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图表的刻度:当图画说谎

条形图似乎不需要解释:条越高,数越大。用第2章的话说,它是一种图像符号:高度与数量相似。但每张图表背后都有一个眼睛读不到的约定:刻度。一旦约定改变,图像符号依然以同样的自信说话,只是说的已经是另一回事。 截断的坐标轴 一家公司连续四年的销售额是 $96$、$98$、$101$ 和 $104$。增长不大:三年增长 $8.3\%$。现在画条形图,让纵轴从 $95$ 而不是 $0$ 开始。第一根条的高度是 $1$,最后一根是 $9$。最后一根看起来是第一根的九倍。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 图并没有在任何一个数上说谎:所有的数都写在那里。它说谎的是数与数之间的关系,而这恰恰是条形图承诺要显示的。1954 年,美国记者达莱尔·哈夫在《统计数字会撒谎》一书中,把这个把戏称为“哇噻图”(gee-whiz graph),这本书至今仍是统计学课程的必读书。 条形图的规则很简单:它们比较长度,因此必须从零开始。折线图则不同:它显示的是变化,让坐标轴从数据附近开始可以是合理的,前提是刻度写清楚,且不把线的高度当作大小的度量。 对数刻度 有些刻度是故意扭曲的,而且是出于好意。一个在每段时间里都翻倍的量,比如细菌的数量或疫情初期的病例数,增长得如此爆炸,以至于在普通图表上,最初的值贴在地面上,最后的值跑出了页面。 在对数刻度上,纵轴的刻度不是 $0, 10, 20, 30$,而是 $1, 10, 100, 1000$:每走同样长的一步,就乘以 10。于是指数增长变成了一条直线,直线的斜率表示倍增的速度。2020 年,许多报纸用两种刻度展示疫情曲线,很多读者这才发现,同样的数据可以看起来像爆炸,也可以看起来像平缓的坡道。 对数刻度是一个需要学习的符号的好例子。眼睛把高度读作数量;在对数刻度上,高度表示的是数量级。没有注意到约定改变的人,就会读错图。 图框的长宽比 即使坐标轴从零开始、刻度也是普通的,图框的形状也会改变印象。同一组数据,画在又宽又矮的矩形里显得平稳;画在又窄又高的矩形里,则像是在飙升。统计学家威廉·克利夫兰提出了一条实用规则:选择长宽比,使重要的斜率接近 $45°$,这是眼睛最能分辨斜率差异的角度。 以面积骗人的地图 选举地图把每个地区涂上获胜者的颜色。但一个地区的面积与选民人数毫无关系:一个辽阔而空旷的州,比一个小而人口稠密的城市占用更多颜料。眼睛把面积读作重要性,地图似乎在说某个政党赢得比实际多得多。变形地图(统计地图)让地区变形,使面积与人口成正比,纠正了这个图像符号,结果看起来很怪——这正是诚实的代价。 练习:坐标轴的夸大坐标轴从 $90$ 开始时,$104$ 的条看起来是 $96$ 的条的多少倍?从 $100$ 开始呢? 坐标轴从 $90$ 开始,可见高度是 $104-90=14$ 和 $96-90=6$:最后一根看起来是 $\frac{14}{6}\approx2.3$ 倍。坐标轴从 $100$ 开始,$96$ 的条根本不出现,$104$ 的条高度为 $4$:图表失去了意义。真实的比值始终是 $\frac{104}{96}\approx1.08$。 练习:对数刻度上的直线一个种群每天翻倍:$1, 2, 4, 8, 16, \ldots$ 在以 $10$ 为底的对数刻度上,高度每天上升多少? 高度是数值的 $\log_{10}$,而 $\log_{10}(2^n)=n\log_{10}2\approx0.301\,n$。每天高度上升 $0.301$ 个单位:每天上升同样多,所以图是一条直线。大约 $3.3$ 天上升整整一个单位,也就是乘以 10。

