированной длинны, который заполняется значениями и очищается при переполнении, поддерживая константную размерность. Тем самым позволяет не хранить в памяти лишнюю информацию.

Повторное использование вычислений, позволяет вообще отказаться от итераций по какому-либо массиву, мы просто записываем сумму всех входящих значений, и вычитаем сумму уходящих значений (при переполнении массива)

Но проблемные места все же есть:

Проблема 1 － это постоянное условие проверки переполненности массива, даже оптимизированное в this.filled, все еще вызвыается в холостую на каждую итерацию.

Проблема 2 －Мы все еще вынуждены хранить массив длинной 4 и постоянно выполнять операции shift и push , и если push нам не так страшен, то shift, вызывает последовательное смещение индексов, что дорого.

В остальном, даже в таком виде это решение будет работать быстрее в разы, чем классический подход.

Решаем проблему под номером один. Для этого при заполнении массива переопределим метод

this.nextValue = (value: number) => {
	this.sum += value;
	this.arr.push(value);
	this.sum -= this.arr.shift();

	return this.sum / this.period;
};

Это позволит избежать в дальнейших расчетах дополнительных проверок на заполненность массива. Такой «лайфхак» имеет мелкое негативное воздействие на так называемые Shape структуры браузера, которые применяются для оптимизации доступа к свойствам объекта в реальном режиме времени. Прочитать про это можно здесь. Однако это воздействие будет разовым и на дальнейших вычисления не скажется. Такой подход дает в итоге даст значительное ускорение.

Домашнее задание

В статье решается только одна из двух проблем потоковой реализации. Можно ли избавиться от проблемы номер два? Пишите ваши предложения в комментариях.

Содержание

• 1 Как найти среднее арифметическое чисел?
• 2 Среднее значение по условию
• 3 Как посчитать средневзвешенную цену в Excel?
• 4 Среднее квадратическое отклонение: формула в Excel
• 5 Стандартный способ вычисления
• 6 Вычисление с помощью Мастера функций
• 7 Панель формул
• 8 Ручной ввод функции
• 9 Расчет среднего значения по условию
  • 9.1 Помогла ли вам эта статья?

Глядя на только что созданную диаграмму в Excel не всегда легко сразу понять тенденцию развития данных. Некоторые диаграммы состоят из тысяч точек данных. Иногда можно на глаз определить, в каком направлении изменяются данные со временем, в других случаях потребуется прибегнуть к некоторым инструментам Excel, чтобы определить, что же происходит. Сделать это можно при помощи линии тренда и линии скользящего среднего. Чаще всего для того, чтобы определить, в каком направлении происходит развитие данных, в диаграмме используется линия тренда. Чтобы автоматически рассчитать такую линию и добавить её к диаграмме Excel, нужно сделать следующие шаги:

1. В Excel 2013 кликните в любом месте диаграммы и затем нажмите иконку с символом плюс (+) рядом с диаграммой, чтобы открыть меню Элементы диаграммы (Chart elements). Другой вариант: нажмите кнопку Добавить элемент диаграммы (Add Chart Elements), которая находится в разделе Макеты диаграмм (Chart Layouts) на вкладке Конструктор (Design).
2. Отметьте галочкой параметр Линия тренда (Trendline).
3. Чтобы настроить тип линии тренда, кликните направленную вправо стрелку и выберите один из предложенных вариантов (линейная, экспоненциальная, линейный прогноз, скользящее среднее и т.д.).

Чаще всего используются обычный линейный тренд и линия скользящего среднего. Линейный тренд – это прямая линия, расположенная таким образом, чтобы расстояние от неё до любой из точек графика было минимальным. Эта линия полезна в том случае, если есть уверенность, что последующие данные будут соответствовать тому же шаблону.

Очень полезна линия скользящего среднего по нескольким точкам. Такая линия, в отличие от линейного тренда, показывает усреднённую тенденцию по заданному числу точек на графике, которое можно изменить. Линию скользящего среднего используют, если формула, предоставляющая данные для построения графика, изменяется со временем, и тренд должен быть построен только по нескольким предшествующим точкам. Чтобы построить такую линию, выполните шаги 1 и 2 из описанных выше, а затем сделайте вот что:

1. Кликните направленную вправо стрелку в строке Линия тренда (Trendline) и выберите вариант Скользящее среднее (Moving average).
2. Проделайте шаги 1 и 2 из предыдущего примера ещё раз и нажмите Дополнительные параметры (More options).
3. В открывшейся панели Формат линии тренда (Format Trendline) убедитесь, что флажком отмечен вариант Линейная фильтрация (Moving Average).
4. Справа от параметра Линейная фильтрация (Moving Average) находится поле Точки (Period). Здесь задаётся количество точек, которое нужно использовать для вычисления средних значений для построения линии тренда. Установите такое количество точек, которое, по Вашему мнению, будет оптимальным. Например, если Вы считаете, что определённая тенденция в данных сохраняется неизменной только для последних 4 точек, то введите число 4 в данном поле.

Линии тренда в Excel – это отличный способ получить больше информации об имеющемся наборе данных и о том, как они изменяются со временем. Линейный тренд и скользящее среднее – два типа линий тренда, наиболее распространённых и полезных для бизнеса.

