直線內插法:減少公式和運算的神方法

2021-02-14 自變量心理工作室

    好久沒有更新了,今天給正在為理解心理統計和實驗而發愁的,心理學人介紹一種可以簡化很多計算的神方法——按比例分配,哦,不,應該是直線內插法。直線內插法指在數據分析時,在比較小的數據變化範圍內,將數據變化的趨勢看成一次函數,並以此為基礎對未知數據進行計算。從幾何的角度講,直線內插法就是將某一小段曲線,近似的看著直線。如圖1:


   由這個圖可以看出,直線內插法其實就是一個根據已知直線斜率和某點的縱坐標(橫坐標)求縱坐標(橫坐標)的幾何問題,更簡單的可以理解成一個在相似圖形中,按比例分配的問題。有一些愛思考的同學,看到這個圖像就說,這種方法多麼不精確呀。確實,對於任何函數圖像來講,PQ越長,直線內插法越不準確,但是根據微分學原理,當PQ無窮趨近於0時,曲線PQ和直線PQ就是同一條線,此時直線內插法就準確了。在數值計算中,我們可以用計算機讓PQ長度無限變小,讓S和S』無限重合,取得我們規定精度的y值。在實際的運算中,我們可以用直線內插法進行近似運算。

      在我們心理學研究中,也有很多用到直線內插法的地方。現舉幾例:

      例1:求百分位數。如張厚粲《現代心理與教育統計》第81頁例4-1的分布表,見圖2。求P90。據百分等級的意義:P90表示超越全體90%(即剛好位於全體前10%)所對應的分數。據題,157個人中,剛好前10%就是,157X10%=15.7=16人,既從高到低第16名,從低到高累計到第157-16=141名(就是倒數第141名啦)就是P90對應的百分位數。該題可以化為,由頻數分布表,累計到倒數138名的分數為50,倒數146的分數為55,則倒數141名的分數P90為多少呢?

     解:設從倒數138名到倒數146名的分數變趨勢為直線,則可以用直線內插法得:

  (146-138)/(55-50)=(141-138)/(P90-45)

   則P90=51.9.

    這個值和張厚粲的書上的值有差異,那是因為,張老師的書特別規定了一個組值的精確下限,對數據的處理更精確,其實可以不用特殊規定那個下限,張敏強的《教育與心理統計學》就沒有規定,這種數據的誤差是允許的。同理,計算得P10=20。這樣,只要我們能理解直線內插法,我們就不用去記憶百分位數,百分等級數和百分等級數那長長的公式了。


     在實驗心理學心理物理學部分,涉及到恆定刺激法,如朱瀅《實驗心理學》(第三版)第50頁,用恆定刺激法求兩點閾。已經刺激為10mm回答兩點的比例為29%,11mm時回答兩點的比例為66%。問:該刺激的50%兩點閾X為多少?則據直線內插法得:

(66%-29%)/(11-10)=(50%-29%)/(X-10)

   則X=10.57mm。與朱瀅老師的結果10.56幾乎一樣,如果他把四捨五入弄正確的話。郭秀豔老師《實驗心理學》就是10.57mm正確答案。順便吐槽郭秀豔老師的《實驗心理學》第237頁,用恆定刺激法計算重量的差別閾限,那個數據表和運算結果都有錯誤,不信,你仔細看看。

      好了,這就是一個在不要求高度精確計算的條件下,一個很有用的方法——直線內插法。他的優點,就是可以讓我們少記一些公式,便利的理解許多實驗心理學的計算。缺點呢?就是在線段長度不為0的情況下,強行將曲線(非線性函數)簡化為直線(線性函數),這比較危險,線段長度越大,越危險,數據誤差越大。

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