1 Objetivo

Identificar, describir e interpretar medidas de variabilidad en un conjunto de datos.

2 Descripción

El caso se relaciona con identificar medidas de variabilidad como la varianza, la desviación estándar y el coeficiente de variación.

Primero se utilizan datos del libro del autor (Anderson, Sweeney, and Williams 2008a) como ejemplo para calcular la varianza, y a partir de ahí, se determina la desviación y finalmente el coeficiente de variación.

Segundo con datos de alumnos se calculan las mismas medias de dispersión, luego, se selecciona tres carreras y se determina cuál de los tres conjuntos de datos tiene mayor o menor dispersión conforme al valor % del coeficiente de variación.

3 Marco de referencia

¿Para que sirven las medidas de dispersión?

El reporte de una medida de centralización como la media, mediana y moda sólo da información parcial sobre un conjunto o distribución de datos. Diferentes muestras o poblaciones pueden tener medidas idénticas de centro y aun así diferir una de otra en otras importantes maneras. (Devore 2016a)

La imagen siguiente muestra tres conjuntos de datos y los tres tienen media y mediana igual, sin embargo la dispersión es diferentes, es decir cual conjunto de datos se aleja mas de la media.

La primera tiene la cantidad más grande de variabilidad, la tercera tiene la cantidad más pequeña y la segunda es intermedia respecto a las otras dos en este aspecto. (Devore 2016a).

3.1 Varianza

La varianza es una medida de variabilidad que utiliza todos los datos. La varianza está basada en la diferencia entre el valor de cada observación (xixi) y la media x¯x¯ .(Anderson, Sweeney, and Williams 2008a).

3.1.1 Fórmulas

Se identifican las fórmulas para varianza poblacional y muestral, dependiendo de los datos a analizar, si es todas las observaciones de la población y solo una muestra de la misma.

Para efectos de este ejercicio se utiliza mas específicamente la varianza y desviación muestral.

3.1.1.1 Fórmula de varianza poblacional

\[ \sigma^2 = \frac{\sum_{i=1}^N(x_i- \mu)^2}{N} \]

siendo μμ la media poblacional y NN el total de los datos de la población.

3.1.1.2 Fórmula de varianza muestral

$$ S^2 =

$$

siendo x¯x¯ la media muestral y nn el total de los datos de la muestra.

Las unidades al cuadrado de la varianza dificultan la comprensión e interpretación intuitiva de los valores numéricos de la varianza.

3.2 Desviación estándar

La desviación estándar se define como la raíz cuadrada positiva de la varianza.

Continuando con la notación adoptada para la varianza muestral y para la varianza poblacional, se emplea ςς para denotar la desviación estándar muestral y σσ para denotar la desviación estándar poblacional.

¿Qué se gana con convertir la varianza en la correspondiente desviación estándar?.

Como la desviación estándar es la raíz cuadrada de la varianza, las unidades de la varianza, son al cuadrado, posiblemente dificulta su interpretación, por tanto, la desviación estándar de se interpreta de mejor manera la variabilidad de los datos porque el valor resultante se mide en las mismas unidades que los datos originales. (Anderson, Sweeney, and Williams 2008a).

Una interpretación preliminar de la desviación estándar muestral es que es el tamaño de una desviación típica o representativa de la media muestral dentro de la muestra dada.(Devore 2016b)

3.2.1 Fórmula de desviación estándar poblacional

\[ \sigma = \sqrt{\sigma^2} \]

3.2.2 Fórmula de desviación estándar muestral

\[ S = \sqrt{S^2} \]

3.3 Coeficiente de variación (CV)

En algunas ocasiones se requiere un estadístico descriptivo que indique cuán grande es la desviación estándar en relación con la media. Existe el coeficiente de variación y resuelve ese propósito.