Урок подготовлен для Вас командой сайта office-guru.ru
Источник: /> Перевел: Антон Андронов

Правила перепечаткиЕще больше уроков по Microsoft Excel

Оцените качество статьи. Нам важно ваше мнение:

Для того чтобы найти среднее значение в Excel (при том неважно числовое, текстовое, процентное или другое значение) существует много функций. И каждая из них обладает своими особенностями и преимуществами. Ведь в данной задаче могут быть поставлены определенные условия.

Например, средние значения ряда чисел в Excel считают с помощью статистических функций. Можно также вручную ввести собственную формулу. Рассмотрим различные варианты.

Как найти среднее арифметическое чисел?

Чтобы найти среднее арифметическое, необходимо сложить все числа в наборе и разделить сумму на количество. Например, оценки школьника по информатике: 3, 4, 3, 5, 5. Что выходит за четверть: 4. Мы нашли среднее арифметическое по формуле: =(3+4+3+5+5)/5.

Как это быстро сделать с помощью функций Excel? Возьмем для примера ряд случайных чисел в строке:

1. Ставим курсор в ячейку А2 (под набором чисел). В главном меню – инструмент «Редактирование» — кнопка «Сумма». Выбираем опцию «Среднее». После нажатия в активной ячейке появляется формула. Выделяем диапазон: A1:H1 и нажимаем ВВОД.
2. В основе второго метода тот же принцип нахождения среднего арифметического. Но функцию СРЗНАЧ мы вызовем по-другому. С помощью мастера функций (кнопка fx или комбинация клавиш SHIFT+F3).
3. Третий способ вызова функции СРЗНАЧ из панели: «Формула»-«Формула»-«Другие функции»-«Статические»-«СРЗНАЧ».

Или: сделаем активной ячейку и просто вручную впишем формулу: =СРЗНАЧ(A1:A8).

Теперь посмотрим, что еще умеет функция СРЗНАЧ.

Найдем среднее арифметическое двух первых и трех последних чисел. Формула: =СРЗНАЧ(A1:B1;F1:H1). Результат:

Среднее значение по условию

Условием для нахождения среднего арифметического может быть числовой критерий или текстовый. Будем использовать функцию: =СРЗНАЧЕСЛИ().

Найти среднее арифметическое чисел, которые больше или равны 10.

Функция: =СРЗНАЧЕСЛИ(A1:A8;»>=10″)

Результат использования функции СРЗНАЧЕСЛИ по условию «>=10»:

Третий аргумент – «Диапазон усреднения» — опущен. Во-первых, он не обязателен. Во-вторых, анализируемый программой диапазон содержит ТОЛЬКО числовые значения. В ячейках, указанных в первом аргументе, и будет производиться поиск по прописанному во втором аргументе условию.

Внимание! Критерий поиска можно указать в ячейке. А в формуле сделать на нее ссылку.

Найдем среднее значение чисел по текстовому критерию. Например, средние продажи товара «столы».

Функция будет выглядеть так: =СРЗНАЧЕСЛИ($A$2:$A$12;A7;$B$2:$B$12). Диапазон – столбец с наименованиями товаров. Критерий поиска – ссылка на ячейку со словом «столы» (можно вместо ссылки A7 вставить само слово «столы»). Диапазон усреднения – те ячейки, из которых будут браться данные для расчета среднего значения.

В результате вычисления функции получаем следующее значение:

Внимание! Для текстового критерия (условия) диапазон усреднения указывать обязательно.

Как посчитать средний процент в Excel? Для этой цели подойдут функции СУММПРОИЗВ и СУММ. Таблица для примера:

Как мы узнали средневзвешенную цену?

Формула: =СУММПРОИЗВ(C2:C12;B2:B12)/СУММ(C2:C12).

С помощью формулы СУММПРОИЗВ мы узнаем общую выручку после реализации всего количества товара. А функция СУММ — сумирует количесвто товара. Поделив общую выручку от реализации товара на общее количество единиц товара, мы нашли средневзвешенную цену. Этот показатель учитывает «вес» каждой цены. Ее долю в общей массе значений.

Среднее квадратическое отклонение: формула в Excel

Различают среднеквадратическое отклонение по генеральной совокупности и по выборке. В первом случае это корень из генеральной дисперсии. Во втором – из выборочной дисперсии.

Для расчета этого статистического показателя составляется формула дисперсии. Из нее извлекается корень. Но в Excel существует готовая функция для нахождения среднеквадратического отклонения.

Среднеквадратическое отклонение имеет привязку к масштабу исходных данных. Для образного представления о вариации анализируемого диапазона этого недостаточно. Чтобы получить относительный уровень разброса данных, рассчитывается коэффициент вариации:

среднеквадратическое отклонение / среднее арифметическое значение

Формула в Excel выглядит следующим образом:

СТАНДОТКЛОНП (диапазон значений) / СРЗНАЧ (диапазон значений).

Коэффициент вариации считается в процентах. Поэтому в ячейке устанавливаем процентный формат.

В процессе различных расчетов и работы с данными довольно часто требуется подсчитать их среднее значение. Оно рассчитывается путем сложения чисел и деления общей суммы на их количество. Давайте выясним, как вычислить среднее значение набора чисел при помощи программы Microsoft Excel различными способами.

Стандартный способ вычисления

Самый простой и известный способ найти среднее арифметическое набора чисел — это воспользоваться специальной кнопкой на ленте Microsoft Excel. Выделяем диапазон чисел, расположенных в столбце или в строке документа. Находясь во вкладке «Главная», жмем на кнопку «Автосумма», которая расположена на ленте в блоке инструментов «Редактирование». Из выпадающее списка выбираем пункт «Среднее».

