나뭇잎 교과서

데이터 분석과 표현

같은 측정값도 어떻게 보여 주느냐에 따라 전혀 다른 이야기를 합니다. 반복 측정값을 정리하는 법, 자료에 맞는 그래프를 고르는 법을 익힙니다.

먼저 알면 좋은 것 측정과 오차
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데이터 분석과 표현

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두 반의 평균 점수가 50점과 53점이다. 어떤 그래프에서는 두 막대가 거의 같아 보이고, 다른 그래프에서는 B반 막대가 A반의 두세 배로 보인다. 숫자는 같은데 그림이 전혀 다른 이야기를 하는 것이다. 왜 그럴까? 그리고 실험에서 얻은 자료를 정리하고 그래프로 나타낼 때는 무엇을 지켜야 할까?

그림 1. 평균 50점과 53점을 막대그래프로 나타냈다. 세로축을 0에서 시작하면 차이가 작게 보이고, 49에서 시작하면 B반 막대가 네 배로 보인다.
먼저 알아야 할 것평균, 측정과 오차(통합과학), 반복 측정과 불확도(관찰과 귀납적 탐구), 그래프 읽기.

2.3.1자료의 정리

같은 조건에서 반복 측정한 값은 평균으로 대표하고, 값이 얼마나 퍼져 있는지 범위나 표준 편차로 함께 나타낸다. 다른 값들과 동떨어진 값이 있으면 측정 실수인지 확인하되, 이유 없이 빼서는 안 된다. 그리고 자료의 종류에 맞는 그래프를 고른다. 표로 정리할 때는 단위를 제목 줄에 한 번만 쓰고, 측정한 자릿수까지만 적는다.

정리 2.3.1 자료에 맞는 그래프

두 연속적인 양의 관계는 산점도나 꺾은선 그래프로, 항목끼리의 크기 비교는 막대그래프로, 전체에 대한 비율은 원그래프로 나타낸다. 막대그래프는 막대의 길이로 크기를 비교하므로 세로축을 0에서 시작해야 한다.

그림 1에서 세로축의 시작값을 바꾸어 보자. 0에서 시작하면 두 막대의 길이 비는 53 : 50으로 실제 비율과 같다. 그런데 45에서 시작하면 막대의 길이가 8 : 5로, 49에서 시작하면 4 : 1로 보인다. 숫자를 바꾸지 않고도 그래프의 축만으로 인상을 크게 부풀릴 수 있다. 그래서 그래프를 읽을 때는 축의 눈금을 먼저 확인해야 한다.1

2.3.2오차 막대

평균만 보여 주면 차이가 의미 있는지 알 수 없다. 두 반의 점수가 10점씩 퍼져 있다면 3점 차이는 우연으로 생길 수 있지만, 1점씩만 퍼져 있다면 분명한 차이이다. 그래서 과학 그래프에서는 평균에 측정값의 퍼짐이나 평균의 불확도를 나타내는 오차 막대를 함께 그린다. 두 집단의 오차 막대가 크게 겹치면 차이를 단정하기 어렵다. 반대로 오차 막대가 서로 멀리 떨어져 있으면 차이가 우연일 가능성이 작다.

보여 줄 것그래프주의할 점 두 양의 관계산점도, 꺾은선축의 단위와 눈금 항목별 크기 비교막대그래프세로축을 0에서 시작 전체 중 비율원그래프합이 100%인지 확인
그림 2. 보여 주려는 것에 따라 그래프의 종류와 주의할 점이 다르다.

2.3.3예제 풀이

예제 2.3.2

두 비료의 효과를 비교하려고 콩을 기른 높이(cm)를 쟀다. 비료 A는 20, 22, 21, 23, 24, 비료 B는 23, 25, 22, 26, 24였다. 두 비료의 평균과 범위를 구하고, 세로축을 0부터 그린 막대그래프와 20부터 그린 막대그래프에서 B의 막대는 A의 몇 배로 보이는지 구하여라.

A의 평균은 \(\dfrac{110}{5} = 22\) cm, 범위는 20~24 cm이다. B의 평균은 \(\dfrac{120}{5} = 24\) cm, 범위는 22~26 cm이다. 두 범위가 22~24 cm에서 겹친다.

0부터 그리면 막대 길이는 24 : 22로 B가 약 1.09배로 보인다. 20부터 그리면 4 : 2로 2배로 보인다. 같은 자료이지만 두 번째 그래프는 B가 A보다 두 배 효과가 있는 것처럼 보이게 한다. 그런데 범위가 겹치므로 이 정도 자료로는 B가 더 낫다고 단정하기도 어렵다. 즉 정직한 그래프는 0에서 시작하는 축과 퍼짐을 함께 보여 주는 그래프이다.

아래 탐구 카드에서 여러 번 재면 오차가 사라지는지, 같은 자료가 그래프마다 다른 이야기를 하는 까닭을 직접 확인해 보자.

