\chapter{Foglio di calcolo per dati e statistica}\label{cap:IN-001} \citazioneinizio{% \flashcap{IN-001-foglio-calcolo} \geesexercises{mb12} \sorgentecap{IN-001} Il foglio elettronico è lo strumento che ha portato il calcolo dalle scrivanie degli specialisti a quelle di chiunque abbia un dato da analizzare: una griglia, qualche formula, e si guarda contemporaneamente al numero e al suo significato.% }{adattamento da Dan Bricklin, sull'invenzione di VisiCalc (1979)} % ============================================================ \section{Introduzione motivazionale}\label{sec:in-001-01-introduzione-motivazionale} % ============================================================ Il \emph{foglio di calcolo} è oggi lo strumento più utilizzato in assoluto per elaborare dati: ogni laboratorio, ogni ufficio amministrativo, ogni statistica giornalistica viene preparata in un foglio elettronico. Nella scuola serve a fare due cose che a mano sarebbero lunghissime: \emph{tabulare} grandi quantità di dati e \emph{ricalcolarli automaticamente} quando qualcosa cambia. In questo capitolo introduciamo le competenze di base per usare un foglio di calcolo (Excel di Microsoft, Calc di LibreOffice, Fogli di Google, Numbers di Apple — tutti con la stessa logica) nei problemi di matematica: tabelle di valori, distribuzioni di frequenza, indici statistici, grafici. Le formule vere e proprie sono presentate con la sintassi italiana standard (\verb|=SOMMA|, \verb|=MEDIA|, \verb|=SE|, $\ldots$) che è quella di LibreOffice Calc; le versioni inglesi (\verb|=SUM|, \verb|=AVERAGE|, $\ldots$) sono perfettamente equivalenti. I riferimenti teorici alla statistica descrittiva sono nei capitoli \ref{cap:PS-001}, \ref{cap:PS-002} e \ref{cap:PS-003}: lì abbiamo studiato il significato di frequenze, indici di posizione e di dispersione; qui impariamo a \emph{calcolarli concretamente} con un foglio. % ============================================================ \section{Operazioni di base con un foglio}\label{sec:in-001-01-operazioni-di-base-con-un-foglio} \flashsec{IN-001-foglio-calcolo}{02} % ============================================================ \begin{definizione}[Foglio di calcolo, cella, formula]\indiceauto{foglio di calcolo cella formula@Foglio di calcolo, cella, formula|textbf}Un \textbf{foglio di calcolo} è una griglia rettangolare composta da righe numerate (1, 2, 3, $\ldots$) e colonne identificate da lettere (A, B, C, $\ldots$, Z, AA, AB, $\ldots$). L'intersezione di una colonna e una riga si chiama \textbf{cella}, identificata da un nome come \texttt{A1}, \texttt{B5}, \texttt{D17}. In ogni cella si può inserire: \begin{itemize} \item un \textbf{valore} (numero, testo, data); \item una \textbf{formula}, che inizia con il segno \texttt{=} e produce un risultato calcolato. \end{itemize} \end{definizione} \begin{esempio} \begin{itemize} \item In \texttt{A1} scriviamo \verb|10|, in \texttt{A2} scriviamo \verb|20|, in \texttt{A3} scriviamo \verb|=A1+A2|. La cella \texttt{A3} mostrerà $30$. \item Se cambiamo il valore di \texttt{A1} in $15$, il foglio \emph{ricalcola automaticamente} \texttt{A3} mostrando $35$. È la potenza del foglio: \emph{tutto è collegato}. \end{itemize} \end{esempio} \begin{nota}[Operatori e funzioni base] Operatori aritmetici: \verb|+| somma, \verb|-| sottrazione, \verb|*| moltiplicazione, \verb|/| divisione, \verb|^| potenza. Si possono usare