La fórmula del coeficiente de variación indica el grado de dispersión de un conjunto de datos con respecto a la media.

\[ CV = \left(\frac{\sigma}{\bar{x}} \times 100 \right) \text{%} \]

4 Desarrollo

4.1 Cargar librerías

Cargas las librerías necesarias para los ejercisio de todo el caso.

library(readr)
library(ggplot2)
## Warning: package 'ggplot2' was built under R version 4.0.4

El desarrollo del caso inicia con un ejercicio obtenido del libro de (Anderson, Sweeney, and Williams 2008a). El segundo ejercicio serán los datos de alumnos con la variable Promedio ya conocidos en casos anteriores.

4.2 Los datos de sueldos

Son datos de sueldos en dólares de trabajadores de una empresa.

datos <- c(2110,2120, 2130, 2140, 2150, 2160, 2170, 2180, 2190, 2200, 2210, 2220)

datos <- data.frame(xi=datos)

4.2.1 Varianza matemáticamente

Primero se creó un vector llamado datos, luego ese mismo vector se transformó en data.frame con el mismo nombre de datos.

En las siguientes lineas de código R, se utiliza una función llamada cbind() para agregar columnas al data.frame existente llamado datos. La función nrow() sirve para identificar cuántas observaciones tiene la muestra de los datos, es decir, el valor de nn =12.

Al final debe haber un conjunto de datos con cinco columnas, “xi, media, diferencia, alcuadrado.”

Se determina la sumatoria de las diferencias al cuadrado conforme a la fórmula y con ello el valor de la varianza. Se genra tambien la variable media para utilizarse a lo largo del caso.

n <- nrow(datos)

summary(datos)
##        xi      
##  Min.   :2110  
##  1st Qu.:2138  
##  Median :2165  
##  Mean   :2165  
##  3rd Qu.:2192  
##  Max.   :2220
datos <- cbind(datos, media = mean(datos$xi))
datos <- cbind(datos, diferencia=datos$xi - datos$media)
datos <- cbind(datos, alcuadrado = datos$diferencia^2)


media <- mean(datos$xi)


datos
##      xi media diferencia alcuadrado
## 1  2110  2165        -55       3025
## 2  2120  2165        -45       2025
## 3  2130  2165        -35       1225
## 4  2140  2165        -25        625
## 5  2150  2165        -15        225
## 6  2160  2165         -5         25
## 7  2170  2165          5         25
## 8  2180  2165         15        225
## 9  2190  2165         25        625
## 10 2200  2165         35       1225
## 11 2210  2165         45       2025
## 12 2220  2165         55       3025
sumatoria <- sum(datos$alcuadrado)
sumatoria
## [1] 14300
varianza <- sumatoria / (n-1)
varianza
## [1] 1300

4.2.2 Desviación matemáticamente

desviacion <- sqrt(varianza)
desviacion
## [1] 36.05551

4.2.3 Coeficiente de variación matemáticamente

CV <- desviacion / media * 100
CV
## [1] 1.665382

El Coeficiente de Variación indica que la desviación estándar muestral es sólo 4.6794627 % del valor de la media muestral. Entre más bajo sea el valor porcentual del CV menor dispersión se encuentran en los datos. En general, el coeficiente de variación es un estadístico útil para comparar la variabilidad de variables que tienen desviaciones estándar distintas y medias distintas. (Anderson, Sweeney, and Williams 2008b).

4.2.4 Funciones en R para medidas de dispersión

Existen funciones en R que sirven para determinar varianza, desviación de manera directa, con ellas se podrá determinar de igual forma el coeficiente de variación. Las funciones son var() y sd() respectivamente para varianza y desviación estándar.

var(datos$xi)
## [1] 1300
#[1] 27440.91

sd(datos$xi)
## [1] 36.05551
#[1] 165.653

CV <- sd(datos$xi) / mean(datos$xi) * 100
CV
## [1] 1.665382

4.2.5 Dispersión de sueldos

Se muestra la dispersión del sueldo de cada trabajador y la linea horizontal indicando la media.

titulo <- "Sueldos"
subtitulo <- paste("Media =", round(media,2)," Varianza=",round(varianza,2)," Desv. Std.=",round(desviacion,2), " CV =", round(CV, 2),"%") 
ggplot(data = datos, mapping = aes(x = 1:n,  y = xi)) + 
  geom_point(colour = "green") +
  geom_hline(yintercept = media, colour = "red") +
  ggtitle(titulo, subtitle = subtitulo) +
  xlab('Observaciones') + ylab('Sueldos')