  1. 꺾은선 그래프처럼 변화의 모양을 보는 그래프는 0에서 시작하지 않아도 될 때가 많다. 체온 변화를 0 °C부터 그리면 오히려 변화가 보이지 않는다. 중요한 것은 축을 숨기지 않고 분명히 표시하는 것이다.
마무리

반복 측정한 자료는 평균과 퍼짐으로 정리하고, 보여 줄 것에 맞는 그래프를 골라야 한다. 막대그래프는 길이로 크기를 비교하므로 세로축을 0에서 시작해야 하고, 오차 막대로 차이가 의미 있는지 함께 보여야 한다. 그래서 처음 질문의 그래프들이 다른 이야기를 하는 것은 축의 시작값과 퍼짐을 보여 주는 방식이 달라서이다.

탐구 1

여러 번 재면 오차가 사라질까?

우연 오차 · 계통 오차 · 반복 측정
측정 횟수
0
평균 (s)
—
흩어짐 σ (s)
—
평균의 불확도 (s)
—

길이 1.000 m 진자(참값 2.006 s)를 손으로 재는 상황의 모식이다. 손이 누르는 순간의 흔들림은 한 번에 표준편차 약 0.06 s로 가정했다.

  1. 질문스톱워치로 진자의 주기를 재면 잴 때마다 값이 달라진다. 많이 재서 평균을 내면 참값에 끝없이 가까워질까?
  2. 복원평균은 값들을 모두 더해 개수로 나눈 것이다. 크게 나온 값과 작게 나온 값이 서로 상쇄되기를 기대하는 계산이다.
  3. 설명누르는 순간이 매번 조금씩 달라서 생기는 오차는 크게도, 작게도 나온다. 이런 우연 오차는 여러 번 재어 평균하면 줄어든다. 평균이 흔들리는 정도(평균의 불확도)는 σ / √N이어서, 100번 재면 한 번 잴 때의 1/10이 된다.
  4. 연결하지만 매번 같은 방향으로 치우치는 계통 오차는 평균해도 줄지 않는다. 멈춤을 늘 늦게 누르면 모든 값이 똑같이 커지고, 평균도 똑같이 커지기 때문이다. 그래서 계통 오차는 측정 방법을 바꾸거나 기구를 보정해야 줄어든다.
  5. 적용‘10번 재기’를 여러 번 눌러 분포가 모이는 곳을 보자. 그다음 ‘늦게 누르는 버릇’을 켜고 다시 재면, 평균이 참값에서 멀어진 채로 불확도만 작아진다. 마지막으로 ‘10번 왕복을 한꺼번에’를 켜면 누르는 오차가 열 번에 나뉘어 두 오차가 함께 줄어든다.
  6. 판단실제 실험에서는 참값을 모른다. 그래서 분포가 좁다고(정밀하다고) 해서 값이 맞다고(정확하다고) 말할 수 없다. 계통 오차는 다른 방법으로 잰 값과 비교할 때에야 드러나는 경우가 많다.

확인조건이 달라지면

영점이 0.3 g 어긋난 전자저울로 같은 물체를 100번 재어 평균을 냈다. 이 평균은?

탐구 2

같은 자료인데 왜 그래프마다 다른 이야기를 할까?

실험 · 자료의 표현 · 그래프 고르기
자료
표현

  1. 탐구 문제실험을 마치면 숫자가 가득한 기록이 남는다. 이 숫자들이 말하는 것을 다른 사람이 한눈에, 그리고 오해 없이 알아보게 하려면 어떻게 보여 줘야 할까?
  2. 복원변인에는 이름으로 나뉘는 범주형(반, 혈액형)과 수로 이어지는 연속형(온도, 시간)이 있다. 또 정성적 자료는 말로, 정량적 자료는 수로 기록한다.
  3. 설계그래서 가로축 변인이 범주형이면 막대그래프, 연속형 두 변인의 관계를 보려면 산점도와 추세선, 시간에 따른 변화를 이어 보려면 꺾은선그래프가 알맞다. 정확한 값을 전해야 하면 표를 함께 쓴다.
  4. 분석그런데 같은 자료라도 표현 방식이 해석을 바꾼다. 범주를 선으로 이으면 반 사이에 없는 “중간값”이 있는 것처럼 보이고, 세로축을 0이 아닌 곳에서 자르면 작은 차이가 크게 보인다.
  5. 측정세 자료 각각에 네 가지 표현을 모두 적용해 보자. 반별 수면 시간에서 “세로축 0부터”를 끄면 반 사이 차이가 몇 배로 보이는지 재 보고, 용해도 자료의 튀는 점을 빼도 되는지도 생각해 보자.
  6. 오차·안전이상값은 “결과와 안 맞아서”가 아니라 기록된 이유가 있을 때만 뺄 수 있고, 뺀 사실과 이유를 보고서에 적어야 한다. 이유 없이 마음에 안 드는 값을 지우는 것은 연구 부정(변조)이다.

확인조건이 달라지면

학급별 휴대 전화 사용 시간(1반 3.1시간, 2반 3.3시간, 3반 3.2시간)을 발표하려 한다. 가장 알맞은 표현은?

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