parentesi tonde per forzare l'ordine: \verb|=(A1+B1)*2|. Funzioni più comuni (sintassi italiana): \begin{itemize} \item \verb|=SOMMA(A1:A10)| somma le celle da \texttt{A1} a \texttt{A10}; \item \verb|=MEDIA(A1:A10)| media aritmetica; \item \verb|=MIN(A1:A10)|, \verb|=MAX(A1:A10)| minimo e massimo; \item \verb|=CONTA(A1:A10)| numero di celle con un valore numerico; \item \verb|=CONTA.SE(A1:A10; ">5")| numero di celle che soddisfano una condizione. \end{itemize} \end{nota} \subsection*{Riferimenti relativi e assoluti} \begin{definizione}[Riferimento relativo e assoluto]\indiceauto{riferimento relativo e assoluto@Riferimento relativo e assoluto|textbf}Un \textbf{riferimento relativo} (come \texttt{A1}) si \emph{adatta} quando la formula viene copiata in un'altra cella: se in \texttt{B1} c'è \verb|=A1*2|, copiandola in \texttt{B2} diventa automaticamente \verb|=A2*2|. Un \textbf{riferimento assoluto} (come \verb|$A$1|) \emph{non} cambia con la copia: rimane sempre \texttt{A1} indipendentemente da dove la formula viene incollata. Esistono anche riferimenti \emph{misti}: \verb|$A1| blocca solo la colonna, \verb|A$1| solo la riga. \end{definizione} \begin{esempio}[Quando serve il riferimento assoluto] Voglio moltiplicare ogni numero della colonna \texttt{A} per un fattore di conversione scritto in \texttt{C1}. In \texttt{B1} scrivo \verb|=A1*$C$1|. Trascinando la formula verso il basso, ottengo automaticamente in \texttt{B2} la formula \verb|=A2*$C$1|, in \texttt{B3} \verb|=A3*$C$1|, eccetera: $A$ varia, $C1$ resta fisso. È la dichiarazione: ``il fattore è uno solo, per tutte le righe''. \end{esempio} \begin{figure}[H] \centering \begin{tikzpicture}[scale=0.85, every node/.style={font=\small}] % Griglia 6 x 4 \foreach \r in {0,...,5} { \foreach \c in {0,...,4} { \draw[black] ({\c*1.4}, {-\r*0.6}) rectangle ({\c*1.4+1.4}, {-\r*0.6-0.6}); } } % Intestazione colonne \foreach \c/\lbl in {0/A, 1/B, 2/C, 3/D, 4/E} { \node[BLU] at ({\c*1.4+0.7}, 0.3) {\textbf{\lbl}}; } % Intestazione righe \foreach \r/\lbl in {0/1, 1/2, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6} { \node[BLU] at (-0.3, {-\r*0.6-0.3}) {\textbf{\lbl}}; } % Contenuti di esempio % Tabella valori in A \node at (0.7, -0.3) {10}; \node at (0.7, -0.9) {20}; \node at (0.7, -1.5) {30}; \node at (0.7, -2.1) {40}; \node at (0.7, -2.7) {50}; % Tabella valori in B = A * C1 (riferimento assoluto) \node at (2.1, -0.3) {\texttt{=A1*\$C\$1}}; \node at (2.1, -0.9) {\texttt{=A2*\$C\$1}}; \node at (2.1, -1.5) {\texttt{=A3*\$C\$1}}; \node at (2.1, -2.1) {\texttt{=A4*\$C\$1}}; \node at (2.1, -2.7) {\texttt{=A5*\$C\$1}}; % C1 = fattore \node at (3.5, -0.3) {3}; % Evidenziazione C1 \draw[thick, ROSSO] (2.8, 0) rectangle (4.2, -0.6); \node[ROSSO, right] at (5.7, -0.3) {fattore (riferimento assoluto)}; % Evidenziazione colonna A \draw[thick, VERDE] (0, 0) rectangle (1.4, -3); \node[VERDE, right] at (5.7, -1.5) {dati (riferimento relativo)}; % Cella formula \draw[thick, BLU] (1.4, 0) rectangle (2.8, -3); \node[BLU, right] at (5.7, -2.7) {formula trascinata}; \end{tikzpicture} \caption{Esempio di uso dei riferimenti relativi e assoluti in un foglio di calcolo. In colonna \texttt{B} la formula \texttt{=A1*\$C\$1} è stata trascinata verso il basso: il riferimento ad \texttt{A} si è \emph{aggiornato} riga per riga (relativo), mentre \texttt{\$C\$1} è rimasto fisso (assoluto). Risultato: $30, 60, 90, 120, 150$.