4.3 Datos de alumnos

Se presenta un ejercicio de medidas de dispersión con datos de alumnos

4.3.1 Cargar los datos

Se descargan datos de la dirección url “Datos de alumno con promedio superior a cero” de github,; los datos ya vienen con la variable Promedio de todas las observaciones superior a cero. En los casos 5 y 4 se tuvo la necesidad de limpiar observaciones, en este caso 6 ya no es necesario hacer dicha tarea de limpieza de registros.

Nuevamente se utiliza la función readr() para descargar un archivo texto (CSV) separado por comas; en esta misma función se utiliza el argumento stringsAsFactors = TRUE que significa que desde la carga de los datos y desde un inicio se considere como categóricas o tipo factor a las variable que vienen como tipo string o character del conjunto de datos que se carga.

Se utiliza la función str() para conocer el tipo de estructura de los datos, además, despliega los tipos de datos de cada variable, las que son numéricas, factor, entre otros, y la cantidad de registros del conjunto de datos cargado a R.

Nuevamente la función summary() muestra sólo las columnas 2,4,8 y 9 únicamente, summary(datos[c(2,4,8,9)]).

datos <- read.csv("https://raw.githubusercontent.com/rpizarrog/probabilidad-y-estad-stica/master/datos/promedios%20alumnos/datos.alumnosEJ2021.csv", stringsAsFactors = TRUE)

#datos$Carrera <- factor(datos$Carrera)

summary(datos[c(2,4,8,9)])
##        X            Alumno         Promedio                Carrera    
##  Min.   :   1   Min.   :  1.0   Min.   : 70.00   INDUSTRIAL    : 653  
##  1st Qu.:1384   1st Qu.:106.0   1st Qu.: 83.25   ARQUITECTURA  : 633  
##  Median :2768   Median :239.0   Median : 86.36   CIVIL         : 594  
##  Mean   :2768   Mean   :262.2   Mean   : 86.60   GESTION       : 518  
##  3rd Qu.:4152   3rd Qu.:388.0   3rd Qu.: 89.83   QUIMICA       : 515  
##  Max.   :5535   Max.   :755.0   Max.   :100.00   ADMINISTRACION: 458  
##                                                  (Other)       :2164
str(datos)
## 'data.frame':    5535 obs. of  9 variables:
##  $ X.1         : int  1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ...
##  $ X           : int  1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ...
##  $ NoControl   : int  1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ...
##  $ Alumno      : int  1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ...
##  $ Semestre    : int  12 13 10 13 10 10 13 11 11 10 ...
##  $ Cr.Aprobados: int  207 226 235 231 235 235 231 197 235 231 ...
##  $ Cr.Cursando : int  19 9 10 14 10 10 4 23 10 4 ...
##  $ Promedio    : num  79.8 82.5 95.2 79.3 92.7 ...
##  $ Carrera     : Factor w/ 14 levels "ADMINISTRACION",..: 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 ...

