“Il pensiero statistico sarà un giorno necessario per la cittadinanza efficiente come la capacità di
leggere e scrivere.”
— H.G. Wells
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Apriamo con questo capitolo la sezione dedicata alla statistica descrittiva, la disciplina che si occupa di raccogliere, organizzare, riassumere e rappresentare dati. A differenza della matematica “deduttiva” che abbiamo finora praticato — dove a partire da definizioni e assiomi si ottengono teoremi — la statistica è una disciplina induttiva: parte dall’osservazione del mondo reale e cerca di estrarre informazione, regolarità e tendenze da insiemi di dati.
L’epigrafe di Wells, scritta più di un secolo fa, è oggi più attuale che mai: viviamo immersi in dati (sondaggi, classifiche, indici economici, statistiche sanitarie, dati climatici) e la capacità di leggerli criticamente, riconoscendone limiti e potenzialità, è un’abilità democratica fondamentale. Comincia con i mattoni più elementari: il concetto di carattere, la nozione di frequenza nelle sue varie forme (assoluta, relativa, percentuale, cumulata), e le tabelle di frequenza, lo strumento con cui si organizza una qualsiasi rilevazione statistica.
Ogni indagine statistica parte dalla scelta di una popolazione e di un carattere di interesse.
Definizione 38.1 — Popolazione, unità statistica, carattere
Esempi:
Definizione 38.2 — Tipi di caratteri
Un carattere si dice:
I caratteri quantitativi si dividono ulteriormente in:
I caratteri qualitativi a loro volta si distinguono in sconnessi (le modalità non hanno un ordine naturale: colore degli occhi, marca dell’auto) e ordinati (le modalità ammettono un ordinamento: giudizio scolastico “insufficiente / sufficiente / buono / ottimo”; titolo di studio).
Sapere a quale tipo appartiene il carattere è importante perché determina quali operazioni statistiche sono lecite: ad esempio, calcolare la “media” dei colori preferiti non ha senso, ma calcolare la media delle altezze sì.
Attenzione!
Numero e quantità non sono la stessa cosa. Anche se le modalità di un carattere sono numeriche, ciò non basta a renderlo “quantitativo” in senso pieno. Ad esempio, i numeri di maglia dei giocatori di una squadra di calcio sono numeri, ma fungono solo da etichette: non ha senso calcolare la media dei numeri di maglia, né dire che il giocatore con il numero \(20\) “vale il doppio” del giocatore con il numero \(10\). Caratteri di questo tipo si dicono nominali e vanno trattati come qualitativi anche se i loro valori si scrivono con cifre.
Quando si raccolgono i dati di un’indagine, la prima operazione è contare quante unità statistiche presentano ciascuna modalità del carattere.
Definizione 38.3 — Frequenza assoluta
Se le modalità distinte del carattere sono \(k\), denotate \(x_1, x_2, \dots , x_k\), le frequenze assolute corrispondenti \(f_1, f_2, \dots , f_k\) soddisfano la relazione fondamentale
poiché ogni unità statistica appartiene a una e una sola modalità.
Esempio 38.1 — Frequenza assoluta del colore preferito
In una classe di \(24\) studenti si chiede a ciascuno qual è il colore preferito fra cinque opzioni proposte. Le risposte raccolte sono riportate nella seguente tabella di frequenza:
| Colore \(x_i\) | Frequenza assoluta \(f_i\) |
| Rosso | \(7\) |
| Blu | \(6\) |
| Verde | \(5\) |
| Giallo | \(4\) |
| Nero | \(2\) |
| Totale | \(\mathbf {24}\) |
Verifica: la somma delle frequenze, \(7 + 6 + 5 + 4 + 2 = 24\), è pari al totale degli studenti, in accordo con la relazione \(\sum f_i = N\).
Le frequenze assolute danno una prima fotografia dei dati, ma non si prestano bene al confronto fra rilevazioni di dimensioni diverse: dire che \(15\) studenti preferiscono il rosso è un dato molto diverso a seconda che la classe sia di \(20\) o di \(200\) studenti. Si introducono perciò le frequenze relative, che esprimono la quota di unità statistiche con una data modalità rispetto al totale.