После этого, с помощью функции «СРЗНАЧ», производится расчет. В ячейку под выделенным столбцом, или справа от выделенной строки, выводится средняя арифметическая данного набора чисел.

Этот способ хорош простотой и удобством. Но, у него имеются и существенные недостатки. С помощью этого способа можно произвести подсчет среднего значения только тех чисел, которые располагаются в ряд в одном столбце, или в одной строке. А вот, с массивом ячеек, или с разрозненными ячейками на листе, с помощью этого способа работать нельзя.

Например, если выделить два столбца, и вышеописанным способом вычислить среднее арифметическое, то ответ будет дан для каждого столбца в отдельности, а не для всего массива ячеек.

Вычисление с помощью Мастера функций

Для случаев, когда нужно подсчитать среднюю арифметическую массива ячеек, или разрозненных ячеек, можно использовать Мастер функций. Он применяет все ту же функцию «СРЗНАЧ», известную нам по первому методу вычисления, но делает это несколько другим способом.

Кликаем по ячейке, где хотим, чтобы выводился результат подсчета среднего значения. Жмем на кнопку «Вставить функцию», которая размещена слева от строки формул. Либо же, набираем на клавиатуре комбинацию Shift+F3.

Запускается Мастер функций. В списке представленных функций ищем «СРЗНАЧ». Выделяем его, и жмем на кнопку «OK».

Открывается окно аргументов данной функции. В поля «Число» вводятся аргументы функции. Это могут быть как обычные числа, так и адреса ячеек, где эти числа расположены. Если вам неудобно вводить адреса ячеек вручную, то следует нажать на кнопку расположенную справа от поля ввода данных.

После этого, окно аргументов функции свернется, а вы сможете выделить ту группу ячеек на листе, которую берете для расчета. Затем, опять нажимаете на кнопку слева от поля ввода данных, чтобы вернуться в окно аргументов функции.

Если вы хотите подсчитать среднее арифметическое между числами, находящимися в разрозненных группах ячеек, то те же самые действия, о которых говорилось выше, проделывайте в поле «Число 2». И так до тех пор, пока все нужные группы ячеек не будут выделены.

После этого, жмите на кнопку «OK».

Результат расчета среднего арифметического будет выделен в ту ячейку, которую вы выделили перед запуском Мастера функций.

Панель формул

Существует ещё третий способ запустить функцию «СРЗНАЧ». Для этого, переходим во вкладку «Формулы». Выделяем ячейку, в которой будет выводиться результат. После этого, в группе инструментов «Библиотека функций» на ленте жмем на кнопку «Другие функции». Появляется список, в котором нужно последовательно перейти по пунктам «Статистические» и «СРЗНАЧ».

Затем, запускается точно такое же окно аргументов функции, как и при использовании Мастера функций, работу в котором мы подробно описали выше.

Дальнейшие действия точно такие же.

Ручной ввод функции

Но, не забывайте, что всегда при желании можно ввести функцию «СРЗНАЧ» вручную. Она будет иметь следующий шаблон: «=СРЗНАЧ(адрес_диапазона_ячеек(число); адрес_диапазона_ячеек(число)).

Конечно, этот способ не такой удобный, как предыдущие, и требует держать в голове пользователя определенные формулы, но он более гибкий.

Расчет среднего значения по условию

Кроме обычного расчета среднего значения, имеется возможность подсчета среднего значения по условию. В этом случае, в расчет будут браться только те числа из выбранного диапазона, которые соответствуют определенному условию. Например, если эти числа больше или меньше конкретно установленного значения.

Для этих целей, используется функция «СРЗНАЧЕСЛИ». Как и функцию «СРЗНАЧ», запустить её можно через Мастер функций, из панели формул, или при помощи ручного ввода в ячейку. После того, как открылось окно аргументов функции, нужно ввести её параметры. В поле «Диапазон» вводим диапазон ячеек, значения которых будут участвовать в определении среднего арифметического числа. Делаем это тем же способом, как и с функцией «СРЗНАЧ».

А вот, в поле «Условие» мы должны указать конкретное значение, числа больше или меньше которого будут участвовать в расчете. Это можно сделать при помощи знаков сравнения. Например, мы взяли выражение «>=15000». То есть, для расчета будут браться только ячейки диапазона, в которых находятся числа большие или равные 15000. При необходимости, вместо конкретного числа, тут можно указать адрес ячейки, в которой расположено соответствующее число.

Поле «Диапазон усреднения» не обязательно для заполнения. Ввод в него данных является обязательным только при использовании ячеек с текстовым содержимым.

Когда все данные введены, жмем на кнопку «OK».

После этого, в предварительно выбранную ячейку выводится результат расчета среднего арифметического числа для выбранного диапазона, за исключением ячеек, данные которых не отвечают условиям.

Как видим, в программе Microsoft Excel существует целый ряд инструментов, с помощью которых можно рассчитать среднее значение выбранного ряда чисел. Более того, существует функция, которая автоматически отбирает числа из диапазона, не соответствующие заранее установленному пользователем критерию. Это делает вычисления в приложении Microsoft Excel ещё более удобными для пользователей.

Мы рады, что смогли помочь Вам в решении проблемы.