4.3.2 Primeros y últimos cincuenta registros

Los primeros cincuenta registros

head(datos[,c(2,8,9)], 50)
##     X Promedio  Carrera
## 1   1    79.84 SISTEMAS
## 2   2    82.55 SISTEMAS
## 3   3    95.16 SISTEMAS
## 4   4    79.32 SISTEMAS
## 5   5    92.67 SISTEMAS
## 6   6    91.25 SISTEMAS
## 7   7    82.46 SISTEMAS
## 8   8    83.72 SISTEMAS
## 9   9    85.37 SISTEMAS
## 10 10    85.12 SISTEMAS
## 11 11    78.22 SISTEMAS
## 12 12    91.25 SISTEMAS
## 13 13    84.59 SISTEMAS
## 14 14    89.16 SISTEMAS
## 15 15    82.51 SISTEMAS
## 16 16    81.58 SISTEMAS
## 17 17    82.63 SISTEMAS
## 18 18    87.18 SISTEMAS
## 19 19    89.55 SISTEMAS
## 20 20    86.27 SISTEMAS
## 21 21    84.02 SISTEMAS
## 22 22    82.23 SISTEMAS
## 23 23    83.37 SISTEMAS
## 24 24    92.67 SISTEMAS
## 25 25    82.75 SISTEMAS
## 26 26    95.94 SISTEMAS
## 27 27    91.27 SISTEMAS
## 28 28    89.33 SISTEMAS
## 29 29    86.02 SISTEMAS
## 30 30    83.45 SISTEMAS
## 31 31    80.81 SISTEMAS
## 32 32    78.33 SISTEMAS
## 33 33    89.35 SISTEMAS
## 34 34    83.76 SISTEMAS
## 35 35    80.42 SISTEMAS
## 36 36    94.43 SISTEMAS
## 37 37    83.29 SISTEMAS
## 38 38    87.72 SISTEMAS
## 39 39    85.25 SISTEMAS
## 40 40    93.16 SISTEMAS
## 41 41    81.88 SISTEMAS
## 42 42    80.86 SISTEMAS
## 43 43    82.24 SISTEMAS
## 44 44    87.78 SISTEMAS
## 45 45    81.60 SISTEMAS
## 46 46    84.83 SISTEMAS
## 47 47    83.71 SISTEMAS
## 48 48    90.44 SISTEMAS
## 49 49    90.79 SISTEMAS
## 50 50    89.08 SISTEMAS


Los últimos cincuenta registros

tail(datos[,c(2,8,9)], 50)
##         X Promedio      Carrera
## 5486 5486    87.70 ARQUITECTURA
## 5487 5487    81.96 ARQUITECTURA
## 5488 5488    85.45 ARQUITECTURA
## 5489 5489    93.75 ARQUITECTURA
## 5490 5490    82.33 ARQUITECTURA
## 5491 5491    82.80 ARQUITECTURA
## 5492 5492    76.71 ARQUITECTURA
## 5493 5493    87.05 ARQUITECTURA
## 5494 5494    87.50 ARQUITECTURA
## 5495 5495    83.70 ARQUITECTURA
## 5496 5496    93.50 ARQUITECTURA
## 5497 5497    91.67 ARQUITECTURA
## 5498 5498    89.67 ARQUITECTURA
## 5499 5499    89.83 ARQUITECTURA
## 5500 5500    87.03 ARQUITECTURA
## 5501 5501    87.25 ARQUITECTURA
## 5502 5502    77.91 ARQUITECTURA
## 5503 5503    88.38 ARQUITECTURA
## 5504 5504    89.00 ARQUITECTURA
## 5505 5505    86.17 ARQUITECTURA
## 5506 5506    86.40 ARQUITECTURA
## 5507 5507    91.50 ARQUITECTURA
## 5508 5508    84.33 ARQUITECTURA
## 5509 5509    91.75 ARQUITECTURA
## 5510 5510    86.72 ARQUITECTURA
## 5511 5511    89.13 ARQUITECTURA
## 5512 5512    87.00 ARQUITECTURA
## 5513 5513    86.21 ARQUITECTURA
## 5514 5514    87.80 ARQUITECTURA
## 5515 5515    88.83 ARQUITECTURA
## 5516 5516    75.00 ARQUITECTURA
## 5517 5517    84.00 ARQUITECTURA
## 5518 5518    84.50 ARQUITECTURA
## 5519 5519    85.55 ARQUITECTURA
## 5520 5520    87.77 ARQUITECTURA
## 5521 5521    86.11 ARQUITECTURA
## 5522 5522    91.50 ARQUITECTURA
## 5523 5523    84.36 ARQUITECTURA
## 5524 5524    86.81 ARQUITECTURA
## 5525 5525    87.80 ARQUITECTURA
## 5526 5526    84.67 ARQUITECTURA
## 5527 5527    81.27 ARQUITECTURA
## 5528 5528    92.00 ARQUITECTURA
## 5529 5529    87.59 ARQUITECTURA
## 5530 5530    81.16 ARQUITECTURA
## 5531 5531    84.43 ARQUITECTURA
## 5532 5532    92.47 ARQUITECTURA
## 5533 5533    89.74 ARQUITECTURA
## 5534 5534    87.75 ARQUITECTURA
## 5535 5535    86.50 ARQUITECTURA

4.3.3 La media

media <- mean(datos$Promedio)
media
## [1] 86.59522

4.3.4 La varianza

Se determina la varianza de la variable Promedio del conjunto de datos.

