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优思学院 - 箱线图怎么画?从四分位数到异常值,一次看懂

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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。

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