Задайте свой вопрос в комментариях, подробно расписав суть проблемы. Наши специалисты постараются ответить максимально быстро.

Помогла ли вам эта статья?

Да Нет

Изучаем статистику: средние значения

Один из разделов описательной статистики посвящен знакомству
с характеристиками числового набора: минимальное значение, максимальное
значение, размах, среднее арифметическое и медиана. Ученики должны научиться
определять их для набора чисел, заданного списком, таблицей или диаграммой
рассеивания.

Мы изучали этот материал в течение трех уроков. На первых
двух были введены новые понятия и решались задачи из учебного пособия (авт.
Ю.Н. Тюрин, А.А. Макаров, И.Р. Высоцкий, И.В. Ященко). Например. Найдите
наибольшее и наименьшее значение, размах, среднее значение и медиану набора
чисел: 12; 7; 25; 3; 19; 15. (Ответ: 25; 3; 22; 13,5; 13,5).

Однако естественно показать учащимся, зачем мы все это
изучаем. На третьем уроке мы решали задачи, в которых требуется выбрать
такое среднее, которое наилучшим образом отражает особенности данного набора
чисел в соответствии с их природой и требованиями задачи. В одних задачах не
сказано, какую характеристику надо искать, поэтому, чтобы ответить на вопрос
задачи, приходится примерять к поставленной задаче поочередно разные средние и
выяснять, какое подходит больше других. В этом случае ответом к задаче является
не число, а название подходящей характеристики. В других задачах присутствует
необходимость правильно интерпретировать полученные результаты, отнестись к ним
критически, попытаться найти здравое зерно даже там, где, на первый взгляд, «все
сделано неверно». И наконец, предложен и третий вид задач, в которых природа
данных накладывает определенные дополнительные требования на найденное значение
среднего: например, оно должно быть целым.

Тем самым мы не только продолжаем закреплять навык подсчета
среднего, но и демонстрируем возможности применения изученного в реальных
жизненных ситуациях. Ведь для учащихся важным фактором освоения нового является
осознание необходимости знания этого нового, то есть не только как
найти, но и зачем находить.

Данная статья состоит из двух частей. В первой дается описание наиболее
употребительных средних. Во второй части предлагается набор задач для решения в
классе и для самостоятельной работы учащихся.

Знакомимся со средними

Наибольшее и наименьшее значения

Слова «минимальный», «максимальный», «меньший», «больший»
интуитивно понятны учащимся, поэтому первые две характеристики: наибольшее
и наименьшее значения оставим без определения. Скажем, что в наборе,
упорядоченном по возрастанию, наименьшее число стоит на первом месте, а
наибольшее — на последнем.

В пособии имеются задания, в которых требуется найти
наибольшее или наименьшее значения среди чисел, указанных в таблице. К ним
добавим задания с другой формой представления данных — в виде диаграммы
рассеивания.

Задание. Имеется диаграмма 1 рассеивания, показывающая
взаимосвязь роста и веса 15 опрошенных юношей. Найти рост самого высокого и рост
самого низкого юноши (т.е. определить минимальное и максимальное значения набора
чисел, заданного диаграммой рассеивания).

Для этого будем использовать следующее: минимальный рост
соответствует абсциссе точки, расположенной левее других, а
максимальный — абсциссе крайней точки справа. Получим:

min ≈ 167 см, max ≈ 181 см.

Интересно, что остальные 13 точек участия в «обсуждении»
вообще не принимают. Их можно стереть — результат от этого не изменится (см.
диаграмму 2).

Диаграмма 1

Вторая особенность получаемого результата в том, что, в
отличие от работы с таблицей, данные, получаемые с помощью графиков и диаграмм,
являются не точными, а приближенными, то есть ответы могут отличаться.

Аналогично находим минимальное и максимальное значения веса,
как ординаты самой нижней и самой верхней точек.

Диаграмма 2

С каким же видом представления данных удобнее работать?

Преимущество таблицы заключается в точности получаемых
результатов, но работа с ней требует концентрации внимания на протяжении
длительного времени: нельзя пропустить искомое число, а оно может попасть в
любой исследуемый столбец. И если таблица содержит не 15 чисел, а 5000, то этот
аргумент становится решающим в пользу наглядного представления данных. Оно дает
менее точные результаты, зато обработка такой информации происходит за
считанные секунды. Даже если диаграмма будет содержать 5000 точек, нас будут
интересовать только две крайние, на остальные мы даже не посмотрим.

Размах

В отличие от предыдущих понятий, размах — это
незнакомая учащимся характеристика набора. Он показывает протяженность набора
вдоль числовой оси, меру его разброса.

Определение. Размах набора чисел (R) — это
разность между наибольшим и наименьшим числом набора.

Например, в предыдущем задании размах равен: R = 181 –
167 = 14 см.

Что показывает размах значений?

Сравним диаграммы 3 и 4:

Диаграмма 3                 Диаграмма 4

Точки, изображенные на диаграмме 3, расположены ближе друг к
другу, соответственно, и максимальное и минимальное значение отличаются друг от
друга меньше, чем на диаграмме 4. Таким образом, размах показывает, сильно ли
отличаются числа набора друг от друга.