} \label{fig:in-001-foglio} \end{figure} \begin{procedura}[Trascinare una formula] \hfill \begin{enumerate} \item Si scrive la formula in una sola cella, con i riferimenti corretti (relativi e assoluti). \item Si seleziona la cella e si trascina il quadratino in basso a destra (il ``maniglio'') verso il basso (o verso destra/sinistra). \item Il foglio replica la formula nelle celle attraversate, aggiornando solo i riferimenti relativi. \end{enumerate} È uno dei meccanismi più potenti dei fogli di calcolo: una formula scritta una sola volta si applica a centinaia di righe. \end{procedura} % ============================================================ \section{Distribuzioni di frequenza}\label{sec:in-001-02-distribuzioni-di-frequenza} \flashsec{IN-001-foglio-calcolo}{03} % ============================================================ Una \emph{distribuzione di frequenza} (capitolo \ref{cap:PS-001}) si costruisce in due passi: si elencano i possibili valori (o classi di valori) e si conta quante volte ognuno appare nei dati. \begin{procedura}[Distribuzione di frequenza con \texttt{CONTA.SE}] \hfill \begin{enumerate} \item Si elencano i dati grezzi in una colonna (es.\ \texttt{A2:A101}). \item In una colonna parallela si elencano i valori (o le classi) distinti che si vogliono contare (es.\ \texttt{C2:C10}). \item Per ognuno si scrive in colonna affianco la formula \verb|=CONTA.SE($A$2:$A$101; C2)| (riferimento assoluto al \emph{range} dei dati, relativo al valore corrente). \item Si trascina la formula verso il basso: si ottengono le frequenze assolute. \item Per le frequenze relative si divide per il totale: \verb|=D2/SOMMA($D$2:$D$10)|. \end{enumerate} \end{procedura} \begin{esempio}[Voti di una classe] Una classe di $\num{25}$ studenti ha preso al compito i voti $6, 7, 6, 8, 5, \ldots$ Si vuole costruire la distribuzione di frequenza. \textit{Foglio.} \begin{itemize} \item Voti grezzi: \texttt{A2:A26}. \item Voti distinti (4, 5, 6, 7, 8, 9, 10): \texttt{C2:C8}. \item Frequenze assolute in \texttt{D2:D8} con \verb|=CONTA.SE($A$2:$A$26; C2)| trascinata. \item Verifica: \verb|=SOMMA(D2:D8)| deve dare $25$. \item Frequenze relative in \texttt{E2:E8}: \verb|=D2/25|. \end{itemize} Pronti i dati per il grafico. \end{esempio} % ============================================================ \section{Indici statistici con il foglio}\label{sec:in-001-03-indici-statistici-con-il-foglio} \flashsec{IN-001-foglio-calcolo}{04} % ============================================================ I principali indici statistici (capitoli \ref{cap:PS-002} e \ref{cap:PS-003}) si calcolano con singole funzioni: \begin{nota}[Formule statistiche standard] Per un insieme di dati in \texttt{A2:A101}: \begin{itemize} \item \emph{Media aritmetica}: \verb|=MEDIA(A2:A101)|. \item \emph{Mediana}: \verb|=MEDIANA(A2:A101)|. \item \emph{Moda} (valore più frequente): \verb|=MODA(A2:A101)|. Su Calc/Excel moderni si scrive \verb|=MODA.SNGL(...)|. \item \emph{Range}: \verb|=MAX(A2:A101)-MIN(A2:A101)|. \item \emph{Varianza campionaria}: \verb|=VAR(A2:A101)| (o \verb|=VAR.C(...)|). \item \emph{Deviazione standard campionaria}: \verb|=DEV.ST(A2:A101)| (o \verb|=DEV.ST.C(...)