箱线图(Boxplot)是一种非常常见的数据分析图表。
在质量管理、六西格玛和统计分析中,我们经常需要回答几个问题:
一组数据主要集中在哪里?
波动大不大?
数据有没有明显偏斜?
有没有异常值?
不同机器、不同供应商、不同班次之间,数据分布是否存在差异?
箱线图的优势就在于,它可以把一整组数据压缩成一个非常简洁的图形,让我们快速看出数据的中心位置、离散程度和异常情况。
不过,要真正看懂箱线图,就必须先理解它背后的几个数字。
![]()
一、箱线图主要由什么组成?
传统箱线图的核心,来自几个关键位置:
最小端
第一四分位数 Q1
第二四分位数 Q2,也就是中位数
第三四分位数 Q3
最大端
其中最重要的是 Q1、Q2 和 Q3。
Q1 可以理解为第 25 百分位附近的位置。
Q2 是第 50 百分位,也就是中位数。
Q3 是第 75 百分位附近的位置。
在图形上,Q1 到 Q3 之间会画成一个长方形,这就是「箱子」。
Q2 会在箱子内部画一条线。
因此,箱子大致代表数据中间 50% 的范围。
箱子越短,说明中间一半的数据越集中。
箱子越长,说明数据波动越大。
而箱子两端延伸出去的线,就是所谓的「须」。
二、画箱线图的第一步:先把数据排序
不论有多少个数据,第一步永远都是:
把数据从小到大排列。
例如:
62、65、69、70、74、78、81、83、87、89、93
这组数据本身已经排好。
接下来,我们就可以找 Q1、Q2 和 Q3。
不过,在这里必须特别注意:
数据个数是奇数和偶数时,计算方法会稍有不同。
三、数据个数是奇数时,Q1、Q2、Q3 怎么算?
假设有 11 个数据:
62、65、69、70、74、78、81、83、87、89、93
因为一共有 11 个数据,所以中间正好有一个数。
第 6 个数据是:
78
所以:
Q2 = 78
接下来,把中位数 78 暂时排除,再把剩余的数据分成上下两半。
较小的一半是:
62、65、69、70、74
较大的一半是:
81、83、87、89、93
下半组一共有 5 个数据,中间那个数是 69。
所以:
Q1 = 69
上半组也是 5 个数据,中间那个数是 87。
所以:
Q3 = 87
最终得到:
Q1 = 69
Q2 = 78
Q3 = 87
这里采用的是一种很适合手工计算和课堂教学的方法:
当总数据数量是奇数时,先找整体中位数,再把中位数排除,然后分别求上下两半数据的中位数。
四、数据个数是偶数时,中位数怎么算?
如果数据个数是偶数,最中间就不会只有一个数字。
这时候,中位数要取中间两个数据的平均值。
例如有 10 个数据:
62、65、69、70、74、78、81、83、87、89
一共有 10 个数据。
最中间的是第 5 个和第 6 个数据:
74 和 78
所以:
Q2 =(74 + 78)÷ 2
Q2 = 76
这里有一个很重要的概念。
中位数不一定是原始数据里面实际出现过的数字。
虽然这组数据里面并没有 76,但是 76 仍然可以作为中位数。
因为中位数的作用是把数据分成数量大致相等的上下两部分,而不是要求它一定来自原始观测值。
五、偶数个数据时,Q1 和 Q3 怎么算?
继续使用刚才 10 个数据的例子:
62、65、69、70、74、78、81、83、87、89
总共有 10 个数据,所以可以直接平均分成上下两组。
下半组:
62、65、69、70、74
上半组:
78、81、83、87、89
下半组一共有 5 个数据,其中位数就是中间那个:
69
所以:
Q1 = 69
上半组也是 5 个数据,其中位数是:
83
所以:
Q3 = 83
最终得到:
Q1 = 69
Q2 = 76
Q3 = 83
六、如果上下半组自己也是偶数怎么办?