Маленький размах показывает, что исследуемая величина
принимала практически одинаковые значения. Большой размах показывает, что
некоторая величина принимает значительно отличающиеся друг от друга значения, то
есть нестабильность. Иногда большой размах свидетельствует о наличии
грубой ошибки измерений, о том, что какое-то из чисел попало в список случайно.

Если вычислить полусумму наименьшего и наибольшего значений
набора и обозначить ее с, а половину размаха обозначить то можно
утверждать, что все числа набора содержатся в промежутке На бытовом уровне
размах (а точнее, полуразмах) дает информацию о точности информации: расстояние
от дома до дачи (100 ± 5) км, цена на хлеб (14 ± 2) р. и т.д.

Среднее арифметическое

Определение. Средним арифметическим нескольких чисел () называется частное от деления суммы этих чисел на количество чисел.

Например, средним арифметическим чисел 4; 6; 11 является
число

Зачастую среднее арифметическое называют просто «средним» в
силу его наибольшей популярности. Говорят о среднем балле аттестата,
среднегодовом потреблении населением фруктов. «Потребительская корзина» для
определенного слоя граждан рассчитывается исходя из средних показателей.

Рассмотрим следующий пример. На олимпиаде по математике
предлагалось решить пять задач по 4 балла за каждую. В протоколе указана сумма
баллов каждого из восьми участников этой олимпиады:

12; 14; 14; 16; 17; 18; 19; 200.

Для ускорения подсчета имеется автоматизированная система
обработки данных, которая находит среднее арифметическое любых введенных чисел.
Какой средний балл набрали участники олимпиады?

У данного набора среднее равно 38,75. Однако такую сумму
баллов никто из участников набрать не мог. К тому же семь чисел из данных восьми
намного меньше его. Все значения этого набора, кроме крайнего правого,
достаточно кучно попадают в интервал [12; 19], а 38,75 в него не попадает. Все
это говорит о том, что полученное среднее арифметическое не только не передает
особенностей данного набора чисел, но и вообще противоречит здравому смыслу.
Значит, либо в условие, либо в решение вкралась ошибка! Посмотрим еще раз на
данные числа. Теперь, получив явно бессмысленный результат, мы сможем более
критически отнестись к условию: первые семь чисел вполне реальны, а вот
последнее… Откуда оно взялось?! Видимо, оно случайно попало в этот список:
возможно, в результате описки. Однако обнаружение ошибки в условии не избавляет
нас от необходимости довести решение до конца. Можно, конечно, посоветовать
комиссии снова переписать результаты учащихся и ввести числа из нового,
«правильного» протокола. Но где гарантия, что в нем снова не будет опечатки?

Когда все результаты более или менее кучно располагаются на
числовой оси, кроме, быть может, нескольких ненадежных значений, анализировать
результаты можно! Достаточно высокую точность полученных значений будет
гарантировать применение других средних — в частности, урезанного среднего.
Для его нахождения сначала упорядочивают набор по возрастанию, а затем
отбрасывают слева и справа равное небольшое количество чисел. При этом «выбросы»
(или ошибки наблюдений) в дальнейших вычислениях не участвуют. У полученного
«урезанного» набора обычным образом находят среднее арифметическое. Оно и
является урезанным средним исходного набора.

Вернемся к задаче. Если отбросить по одному числу с каждой
стороны, то есть числа 12 и 200, то у оставшегося набора из шести чисел среднее
равно

Это и есть урезанное среднее. Оно неплохо передает реальное
среднее количество баллов, набранных юными математиками.

Некоторая аналогия с нахождением урезанного среднего
просматривается в правилах судейства во многих видах спорта. Например, в
соревнованиях по прыжкам с трамплина технику каждого прыжка оценивают 5 судей.
Чтобы получить объективные оценки, две из них — высшую и низшую — отбрасывают, а
для трех оставшихся находят сумму. Такой подход не дает возможности судьям
повышать баллы своим соотечественникам, а спортсменам затрудняет нечестный путь
к медалям.

Медиана

Медианой числового набора является число, которое
разделяет этот набор на две одинаковые по части.

Если набор упорядочен и в нем имеется нечетное количество
чисел (2n + 1), то медиана стоит посередине этого набора, на (n +
1)-м месте. Если упорядоченный набор состоит из четного количества чисел (2n),
то медианой является любое число, находящееся между двумя числами, которые стоят
в середине (под номерами n и n + 1). Обычно берется их полусумма.

В наборе 12; 14; 14; 16; 17; 18; 19; 200 медианой является
любое число из интервала (16; 17), например, 16,5. Напомним, что урезанное
среднее равнялось 16,3. Похоже!

Перейдем к решению задач.

Вычисляем средние

1. Про отличника. У отличника Коли были отметки по математике
«5», «5», «5», «5».
И вдруг в конце четверти он получил «2». Он знает, что
учитель математики выставляет четвертную отметку как среднее всех отметок,
имеющихся у ученика, и не признает пересдач. Какое среднее было бы
предпочтительнее для Коли, если он, естественно, надеется на пятерку в четверти?

Решение. 1. Попробуем начать с такого очень
распространенного способа выставления четвертных отметок, как нахождение
среднего арифметического:

Естественно, что любой учитель округлит этот результат в
меньшую сторону и выставит итоговую отметку «4». Значит, это среднее Колю не
устраивает.

Мы видим, что один неудачный ответ на балл снизил четвертную
отметку. Ведь до этого среднее арифметическое равнялось 5.