Definizione 38.4 — Frequenza relativa
Le frequenze relative godono di tre proprietà fondamentali:
Spesso si preferisce esprimere le frequenze relative in forma percentuale, moltiplicandole per \(100\). La frequenza percentuale ha il vantaggio di essere immediatamente comprensibile (“\(25\) su \(100\)”) ed è la forma con cui ci imbattiamo più spesso nella vita quotidiana.
Definizione 38.5 — Frequenza percentuale
Le frequenze percentuali sommano a \(100\), cioè \(\sum \phi _i^{\%} = 100\,{\% }\). Si noti che la frequenza percentuale è il modo abituale di esprimere risultati di sondaggi, distribuzioni in popolazioni, ecc. : “il \(45\,{\% }\) degli intervistati”, “il tasso di disoccupazione è del \(8.2\,{\% }\)”, e così via.
Esempio 38.2 — Frequenza relativa e percentuale
Riprendiamo l’esempio del colore preferito. Costruiamo la tabella estesa con frequenze relative e percentuali.
| Colore \(x_i\) | Assoluta \(f_i\) | Relativa \(\phi _i\) | Percentuale \(\phi _i^{\%}\) |
| Rosso | \(7\) | \(7/24 \approx 0.292\) | \(\approx 29.2\,{\% }\) |
| Blu | \(6\) | \(6/24 = 0.250\) | \(25.0\,{\% }\) |
| Verde | \(5\) | \(5/24 \approx 0.208\) | \(\approx 20.8\,{\% }\) |
| Giallo | \(4\) | \(4/24 \approx 0.167\) | \(\approx 16.7\,{\% }\) |
| Nero | \(2\) | \(2/24 \approx 0.083\) | \(\approx 8.3\,{\% }\) |
| Totale | \(\mathbf {24}\) | \(\mathbf {1.000}\) | \(\mathbf {100.0\,{\% }}\) |
Verifica. Le frequenze relative sommano a \(1\) (a meno di errori di arrotondamento sulle terze decimali), e le percentuali sommano a \(100\,{\% }\).
Attenzione!
Arrotondamenti. Sommando frequenze relative o percentuali arrotondate, il totale può essere leggermente diverso da \(1\) (o da \(100\,{\% }\)). Nell’esempio sopra, \(0.292 + 0.250 + 0.208 + 0.167 + 0.083 = 1.000\) è esatto; ma con arrotondamenti più aggressivi si possono ottenere \(99.9\) o \(100.1\). Si tratta di una conseguenza inevitabile dell’arrotondamento: la somma delle frequenze non arrotondate è sempre esattamente \(1\), ma le approssimazioni introducono piccoli scarti che è opportuno segnalare quando significativi.
Per i caratteri quantitativi o qualitativi ordinati (cioè quando le modalità ammettono un ordinamento naturale) è utile considerare anche le frequenze cumulate: si tratta delle frequenze che “si accumulano” procedendo da una modalità all’altra in ordine crescente.
Definizione 38.6 — Frequenze cumulate
Siano \(x_1 < x_2 < \dots < x_k\) le modalità di un carattere ordinato, con frequenze assolute \(f_1, f_2, \dots , f_k\). Si definiscono:
L’utilità delle frequenze cumulate sta nel rispondere a domande del tipo “quante unità statistiche hanno una modalità minore o uguale a \(x_i\)?”. Ad esempio: “quanti studenti hanno un voto sufficiente o inferiore?”, “quale percentuale di intervistati ha meno di \(30\) anni?”.
L’ultima frequenza cumulata \(F_k\) coincide sempre con il totale \(N\) (perché entro l’ultima modalità sono accumulate tutte le unità); analogamente, \(\Phi _k = 1\) e \(\Phi _k^{\%} = 100\,{\% }\).