这才是很多学生最容易混淆的地方。
假设现在有 12 个数据:
62、65、69、70、74、78、81、83、87、89、93、97
总数据数量是 12。
先计算 Q2。
中间两个数据是第 6 个和第 7 个:
78 和 81
所以:
Q2 =(78 + 81)÷ 2
Q2 = 79.5
接下来,把 12 个数据分成上下两半。
下半组:
62、65、69、70、74、78
上半组:
81、83、87、89、93、97
这时候,每一半都有 6 个数据。
也就是说,上下半组本身也是偶数。
所以,Q1 不能只选其中一个数字,而要取下半组中间两个数字的平均值。
下半组:
62、65、69、70、74、78
中间两个数字是:
69 和 70
所以:
Q1 =(69 + 70)÷ 2
Q1 = 69.5
再来看上半组:
81、83、87、89、93、97
中间两个数字是:
87 和 89
所以:
Q3 =(87 + 89)÷ 2
Q3 = 88
最终得到:
Q1 = 69.5
Q2 = 79.5
Q3 = 88
这个例子其实揭示了一个很简单的原则。
在这种手工计算方法下:
Q1 就是下半组的中位数。
Q2 就是全部数据的中位数。
Q3 就是上半组的中位数。
而计算「中位数」时,只需要记住一个规则。
如果数据数量是奇数,就直接取最中间的那个数。
如果数据数量是偶数,就取中间两个数的平均值。
无论是在计算 Q1、Q2 还是 Q3,逻辑都是一样的。
七、可以这样快速记忆
例如 5 个数据:
1、2、3、4、5
中位数就是:
3
如果是 6 个数据:
1、2、3、4、5、6
中间两个是:
3 和 4
所以中位数为:
(3 + 4)÷ 2 = 3.5
因此,在学习箱线图时,不需要把 Q1、Q2、Q3 看成三套不同算法。
可以简单理解成:
Q2 = 全部数据的中位数
Q1 = 下半组数据的中位数
Q3 = 上半组数据的中位数
这样会容易得多。
八、有了 Q1、Q2、Q3,接下来计算 IQR
找到三个四分位数以后,下一步是计算 IQR。
IQR 的英文全称是:
Interquartile Range
中文叫「四分位距」。
公式是:
IQR = Q3 − Q1
例如在前面 11 个数据的例子中:
Q1 = 69
Q3 = 87
所以:
IQR = 87 − 69
IQR = 18
IQR 代表中间 50% 数据所跨越的范围。
它也是箱线图判断异常值的关键指标。
九、为什么还要计算 1.5 × IQR?
常见的箱线图,并不是简单地把「须」拉到最小值和最大值。
它通常会先判断哪些数据可能属于异常值。
计算方法是:
下界 = Q1 − 1.5 × IQR
上界 = Q3 + 1.5 × IQR
继续使用刚才的例子。
Q1 = 69
Q3 = 87
IQR = 18
因此:
下界 = 69 − 1.5 × 18
下界 = 42
上界 = 87 + 1.5 × 18
上界 = 114
也就是说:
低于 42 或高于 114 的数据,会被视为潜在异常值。
十、箱线图的「须」到底画到哪里?
这是一个很常见的误区。
很多人认为:
下须一定等于最小值,上须一定等于最大值。
实际上,在常见的 Tukey 箱线图画法中:
下须延伸到仍然位于下界之上的最小实际观测值。
上须延伸到仍然位于上界之下的最大实际观测值。
如果所有数据都没有超过异常值界限,那么下须刚好就是最小值,上须就是最大值。
如果某一个数据超出了界限,就不能再直接把须画到那个数据。
十一、举一个有异常值的例子
假设数据变成:
62、65、69、70、74、78、81、83、87、89、150
其中最后一个数据是 150。
假设经过计算:
Q1 = 69
Q3 = 87
所以:
IQR = 18
上界为:
87 + 1.5 × 18 = 114
但是:
150 > 114
所以 150 超出了上界。
它会被标记为潜在异常值。
这时候,上须不会直接画到 150。
而是画到仍然位于 114 以内的最大实际数据。
150 则会在箱线图外面单独画成一个点。
十二、箱线图应该怎样一步一步画出来?