2. Помочь Колиной мечте сбыться может другое среднее, и не
одно! Например, если в качестве среднего учитель Коли возьмет медиану или
урезанное среднее, то в четверти Коле обеспечена пятерка:

— медиана набора 2, 5, 5, 5, 5 равна 5;

— урезанное среднее набора 5, 5, 5, равно

Ответ: медиана или урезанное среднее.

2. Про лодку. Рыбаки собираются порыбачить на озере. Но не
везде им обеспечен хороший улов. Чтобы найти рыбное место, они решили
воспользоваться лодкой с мотором. На лодке установлен мотор, который можно
регулировать по высоте, поднимая или глубже погружая его. Известно, что мотор
работает надежно и не перегревается во время работы, если опустить его как можно
ниже в глубь воды. Но тогда возникает опасность зацепить им за дно водоема.
Мотор устанавливается на желаемую высоту на берегу, в воде менять глубину
погружения нельзя. Какой информацией о глубине воды в озере надо располагать
рыбакам, чтобы не повредить мотор о дно?

Решение. Рыбаки должны узнать глубину озера вдоль
предполагаемого маршрута следования. Затем у полученного набора чисел надо найти
минимальное значение. Оно обеспечит им удачное прохождение и других,
более глубоких участков.

Ответ: минимальное значение.

3. Библиотека. Известно, что детская библиотека выдает в день
в среднем 180 книг. Сколько книг выдает библиотека в среднем за неделю? за
месяц? за год?

Решение. Под средним в данной задаче подразумевается
среднее арифметическое. Так как библиотека работает 6 дней в неделю, значит,
за неделю она выдает около 1806
= 1080 книг. За 26 рабочих дней месяца она выдаст 18026
= 4700 книг. За 12 месяцев выдача составит 468012
= 56 000 книг.

Ответ: 1080 книг, около 4700 книг, около 56 000 книг.

Решая эту задачу, уместно обсудить вопрос точности полученных
результатов. Во-первых, из условия неясно, за какой период было получено
среднедневное значение. Если наблюдения велись лишь одну неделю, то к полученным
вычисленным значениям нужно относиться весьма скептически. Для получения более
точных результатов надо было проводить более длительное наблюдение, сопоставимое
по длительности с запрашиваемым периодом. А во-вторых, возможно, наблюдатели
«попали» на неделю «книжного бума», тогда результаты, распространенные на месяц
и тем более на год получатся явно завышенными. Возможна и обратная картина: нам
сообщили результаты, полученные в период летних каникул, значит, результаты
вычислений будут заниженными. Другими словами, к полученным числам нужно
относиться с большой осторожностью, если нет возможности уточнить, как было
проведено исследование, и за какой период было вычислено среднее значение 180
книг.

Этот пример показывает, что для получения достоверных
результатов исследований нужно соблюдать некоторые условия, следовать
определенным правилам, чтобы полученным выводам можно было доверять.

4. Метание молота. Спортивный клуб должен организовать
соревнования по метанию молота среди спортсменов с разной спортивной подготовкой
и разными достижениями. Для этого он должен пригласить необходимое количество
судей в сектор для метания. Судьи, с которыми сотрудничает клуб, точно отмечают
место падения молота, если находятся не далее четырех метров от него. Спортивный
клуб может запросить любую информацию о прошлых результатах приглашенных
спортсменов. Какой информацией должны располагать организаторы, чтобы пригласить
необходимое количество судей?

Решение. Надо запросить предыдущие результаты метания
молота всех участников и найти максимальный, минимальный результаты и размах.
Зная величину угла сектора для метания и максимальный результат, можно
вычислить длину дуги, вдоль которой через каждые 8 м надо расставить судей.

Количество таких рядов зависит от размаха результатов.
Если он окажется менее 8 м, то судьи могут стоять в один ряд. Если размах
окажется бóльшим, то чтобы успешно фиксировать как более далекие, так и близкие
результаты судей надо расставить в несколько рядов через каждые 8 м.

Ответ: максимальный результат, размах.

5. Отпуск на юге. Для успешной рекламы отдыха на Кипре
туристическая фирма запросила данные о погоде на острове за последние 10 лет.
Выяснилось, что за этот период было лишь 216 пасмурных или дождливых дней,
которые были равномерно распределены по запрашиваемым годам. Сколько дней в году
на острове Кипр светит солнце?

Решение. За 10 лет наблюдалось 3652 – 216 = 3436
солнечных дней. Значит, в среднем за один год — 343,6 дня. Поскольку в ответе
надо писать целое число дней, то можно округлить до целых, а можно и до
десятков: в рекламе круглые числа смотрятся лучше.

Ответ: около 340 дней.

Задачи для самостоятельного решения

1. а) Через речку хотят построить мост. Известно, что уровень
воды в реке меняется в течение года: весной при таянии снега повышается,
засушливым летом понижается. Какую характеристику уровня воды в реке надо
учитывать, чтобы построенный мост был над водой?

б) Периодически в средствах массовой информации нам сообщают
о стихийных бедствиях, в результате которых переполненные водой реки выходят из
своих берегов и даже затопляют улицы городов. Понимая возможность подобного
стихийного бедствия, не будет ли разумнее построить мост (а заодно и высокую
дамбу) как можно выше, насколько это будет технически возможно? Ведь гибель
людей несравнима ни с какими материальными затратами, позволяющими предупредить
беду.