|). \item \emph{Attenzione}: \verb|VAR| e \verb|DEV.ST| dividono per $n-1$ (formule \emph{campionarie}), mentre la varianza e lo scarto quadratico medio definiti nel capitolo \ref{cap:PS-003} dividono per $n$. Per ritrovare esattamente i valori del capitolo \ref{cap:PS-003} si usano \verb|=VAR.P(A2:A101)| e \verb|=DEV.ST.P(A2:A101)| (nelle versioni meno recenti \verb|VAR.POP| e \verb|DEV.ST.POP|). Con molti dati la differenza è piccola, con pochi dati si vede. \item \emph{Quartili}: \verb|=QUARTILE(A2:A101; 1)| per $Q_1$, \verb|=QUARTILE(...; 3)| per $Q_3$. \item \emph{Conteggio condizionato}: \verb|=CONTA.SE(A2:A101; ">=18")|. \end{itemize} \end{nota} \begin{esempio}[Riassunto descrittivo] Dalla colonna \texttt{A2:A26} dei voti dell'esempio precedente, si può ricavare in due secondi: \begin{itemize} \item Media: \verb|=MEDIA(A2:A26)| $\to$ es.\ $6{,}68$. \item Mediana: \verb|=MEDIANA(A2:A26)| $\to$ es.\ $7$. \item Massimo: \verb|=MAX(A2:A26)| $\to$ es.\ $10$. \item Minimo: \verb|=MIN(A2:A26)| $\to$ es.\ $4$. \item Dev.\ standard: \verb|=DEV.ST(A2:A26)| $\to$ es.\ $1{,}21$. \end{itemize} \end{esempio} % ============================================================ \section{Grafici statistici}\label{sec:in-001-04-grafici-statistici} \flashsec{IN-001-foglio-calcolo}{05} % ============================================================ Un foglio di calcolo permette di costruire \emph{grafici statistici} a partire dalle tabelle, in pochi click. I tipi più usati nel biennio: \begin{nota}[Tipi di grafico] \begin{itemize} \item \emph{Istogramma} (bar chart, colonne): per distribuzioni di frequenza di dati discreti o classi. \item \emph{Diagramma a torta} (pie chart): per frequenze relative, quando si vuole mostrare quanto pesa ciascuna categoria sul totale. \item \emph{Grafico a linea}: per evoluzioni nel tempo. \item \emph{Grafico a dispersione} (scatter plot): per coppie $(x, y)$, ad esempio per vedere se due variabili sono correlate. \end{itemize} La scelta del grafico giusto dipende dal tipo di dato e dal messaggio che si vuole comunicare. \end{nota} \begin{procedura}[Creare un grafico] \hfill \begin{enumerate} \item Selezionare le celle dei valori (e dei loro nomi). \item Menu \emph{Inserisci} $\to$ \emph{Grafico}. \item Scegliere il tipo (istogramma, torta, $\ldots$) e personalizzare assi, legende, titoli. \end{enumerate} \end{procedura} \begin{figure}[H] \centering \begin{tikzpicture}[scale=0.85] % Istogramma dei voti dall'esempio \draw[->, black] (-0.3, 0) -- (8, 0) node[right] {voto}; \draw[->, black] (0, -0.3) -- (0, 7) node[above] {frequenza}; \foreach \v/\f/\x in {4/1/1, 5/3/2, 6/6/3, 7/7/4, 8/5/5, 9/2/6, 10/1/7} { \draw[thick, BLU, fill=BLU!30] ({\x-0.4}, 0) rectangle ({\x+0.4}, \f); \node[BLU] at (\x, {\f+0.3}) {\scriptsize\f}; \node[below] at (\x, -0.1) {\scriptsize\v}; } \foreach \y in {1,2,3,4,5,6,7} { \draw[black] (-0.08, \y) -- (0.08, \y); \node[black, left] at (-0.1, \y) {\scriptsize\y}; } \end{tikzpicture} \caption{Istogramma di una distribuzione di frequenze: i $25$ voti della classe dell'esempio (frequenze assolute $1, 3, 6, 7, 5, 2, 1$ per i voti da $4$ a $10$). L'altezza di ogni barra è la frequenza del corrispondente voto. La media e la mediana si possono ``vedere'' dall'altezza: la maggioranza dei voti è tra $6$ e $8$.} \label{fig:in-001-istogramma} \end{figure} % ============================================================ \section{Esempi svolti}\label{sec:in-001-06-esempi-svolti} % ============================================================ \begin{esempio}[Tabella di una funzione] Tabulare la funzione $y = x^2 - 2x$ per $x$ che va da $-3$ a $5$ con passo $1$. \textit{Foglio.