Esempio 38.3 — Frequenze cumulate dei voti
In una classe di \(25\) studenti si rilevano i voti in matematica del primo compito, espressi in decimi. La tabella seguente riporta frequenze assolute, relative, percentuali, e le rispettive cumulate.
| Voto | \(f_i\) | \(\phi _i\) | \(\phi _i^{\%}\) | \(F_i\) | \(\Phi _i^{\%}\) |
| \(4\) | \(2\) | \(0.08\) | \(8\,{\% }\) | \(2\) | \(8\,{\% }\) |
| \(5\) | \(4\) | \(0.16\) | \(16\,{\% }\) | \(6\) | \(24\,{\% }\) |
| \(6\) | \(7\) | \(0.28\) | \(28\,{\% }\) | \(13\) | \(52\,{\% }\) |
| \(7\) | \(6\) | \(0.24\) | \(24\,{\% }\) | \(19\) | \(76\,{\% }\) |
| \(8\) | \(4\) | \(0.16\) | \(16\,{\% }\) | \(23\) | \(92\,{\% }\) |
| \(9\) | \(2\) | \(0.08\) | \(8\,{\% }\) | \(25\) | \(100\,{\% }\) |
| Totale | \(\mathbf {25}\) | \(\mathbf {1.00}\) | \(\mathbf {100\,{\% }}\) | — | — |
Lettura della tabella.
Quanto visto negli esempi è in pratica la tabella di frequenza, lo strumento standard con cui si organizzano i dati di una rilevazione.
Procedura — Costruzione di una tabella di frequenza
Quando il carattere è quantitativo continuo, oppure discreto ma con un numero elevato di modalità distinte, la tabella di frequenza con tutte le modalità singole sarebbe ingestibile e poco informativa. Si raggruppano allora i valori in classi: intervalli consecutivi della retta numerica.
Definizione 38.7 — Distribuzione per classi
Per costruire una distribuzione per classi:
Una convenzione frequente è di considerare le classi del tipo \([x_i, x_{i+1})\): l’estremo inferiore è incluso, quello superiore escluso. In questo modo ogni unità statistica appartiene a una sola classe, senza ambiguità ai punti di confine.
Esempio 38.4 — Distribuzione per classi dell’altezza
Si rilevano le altezze in centimetri di \(30\) studenti, ottenendo valori da \(152\,{\mathrm{c} \mathrm{m} }\) a \(188\,{\mathrm{c} \mathrm{m} }\). Decidiamo di organizzare i dati in \(6\) classi di ampiezza \(6\,{\mathrm{c} \mathrm{m} }\):
| Classe (cm) | \(f_i\) | \(\phi _i^{\%}\) | \(F_i\) |
| \([152, 158)\) | \(3\) | \(10.0\,{\% }\) | \(3\) |
| \([158, 164)\) | \(6\) | \(20.0\,{\% }\) | \(9\) |
| \([164, 170)\) | \(8\) | \(\approx 26.7\,{\% }\) | \(17\) |
| \([170, 176)\) | \(7\) | \(\approx 23.3\,{\% }\) | \(24\) |
| \([176, 182)\) | \(4\) | \(\approx 13.3\,{\% }\) | \(28\) |
| \([182, 188]\) | \(2\) | \(\approx 6.7\,{\% }\) | \(30\) |
| Totale | \(\mathbf {30}\) | \(\mathbf {100.0\,{\% }}\) | — |
Lettura della tabella.
Nota
Quante classi scegliere? Non esiste una regola unica. Tradizionalmente si usano regole empiriche: la regola di Sturges, \(k = 1 + \log _2 N \approx 1 + 3.322 \cdot \log _{10} N\), suggerisce ad esempio \(k = 6\) per \(N = 30\), \(k = 8\) per \(N = 100\), \(k = 11\) per \(N = 1000\). Più importante della regola precisa è il principio: troppe poche classi nascondono la struttura dei dati, troppe (specie con \(N\) piccolo) la frammentano in modo poco informativo.
Esempio 38.5 — Dati grezzi a tabella di frequenza
Si chiede a \(20\) persone quanti libri hanno letto nell’ultimo anno. Le risposte raccolte sono:
Costruiamo la tabella di frequenza.
Conteggio delle modalità distinte.
| Libri letti \(x_i\) | \(f_i\) | \(\phi _i\) | \(\phi _i^{\%}\) | \(F_i\) | \(\Phi _i^{\%}\) |
| \(0\) | \(3\) | \(0.15\) | \(15\,{\% }\) | \(3\) | \(15\,{\% }\) |
| \(1\) | \(3\) | \(0.15\) | \(15\,{\% }\) | \(6\) | \(30\,{\% }\) |
| \(2\) | \(5\) | \(0.25\) | \(25\,{\% }\) | \(11\) | \(55\,{\% }\) |
| \(3\) | \(3\) | \(0.15\) | \(15\,{\% }\) | \(14\) | \(70\,{\% }\) |
| \(4\) | \(2\) | \(0.10\) | \(10\,{\% }\) | \(16\) | \(80\,{\% }\) |
| \(5\) | \(2\) | \(0.10\) | \(10\,{\% }\) | \(18\) | \(90\,{\% }\) |
| \(6\) | \(2\) | \(0.10\) | \(10\,{\% }\) | \(20\) | \(100\,{\% }\) |
| Totale | \(\mathbf {20}\) | \(\mathbf {1.00}\) | \(\mathbf {100\,{\% }}\) | — | — |
Lettura.
Esempio 38.6 — Confronto fra rilevazioni di dimensione diversa
In una scuola, i questionari sul giudizio dell’orario scolastico hanno dato i seguenti risultati:
| Giudizio | Classe A (\(N_A = 25\)) | Classe B (\(N_B = 40\)) |
| Insoddisfacente | \(4\) | \(8\) |
| Sufficiente | \(8\) | \(14\) |
| Buono | \(9\) | \(12\) |
| Ottimo | \(4\) | \(6\) |
| Totale | \(\mathbf {25}\) | \(\mathbf {40}\) |
A prima vista la classe B sembra avere più giudizi positivi della classe A. Ma le due classi hanno numerosità diversa: per confrontarle correttamente occorre passare alle frequenze percentuali.
| Giudizio | Classe A (%) | Classe B (%) |
| Insoddisfacente | \(16.0\,{\% }\) | \(20.0\,{\% }\) |
| Sufficiente | \(32.0\,{\% }\) | \(35.0\,{\% }\) |
| Buono | \(36.0\,{\% }\) | \(30.0\,{\% }\) |
| Ottimo | \(16.0\,{\% }\) | \(15.0\,{\% }\) |
| Totale | \(\mathbf {100\,{\% }}\) | \(\mathbf {100\,{\% }}\) |
Conclusione. La classe A ha in realtà una distribuzione di giudizi leggermente più positiva della classe B (sommando “buono” e “ottimo”: \(52\,{\% }\) in A contro \(45\,{\% }\) in B). L’apparente vantaggio della classe B nei dati assoluti era dovuto solo alla sua numerosità maggiore. È un esempio paradigmatico di come la frequenza percentuale sia indispensabile per confronti corretti.
Esercizio 38.1
| Voto | \(3\) | \(4\) | \(5\) | \(6\) | \(7\) | \(8\) |
| \(f_i\) | \(1\) | \(3\) | \(7\) | \(10\) | \(5\) | \(2\) |
| Classe | \(f_i\) |
| \([0, 10)\) | \(5\) |
| \([10, 20)\) | \(12\) |
| \([20, 30)\) | \(18\) |
| \([30, 40)\) | \(10\) |
| \([40, 50]\) | \(5\) |
| \(4\) | \(5\) | \(6\) | \(7\) | \(8\) | \(9\) | \(10\) | |
| Classe 1 | \(2\) | \(5\) | \(8\) | \(6\) | \(3\) | \(1\) | \(0\) |
| Classe 2 | \(0\) | \(2\) | \(6\) | \(9\) | \(5\) | \(2\) | \(1\) |
Riepilogo