La variable Promedio es una variable cuantitativa que se que significa el promedio de alumnos inscritos en una Institución Educativa. Siendo variable cuantitativa se puede aplicar medidas de dispersión.

varianza <- var(datos$Promedio)
varianza
## [1] 20.72146

4.3.5 La desviación

Se determina la desviación estándar de la variable Promedio del conjunto de datos.

desviacion <- sd(datos$Promedio)
desviacion
## [1] 4.552083

4.3.6 El coeficiente de variación

CV <- desviacion / media * 100
CV
## [1] 5.256737

4.3.7 Dispersión de Promedio

Se visualiza el diagrama de dispersión de todos los alumnos de todas las carreras en su variable Promedio.

titulo <- "Todos los alumnos"
subtitulo <- paste("Media=", round(media,2), " Varianza=",round(varianza,2)," Desv. Std.=",round(desviacion,2), " CV =", round(CV, 2),"%") 
ggplot(data = datos, mapping = aes(x = X,  y = Promedio)) + 
  geom_point(colour = "blue") +
  geom_hline(yintercept = media, colour = "red") +
  ggtitle(titulo, subtitle = subtitulo) +
  xlab('Observaciones') + ylab('Promedios')

4.4 Tres carreras diferentes

Se eligen tres carreras diferentes, ARQUITECTURA, CIVIL, INDUSTRIAL

4.4.1 Datos Arquitectura

datos.arquitectura <- subset(datos, Carrera == 'ARQUITECTURA') 

head(datos.arquitectura)
##       X.1    X NoControl Alumno Semestre Cr.Aprobados Cr.Cursando Promedio
## 4903 4903 4903         1      1       10          227          10    91.96
## 4904 4904 4904         2      2        8          178          33    83.16
## 4905 4905 4905         3      3       10          176          34    81.68
## 4906 4906 4906         4      4       12          194          39    83.60
## 4907 4907 4907         5      5       10          172          18    81.51
## 4908 4908 4908         6      6       10          182          33    83.08
##           Carrera
## 4903 ARQUITECTURA
## 4904 ARQUITECTURA
## 4905 ARQUITECTURA
## 4906 ARQUITECTURA
## 4907 ARQUITECTURA
## 4908 ARQUITECTURA
media.arquitectura <- mean(datos.arquitectura$Promedio)
varianza.arquitectura <- var(datos.arquitectura$Promedio)
desviacion.arquitectura <- sd(datos.arquitectura$Promedio)
CV.arquitectura <- desviacion.arquitectura / media.arquitectura * 100

4.4.2 Dispersión

En a instrucción ggplot(data = datos.civil, mapping = aes(x = Alumno, y = Promedio)) se toma en el eje de las X el consecutivo de la variable Alumnos, que es desde 1 hasta el último alumno de cada carrera; y en el eje de las Y’s el Promedio.

titulo <- "Alumnos Arquitectura"
subtitulo <- paste("Media=", round(media.arquitectura,2), " Varianza=",round(varianza.arquitectura,2)," Desv. Std.=",round(desviacion.arquitectura,2), " CV =", round(CV.arquitectura, 2),"%") 
ggplot(data = datos.arquitectura, mapping = aes(x = Alumno,  y = Promedio)) + 
  geom_point(colour = "orange") +
  geom_hline(yintercept = media, colour = "red") +
  ggtitle(titulo, subtitle = subtitulo) +
  xlab('Observaciones') + ylab('Promedios')