假设我们已经算出:
下须 = 62
Q1 = 69
Q2 = 78
Q3 = 87
上须 = 93
绘图时,可以先画一条数据刻度轴。
接着,在 Q1 到 Q3 之间画一个长方形。
也就是从 69 到 87 形成一个箱子。
在 78 的位置画一条线,代表中位数 Q2。
从 Q1 的位置向较小方向延伸一条线到 62。
从 Q3 的位置向较大方向延伸一条线到 93。
在线的末端通常会再画一条短横线。
这两条延伸出去的线,就是箱线图的「须」。
如果存在超过 1.5 × IQR 界限的数据,则把这些数据单独画成圆点、星号或其他符号。
这样,一张完整的箱线图就完成了。
十三、为什么有时候不同软件算出的 Q1 和 Q3 不一样?
这是学习箱线图时非常重要的一点。
很多学生会发现:
同一组数据,在手工计算、Excel、Minitab、Python、R 或不同教材中,Q1 和 Q3 有时候并不完全一样。
这并不一定是谁算错了。
原因是:
四分位数并没有只有一种计算方法。
不同统计方法对于「第 25 百分位到底位于哪里」可能有不同定义。
有些方法采用上下半组中位数法。
有些方法通过位置公式计算。
有些软件会使用线性插值。
有些算法还会对总体中位数是否纳入上下半组作不同处理。
因此,在小样本情况下,不同算法的 Q1 和 Q3 可能出现轻微差异。
对于实际分析而言,真正重要的是:
同一个项目中保持计算方法一致。
十四、箱线图到底怎么看?
学会画箱线图只是第一步。
更重要的是会解释。
看中心位置
箱子中间那条线就是中位数。
中位数越高,代表这一组数据整体位置越高。
看波动
Q1 到 Q3 之间的距离就是 IQR。
箱子越长,说明中间 50% 数据分布越散。
箱子越短,说明数据越集中。
看偏斜
如果中位数非常接近箱子的某一边,或者某一边的须明显比另一边长,数据可能存在偏态。
看异常值
如果箱线图外面出现孤立的数据点,就要注意这些数据可能属于潜在异常值。
在六西格玛项目中,这些数据往往值得进一步调查。
十五、箱线图最适合比较不同组的数据
箱线图很适合放在一起比较多个组别。
例如比较:
不同机器的产品尺寸
不同供应商的来料质量
不同生产线的周期时间
不同班次的缺陷率
改善前与改善后的数据
不同地区的客户等待时间
这时候,我们不只看平均值。
还可以同时比较中位数、波动、异常值和分布形态。
十六、箱线图不能告诉我们的事情
箱线图虽然非常实用,但它并不是万能的。
例如,它不能单独证明一组数据符合正态分布。
箱线图可以帮助我们观察:
中心位置
数据波动
偏态迹象
异常值
但是如果要正式判断数据是否近似正态分布,通常还需要结合直方图、概率图或正态性检验。
因此,在六西格玛中,箱线图更适合作为探索性数据分析工具。
十七、手工绘制箱线图,可以记住这套流程
如果以后需要自己手动画箱线图,可以按照下面的逻辑:
先把数据从小到大排列。
找到全部数据的中位数 Q2。
再把数据分成上下两半。
下半组的中位数就是 Q1。
上半组的中位数就是 Q3。
如果某一组有偶数个数据,就取中间两个数字的平均值。
接着计算:
IQR = Q3 − Q1
再计算:
下界 = Q1 − 1.5 × IQR
上界 = Q3 + 1.5 × IQR
超过上下界的数据,标记为潜在异常值。
箱子画在 Q1 到 Q3 之间。
中位数 Q2 画在箱子内部。
两边的须,则延伸到仍然位于异常值界限以内的最远实际观测值。
理解了这套逻辑,箱线图就不再只是一张由统计软件自动生成的图。
它其实是一种非常直观的数据语言。
一长串原本不容易看懂的数据,被压缩成一个箱子、两条须、一条中位数线,以及几个可能的异常点。
对于质量管理和六西格玛来说,箱线图真正的价值就在这里:
让差异、波动和异常更容易被看见。
特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.