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拯救生命的图表:普莱费尔、斯诺、南丁格尔和米纳德

直到十八世纪末,数字都是用表格发表的。表格很精确,却迫使读者一行一行地比较,把数值记在脑子里。数据图表用一瞥取代了这种阅读:差异、趋势和峰值在读到任何数字之前就显现出来。四张图表展示了这项发明怎样改变了人们能看见的东西。 普莱费尔发明折线图 1700 年至 1780 年英国与非洲的进出口,出自威廉·普莱费尔的《商业与政治图集》(1786)。两条线之间的面积显示贸易差额。William Playfair · Wikimedia Commons · 公有领域 1786 年,生平跌宕的苏格兰工程师兼小册子作者威廉·普莱费尔出版了《商业与政治图集》,其中有 44 张关于英国贸易的图表。以时间为横轴的折线图和条形图,第一次在这里系统地出现。1801 年他又加上了饼图。普莱费尔为这些图辩护说,眼睛把握一串数字的形状,远胜于记忆保存这些数字。 斯诺与宽街水泵 约翰·斯诺 1854 年绘制的伦敦苏活区地图。每一例霍乱死亡是一条叠在房门口的黑色短线;这些叠起的短线聚集在宽街水泵周围。John Snow · Wikimedia Commons · 公有领域 1854 年 8 月和 9 月,一场霍乱在伦敦苏活区夺去了数百人的生命。主流理论认为疾病来自“瘴气”,即坏空气。医生约翰·斯诺怀疑是水。他在街区地图上标出每一例死亡,在房门口画一条短线,结果这些短线堆积在一个公共水泵周围——宽街的那个水泵。斯诺说服当局在 9 月 8 日卸下了水泵的把手。 水泵被停用时,疫情已经在减弱,而那张最有名的地图是事后为报告绘制的。但论证的力量在于这张图:读者在读到任何统计数字之前,就看见了源头。这是流行病学诞生的里程碑之一。 南丁格尔的玫瑰图 弗洛伦斯·南丁格尔的东方英军死亡原因图(1858)。每一片是一个月;蓝色面积是可预防疾病造成的死亡,红色是伤亡,黑色是其他原因。Florence Nightingale · Wikimedia Commons · 公有领域 克里米亚战争中,英国护士弗洛伦斯·南丁格尔看到,士兵死于肮脏医院里的疾病,远多于死于战斗中的伤口。1858 年回国后,她必须说服那些不读表格的将军和大臣。她画了一种新的图,形状像一朵玫瑰:每个月是一片,每种颜色的面积与死亡人数成正比。可预防疾病的巨大蓝色斑块,吞没了伤亡的那一小片红色。 数学细节很重要。要让面积与人数成正比,每一片的半径必须与人数的平方根成正比。如果她让半径与人数成正比,糟糕的月份就会显得比实际严重得多。1858 年,南丁格尔成为第一位当选英国皇家统计学会会员的女性。 米纳德与拿破仑的行军 查尔斯·米纳德绘制的 1812 年俄国战役(1869)。带子的宽度是军队的人数:去莫斯科时是米色,返回时是黑色。下方是撤退途中的气温。Charles Minard · Wikimedia Commons · 公有领域 1869 年,法国工程师查尔斯·米纳德画出了拿破仑在俄国的那场灾难性战役。一张纸上容纳了六个变量:带子的宽度(军队的人数,从出发时的 42.2 万人到返回时的 1 万人)、地图上的二维位置、方向(去或回)、气温和日期。统计学家爱德华·塔夫特称它也许是有史以来画得最好的统计图。

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从奥雷姆到函数图像:画出一个变化的性质

速度–时间图看上去再自然不过。但想想它做了什么:它把时间变成水平长度,把速度变成竖直长度,而这两个量都不是长度。这是一种大胆的翻译,总得有人把它发明出来。 奥雷姆的纬度 1350 年前后,法国人尼科尔·奥雷姆——巴黎的学者,后来成为利雪主教——写了一部关于性质的构形的论著。一种性质,比如一根棒的热度或一个物体的速度,可以从一点到另一点、从一刻到另一刻变化。奥雷姆提议把它画出来: 经度,一条水平线,表示广延:棒的长度或运动的持续时间; 在每一点上,纬度,一条竖直线段,表示那里性质的强度。 所有纬度合起来组成一个图形,图形的形状描述了变化。 奥雷姆的三种构形:均匀的(所有纬度相等,一个矩形)、均匀变化的(纬度均匀增长,一个三角形或梯形)和非均匀变化的(其他任何变化,一条曲线)。为本书制作的教学示意图。 奥雷姆为三种基本形状起了名字。均匀的性质给出矩形。均匀变化的性质均匀增长,给出三角形或梯形。非均匀变化的性质以其他任何方式增长,给出顶部弯曲的图形。今天我们会说:常函数、线性函数和非线性函数。 用面积证明 奥雷姆的图不只是插图。他用它证明了牛津默顿学院的学者们几十年前提出的一条规则:一个匀加速运动的物体所走的距离,等于它以平均速度匀速运动时所走的距离。 在图中,距离就是图形的面积。从静止开始的匀加速运动是一个三角形;以平均速度的运动是一个高度减半的矩形。三角形和矩形面积相等,因为三角形高出矩形的那一块,正好等于下面缺的那一块。比伽利略得出同样的规则早了两个半世纪,这个证明就是一张图。 通向函数图像的路 人们很自然地以为,1637 年把几何化为方程的笛卡儿,画的图像和今天一样。其实不然。笛卡儿的书里没有两条标了数字的互相垂直的坐标轴,负坐标也受到怀疑。坐标这个词来自莱布尼茨,是 1692 年的事。带坐标轴、刻度和曲线的函数图像,在整个十八世纪里才慢慢确立;而像下一篇里那样的数据图表,直到 1786 年才诞生。 第2章借雷蒙·杜瓦尔说明,从公式到图像是表征域之间的一次转换,许多学生会算却不会画。奥雷姆的故事提醒我们,这种转换并不是天生的:它花了几个世纪才被发明出来。 奥雷姆与调和级数 同一个奥雷姆证明了级数 $1+\frac12+\frac13+\frac14+\cdots$ 会无限增大,方法是把各项分成一组组,每组都大于 $\frac12$。这是最早的无穷级数结果之一,历史书在调和级数那一篇里讲了这个证明。 练习:平均速度定理一辆车从静止开始,在 $4$ 秒内匀加速到 $10$ m/s。它走了多远? 在奥雷姆的图中,这是一个底为 $4$、高为 $10$ 的三角形:面积 $\frac{4\cdot10}{2}=20$ 米。平均速度是 $5$ m/s,$5\cdot4=20$ 米:平均速度的矩形面积相同。 练习:一个梯形速度在 $3$ 秒内从 $2$ m/s 均匀增加到 $8$ m/s。走了多远? 图形是上下底分别为 $2$ 和 $8$、高为 $3$ 的梯形:面积 $\frac{(2+8)\cdot3}{2}=15$ 米。这与平均速度 $5$ m/s 乘以 $3$ 秒相同。 本章目录 · ← 欧拉圆与维恩图 · 拯救生命的图表:普莱费尔、斯诺、南丁格尔和米纳德 →