4.4.3 Datos Civil

datos.civil <- subset(datos, Carrera == 'CIVIL') 

head(datos.civil)
##       X.1    X NoControl Alumno Semestre Cr.Aprobados Cr.Cursando Promedio
## 3909 3909 3909         1      1       11          166          20    76.74
## 3910 3910 3910         2      2       10          178          20    79.76
## 3911 3911 3911         3      3       11          165          17    79.43
## 3912 3912 3912         4      4       11          211          24    77.57
## 3913 3913 3913         5      5       10          216          29    80.31
## 3914 3914 3914         6      6       10          220          15    78.54
##      Carrera
## 3909   CIVIL
## 3910   CIVIL
## 3911   CIVIL
## 3912   CIVIL
## 3913   CIVIL
## 3914   CIVIL
media.civil <- mean(datos.civil$Promedio)
varianza.civil <- var(datos.civil$Promedio)
desviacion.civil <- sd(datos.civil$Promedio)
CV.civil <- desviacion.civil / media.civil * 100

4.4.4 Dispersión

titulo <- "Alumnos Civil"
subtitulo <- paste("Media=", round(media.civil,2), " Varianza=",round(varianza.civil,2)," Desv. Std.=",round(desviacion.civil,2), " CV =", round(CV.civil, 2),"%") 
ggplot(data = datos.civil, mapping = aes(x = Alumno,  y = Promedio)) + 
  geom_point(colour = "brown") +
  geom_hline(yintercept = media, colour = "red") +
  ggtitle(titulo, subtitle = subtitulo) +
  xlab('Observaciones') + ylab('Promedios')

4.4.5 Datos Industrial

datos.industrial <- subset(datos, Carrera == 'INDUSTRIAL') 

head(datos.industrial)
##       X.1    X NoControl Alumno Semestre Cr.Aprobados Cr.Cursando Promedio
## 2708 2708 2708         1      1       10          221          14    85.04
## 2709 2709 2709         2      2       15          224           6    76.45
## 2710 2710 2710         3      3       14          250          10    87.41
## 2711 2711 2711         4      4       10          235          10    79.83
## 2712 2712 2712         5      5       12          218          27    80.78
## 2713 2713 2713         6      6       11          158          15    79.92
##         Carrera
## 2708 INDUSTRIAL
## 2709 INDUSTRIAL
## 2710 INDUSTRIAL
## 2711 INDUSTRIAL
## 2712 INDUSTRIAL
## 2713 INDUSTRIAL
media.industrial <- mean(datos.industrial$Promedio)
varianza.industrial <- var(datos.industrial$Promedio)
desviacion.industrial <- sd(datos.industrial$Promedio)
CV.industrial <- desviacion.industrial / media.industrial * 100

4.4.6 Dispersión

titulo <- "Alumnos Industrial"
subtitulo <- paste("Media=", round(media.industrial,2), " Varianza=",round(varianza.industrial,2)," Desv. Std.=",round(desviacion.industrial,2), " CV =", round(CV.industrial, 2),"%") 
ggplot(data = datos.industrial, mapping = aes(x = Alumno,  y = Promedio)) + 
  geom_point(colour = "green") +
  geom_hline(yintercept = media, colour = "red") +
  ggtitle(titulo, subtitle = subtitulo) +
  xlab('Observaciones') + ylab('Promedios')

4.4.7 Dispersión de todas las carreras

ggplot(data = datos, mapping = aes(x = Alumno, y = Promedio, color = Carrera)) +
         geom_point() +
         facet_wrap(~ Carrera, nrow = 5) 

5 Interpretación del caso

Referencias bibliográficas

Anderson, David R., Dennis J. Sweeney, and Thomas A. Williams. 2008a. Estadística Para Administración y Economía. 10th ed. Australia • Brasil • Corea • España • Estados Unidos • Japón • México • Reino Unido • Singapur: Cengage Learning,.

———. 2008b. Estadística Para Administración y Economía. 10th ed. Australia Brasil Corea España Estados Unidos Japón México Reino Unido Singapur: Cengage Learning,.

Devore, Jay L. 2016b. Fundamentos de Probabilidad y Estadística. Primera Edición. CENGAGE.

———. 2016a. Fundamentos de Probabilidad y Estadística. Primera Edición. CENGAGE.