} \begin{itemize} \item In \texttt{A1} l'intestazione ``x''; in \texttt{B1} l'intestazione ``y''. \item In \texttt{A2} scrivere $-3$. \item In \texttt{A3} scrivere \verb|=A2+1| (passo $1$); trascinare giù fino ad \texttt{A10} (così $x$ va da $-3$ a $5$). \item In \texttt{B2} scrivere \verb|=A2^2-2*A2|; trascinare giù fino a \texttt{B10}. \end{itemize} Risultati attesi: $-3\to 15$, $-2\to 8$, $-1\to 3$, $0\to 0$, $1\to -1$, $2\to 0$, $3\to 3$, $4\to 8$, $5\to 15$. (Verifica: vertice in $x=1$, dove $y=-1$. La parabola è simmetrica rispetto a $x=1$.) \end{esempio} \begin{esempio}[Trovare il vertice di una parabola] Estendere l'esempio precedente per trovare il vertice. \emph{Soluzione}: aggiungere in \texttt{D1} l'intestazione ``vertice y''; in \texttt{D2} la formula \verb|=MIN(B2:B10)| $\to$ $-1$. (Se la parabola fosse concava verso il basso si userebbe \verb|=MAX(...)|.) Per il valore di $x$ del vertice: \verb|=INDICE(A2:A10; CONFRONTA(D2; B2:B10; 0))| (cerca la posizione del valore minimo e restituisce la $x$ corrispondente). Risultato: $x=1$. \end{esempio} \begin{esempio}[Distribuzione di frequenza] Date le altezze (in cm) di $\num{20}$ alunni: $158, 162, 170, 165, 168, 172, 159, 175, 160, 167, 169, 163, 171, 166, 164, 168, 173, 162, 165, 170$, raggruppare in classi di ampiezza $5$ cm: $[155, 160)$, $[160, 165)$, $[165, 170)$, $[170, 175]$. \textit{Foglio.} \begin{itemize} \item Dati in \texttt{A2:A21}. \item Limiti inferiori delle classi in \texttt{C2:C5}: $155, 160, 165, 170$. \item Limiti superiori in \texttt{D2:D5}: $160, 165, 170, 176$ (per includere $175$). \item Frequenze in \texttt{E2}: \verb|=CONTA.PIÙ.SE($A$2:$A$21; ">="&C2; $A$2:$A$21; "<"&D2)|. \end{itemize} Distribuzione attesa: $[155,160)\to 2$; $[160,165)\to 5$; $[165,170)\to 7$; $[170,175]\to 6$. \end{esempio} \begin{esempio}[Indici di sintesi] Con i dati delle altezze, calcolare media, mediana, deviazione standard, e contare quanti alunni sono più alti della media. \textit{Foglio.} \begin{itemize} \item \verb|=MEDIA(A2:A21)| $\to$ es.\ $166{,}85$ cm. \item \verb|=MEDIANA(A2:A21)| $\to$ es.\ $166{,}5$ cm. \item \verb|=DEV.ST(A2:A21)| $\to$ es.\ $4{,}71$ cm. \item \verb|=CONTA.SE(A2:A21; ">"&MEDIA(A2:A21))| $\to$ es.\ $11$. \end{itemize} \end{esempio} \begin{esempio}[Simulazione di lanci] Simulare $\num{100}$ lanci di un dado a sei facce. \emph{Foglio}: in \texttt{A2} scrivere \verb|=INT(CASUALE()*6)+1| che produce un numero casuale tra $1$ e $6$. Trascinare la formula fino a \texttt{A101}. Poi: \begin{itemize} \item Frequenza di ogni faccia: \verb|=CONTA.SE($A$2:$A$101; C2)| con $C2$ contenente il valore $1, 2, \ldots, 6$ (trascinato). \item Frequenza relativa: dividere per $100$. \end{itemize} Atteso (\emph{a lungo termine}): ogni faccia con frequenza relativa $\approx 1/6 \approx 0{,}167$. Su $100$ lanci la differenza dal valore atteso può essere visibile: è uno dei concetti chiave del calcolo delle probabilità (capitolo \ref{cap:PS-006}). \end{esempio} % ============================================================ \section{Esercizi proposti}\label{sec:in-001-07-esercizi-proposti} % ============================================================ \begin{eserciziobox} \begin{enumerate} \item Apri un foglio di calcolo. Crea una tabella di valori per la funzione $y = 2x+3$ per $x = 0, 1, 2, \ldots, 10$. Verifica trascinando le formule. \item