2. За урок учительница вызывает в среднем 5 человек из класса
и каждому ставит отметку за устный ответ. Сколько отметок за устные ответы
выставит эта учительница за неделю, если она проводит в этом классе 5 уроков в
неделю? За четверть?

3. В забеге на 800 м принимали участие 19 спортсменов,
разделенных на группы, стартующие в разное время. Как судьи определили
победителя забега?

4. На зимние каникулы в одной из школ города Мурманска
учительница дала детям задание: следить за погодой и найти среднюю температуру.
Ежедневно в течение десяти дней в 15 часов Наташа записывала показания
термометра:

–13, –10, –15, 11, –9, –9, –11, –12, –10, –11.

А затем вычислила среднее арифметическое и получила –8,9.

а) Действительно ли в период наблюдений температура
колебалась вблизи этого числа?
б) Почему большинство значений (9 из 10) меньше найденного
среднего?
в) Как исправить ответ, если он неверный (заново повторить
наблюдение, естественно, нельзя)?

5.  Имеются данные об успеваемости по химии 8 «А» и 8 «Б» : о
количестве учащихся, получивших ту или иную четвертную отметку. Данные занесены
в таблице:

Отметка	8 «А»	8 «Б»
5	6 чел.	4 чел.
4	12 чел.	10 чел.
3	6 чел.	5 чел.

Какой класс в среднем имеет лучшие результаты?

6. Лучший нападающий баскетбольной команды «Луч» за восемь
прошедших матчей принес своей команде 61 очко. Сколько в среднем очков добавлял
своей команде этот игрок за каждую игру?

Подводя итог сказанному, хочется отметить, что решение задач,
приведенных в этой статье, было встречено учениками с большим интересом. В их
глазах просматривалось и удивление: оказывается школьные знания имеют прямое
отношение к реальной жизни. Длинные формулировки задач не только не мешали
воспринимать задачу, а напротив, учащиеся успевали глубже погрузиться в
ситуацию, пропустить ее через себя. Сюжеты не были надуманными, они
согласовывались с имеющимся у детей жизненным опытом, поэтому даже слабо
подготовленные ученики на этих уроках проявляли необычную для них активность.
Решение некоторых задач проходило в форме жаркой, но доброжелательной дискуссии,
и доказать свою правоту могла только та сторона, которая аргументированно
отстаивала свою позицию, опираясь на строгие математические факты и здравый
смысл!

Решения и ответы

1. а) Максимальное значение уровня воды в реке.
б) Все зависит от массы обстоятельств: географического
положения реки, «поведения» реки в прошлом и др. Конечно, раз в 100–150 лет даже
на самой «мирной» реке может быть катастрофический паводок. Однако стоит ли
строить очень высокий мост через каждую речку, ожидая ужасного, но
маловероятного катаклизма?

2. Около 25 отметок; около 200 отметок.

3. Победитель затратил на преодоление дистанции минимальное
время.

4. а) Нет, в период наблюдений температура колебалась в
промежутке [–15; –9], которому найденное среднее не принадлежит;
б) потому что имеется число 11, которое существенно
отличается от всех остальных и поэтому меняет среднее в большую сторону;
в) найти урезанное среднее данного набора:

–9, –9, –10, –10, –11, –11, –12, –13, –15,
11. Оно приближенно равно 11,4.

5. 8 «А».

6. Около 8 очков.

Багишова О.

Среднее
значение периодической функции f(t)
за период Т
определяется по формуле

F_ср=
.
(2.4)

Отсюда
видно, что среднее значение за период
равно высоте прямоугольника с основанием
Т,
площадь которого равна площади,
ограниченной функцией f(t)
и осью абсцисс за один период.

В случае гармонического
колебания среднее значение за период
равно нулю, так как площадь положительной
полуволны компенсируется площадью
отрицательной полуволны гармонической
функции. Поэтому здесь пользуются
понятием среднего значения функции,
взятой по абсолютной величине, или, что
то же, среднего полупериодного значения,
соответствующего положительной полуволне
гармонической функции (рисунок 2.2).

В
соответствии с этим среднее значение
тока i
= I_mсosωt
с амплитудой А
= I_m
будет

. (2.5)

Аналогично среднее
значение гармонического напряжения

. (2.6)

Тепловое действие
тока, а также механическая сила
взаимодействия двух проводников, по
которым проходит один и тот же ток,
пропорциональны квадрату тока. Поэтому
о величине тока судят обычно по так
называемому действующему (среднеквадратичному)
значению за период. Этим термином заменен
применявшийся ранее в литературе и ныне
не рекомендуемый термин «эффективное»
значение.

Действующее
значение периодической функции f(t)
вычисляется по формуле

. (2.7)

Из
этой формулы следует, что величина F²
представляет собой среднее значение
функции [f(t}]²
за период
Т,
т.е. равна высоте прямоугольника с
основанием Т,
площадь которого равна площади,
ограниченной функцией [f(t)]²
и осью абсцисс за один период (рисунок
2.3).

В
соответствии с (2.7) действующее значение
периодического тока

. (2.8)

Возведя
(2.8) в квадрат и умножив обе части
полученного выражения на RT,
найдем

.

Это
равенство показывает, что действующее
значение периодического тока равно по
величине такому постоянному току,
который, проходя через неизменное
сопротивление R,
за период времени Т выделяет то же
количество тепла, что и данный ток i.