Tabula la funzione $y = x^3$ per $x = -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3$ e fai il grafico a dispersione. Confronta con il grafico della parabola $y = x^2$ ottenuto nello stesso modo. \item Stampa la tabella delle potenze: in colonna \texttt{A} i numeri da $1$ a $10$; in colonna \texttt{B} i quadrati ($x^2$); in colonna \texttt{C} i cubi ($x^3$); in colonna \texttt{D} le radici quadrate. \item Genera $\num{50}$ numeri casuali tra $0$ e $1$ con la formula \verb|=CASUALE()|. Calcola media, mediana, deviazione standard, e fanne un istogramma raggruppando in classi di ampiezza $0{,}1$. \item Una classe di $\num{30}$ alunni ha preso al compito i voti: $5, 7, 6, 4, 8, 7, 6, 5, 9, 6, 7, 8, 5, 6, 7, 7, 8, 6, 5, 9, 10, 7, 6, 5, 7, 8, 6, 7, 8, 7$.\quad (a) Costruisci la distribuzione di frequenze;\quad (b) Calcola media, mediana, moda, varianza, deviazione standard;\quad (c) Costruisci l'istogramma e il diagramma a torta. \item Un'azienda registra le vendite mensili (in migliaia di euro) per $12$ mesi: $42, 48, 55, 50, 47, 52, 60, 58, 53, 49, 51, 56$.\quad (a) Calcola il totale annuale, la media mensile, il mese di vendita massima e minima;\quad (b) Calcola la percentuale di ogni mese sul totale (con riferimento assoluto). \item Tabula la funzione $y = \sqrt{x}$ per $x = 0, 0{,}5, 1, 1{,}5, 2, \ldots, 10$ (passo $0{,}5$). \item Calcola interesse semplice e composto per $\num{1000}$\,€ al $4\%$ per $1, 2, \ldots, 10$ anni e confronta i risultati. (Suggerimento: per il composto usa \verb|=1000*(1+0,04)^A2| con $A2$ il numero di anni.) \item (Discussione.) Apri un dataset reale (per esempio uno scaricato da \href{https://dati.istat.it}{dati.istat.it}) e prova a calcolare alcuni indici statistici. Quale aspetto del dataset risulta più sorprendente? \end{enumerate} \end{eserciziobox} % ============================================================ \section{Riepilogo del capitolo}\label{sec:in-001-08-riepilogo-del-capitolo} % ============================================================ \begin{riepilogo} \begin{itemize} \item Un \emph{foglio di calcolo} è una griglia di \emph{celle}, ciascuna identificata da colonna (lettera) e riga (numero), come \texttt{A1}, \texttt{B5}. \item Una \emph{formula} inizia con \verb|=| e produce un risultato calcolato. Gli operatori sono \verb|+|, \verb|-|, \verb|*|, \verb|/|, \verb|^|, e si usano parentesi tonde per l'ordine. \item \emph{Riferimenti relativi} (\texttt{A1}) si adattano quando la formula viene copiata; \emph{riferimenti assoluti} (\verb|$A$1|) restano fissi. Misti: \verb|$A1|, \verb|A$1|. \item \emph{Funzioni base}: \verb|SOMMA|, \verb|MEDIA|, \verb|MEDIANA|, \verb|MIN|, \verb|MAX|, \verb|VAR|, \verb|DEV.ST|, \verb|CONTA|, \verb|CONTA.SE|, \verb|MODA|, \verb|QUARTILE|. \item \emph{Distribuzioni di frequenza}: si elencano i valori distinti, si conta ognuno con \verb|CONTA.SE| (o \verb|CONTA.PIÙ.SE| per le classi). \item \emph{Indici statistici} calcolabili con singole funzioni: media, mediana, moda, range, varianza, deviazione standard, quartili (capitoli \ref{cap:PS-002} e \ref{cap:PS-003}). \item \emph{Grafici}: istogramma (frequenze), torta (frequenze relative), linea (evoluzione), dispersione ($x$, $y$ correlazioni). \item Applicazioni: tabulare funzioni, costruire distribuzioni, calcolare indici descrittivi, simulare esperimenti casuali, esplorare dati reali. \end{itemize} \end{riepilogo}