Аналогично
действующее значение периодического
напряжения

. (2.9)

При
токе i
= I_mcosωt

.

Следовательно,
согласно (2.8)

. (2.8а)

Аналогично
действующее значе­ние гармонического
напряжения

. (2.9а)

Номинальные токи
и напряжения электротехнических
устройств опре­деляются, как правило,
действующими значениями; поэтому
действующие значения представляют
наиболее распространенный электрический
параметр.

Для измерения
действующих значений применяются
системы приборов: тепловая, электромагнитная,
электродинамическая и др.

2.3
ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
В ВИДЕ ПРОЕКЦИЙ ВРАЩАЮЩИХСЯ ВЕКТОРОВ

Мгновенные значения
функции u
= U_mcos(ωt+)
можно получить как проекцию на
горизонтальную ось отрезка длиной U_m,
вращающегося относительно начала
прямоугольной системы координат с
угловой скоростью ω = 2f
в положительном направлении (т.е. против
хода часовой стрелки). Вращающийся
отрезок условимся называть вектором.
Этот вектор, вращающийся в плоскости
прямоугольной системы координат, не
следует смешивать с вектором в трехмерном
пространстве из области механики или
теории электромагнитного поля.

В
момент t
= 0 вектор
образует с горизонтальной осью угол ψ
и его проекция
на горизонтальную ось равна U_mcos,
т.е. мгновенному значению заданной
функции при t
= 0 (рисунок
2.4, а).

За
время t
= t₁
вектор
повернется на угол ωt₁
и окажется повернутым относительно
горизонтальной оси на угол ωt₁+;
его проекция на эту ось будет равна
U_mcos(ωt₁
+ )
и т.д.

Таким
образом, рассмотрение гармонических
колебаний можно заменить рассмотрением
вращающихся векторов.

Для
получения мгновенных значений в
соответствии с вышесказанным условимся
проектировать векторы на горизонтальную
ось. Рассмотрим теперь функцию U_msin(ωt
+ )
= U_mcos(ωt
+ —).

Она
представится проекцией вращающегося
вектора, имеющего начальную фазу 
—

(рисунок 2.4, б).

Следовательно,
векторы, изображающие косинусоидальную
и синусоидальную функции, взаимно
перпендикулярны.

Если
гармонические колебания имеют одну и
ту же частоту, то соответствующие этим
колебаниям векторы вращаются с одинаковой
угловой скоростью и поэтому углы между
ними сохраняются неизменными.

На
рисунке 2.5 показаны две гармонические
функции

u₁
= U_1mcos(ωt
+ ₁)

и

u₂
= U_2mcos(ωt
+ ₂),

имеющие
одинаковую угловую частоту ω и начальные
фазы ₁
и -₂.
Кривая u₁,
смещенная
влево относительно u₂,
возрастает от нуля до своего положительного
максимума раньше, чем кривая u₂.
Поэтому говорят, что u₁
опережает
по фазе u₂,
или, что то же, u₂
отстает по фазе от
u₁.
Разность
начальных фаз 
= ₁
— (-₂)
= ₁
+ ₂
называется фазовым сдвигом или углом
сдвига u₁
относительно u_2.
Этот угол
и образуют между собой векторы, показанные
на рисунке 2.5 (вверху).

При
равенстве начальных фаз, т.е. при фазовом
сдвиге, равном нулю,
векторы,
направлены, в одну и ту же сторону
(совпадают
по фазе).

При
фазовом сдвиге 180°
векторы направлены в диаметрально
противоположные стороны (находятся
в противофазе).

Диаграмма,
изображающая совокупность векторов,
построенных с соблюдением их взаимной
ориентации по фазе, называется векторной
диаграммой.

Векторное
представление гармонических функций,
частота которых одинакова, облегчает
операции сложения и вычитания этих
функций. Ввиду того, что сумма проекций
двух векторов равна проекции геометрической
суммы этих векторов, амплитуда и начальная
фаза результирующей кривой легко
находятся из векторной диаграммы
геометрическим сложением
векторов.

Например, пусть
требуется сложить функции

u₁
= U_1mcos(ωt
+ ₁) и
u₂
= U_2mcos(ωt
+ ₂).

Из
графического построения рисунок 2.6, а
следует:

; (2.11)

.
(2.12)

Здесь
угол 
находится с учетом знаков числителя и
знаменателя, определяющих знаки синуса
и косинуса.

В
случае, когда функция u₂
вычитается из u₁
(рисунок
2.6, б),
угол ₁
в (2.11) и (2.12) заменяется на _2
+ 
или, что то же, на ₂
().

Амплитуда
U_m
и угол 
могут быть также получены непосредственно
из векторной диаграммы.

При
пользовании векторной диаграммой с
целью установления фазовых сдвигов или
амплитудных значений гармонических
величин, имеющих одинаковую частоту,
векторная диаграмма может считаться
неподвижной (при равенстве частот углы
между векторами не зависят от времени).

Построение
векторных диаграмм обычно не связано
с определением мгновенных значений
гармонических функций; в таких случаях
векторные диаграммы строятся не для
амплитуд, а для действующих значений,
т.е. модули векторов уменьшаются по
сравнению с амплитудами в

раз. При этом векторная диаграмма
мыслится неподвижной.

В
отличие от векторных диаграмм кривые
мгновенных значений называются временными
диаграммами.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #