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グラフの目盛り:絵が嘘をつくとき

棒グラフは説明がいらないように見える。棒が高いほど数が大きい。第2章の言葉で言えば、これはイコンであり、高さが量に似ている。しかしどのグラフの背後にも、目には読めない約束事がある。目盛りである。約束事が変わっても、イコンは同じ自信をもって語り続ける。ただ、語っている内容は別のものになっている。 切り詰められた軸 ある会社の四年間の売上は $96$、$98$、$101$、$104$ である。控えめな成長で、三年で $8.3\%$ だ。では縦軸を $0$ ではなく $95$ から始めて棒グラフを描いてみよう。最初の棒の高さは $1$、最後の棒は $9$ になる。最後の棒は最初の棒の九倍に見える。 この対話型の図を使うには JavaScript を有効にしてください。議論の全体は本文にあります。 グラフはどの数についても嘘をついていない。数はすべてそこに書いてある。嘘をついているのは数どうしの関係についてであり、それこそ棒グラフが示すと約束しているものなのだ。1954 年、アメリカのジャーナリスト、ダレル・ハフは『統計でウソをつく法』でこの手口を「ギーウィズ・グラフ」(gee-whiz graph、「うわっ」グラフ)と呼んだ。この本はいまも統計学の授業の必読書である。 棒グラフの規則は簡単だ。棒は長さを比べるので、ゼロから始めなければならない。折れ線グラフは事情が違う。変化を示すものなので、目盛りがはっきり書かれ、線の高さを大きさの尺度として読ませないかぎり、軸をデータの近くから始めてよい場合がある。 対数目盛り わざとゆがめた目盛りもある。しかも善意からである。細菌の数や流行初期の感染者数のように、一定の期間ごとに倍になる量は爆発的に増えるので、普通のグラフでは最初の値は地面に張りつき、最後の値はページからはみ出してしまう。 対数目盛りでは、縦軸の目盛りは $0, 10, 20, 30$ ではなく $1, 10, 100, 1000$ である。同じ長さだけ進むごとに 10 がかけられる。すると指数的な成長は直線になり、その傾きが倍になる速さを表す。2020 年には多くの新聞が流行の曲線を両方の目盛りで示し、多くの読者が、同じデータが爆発にも穏やかな坂にも見えうることを知った。 対数目盛りは、学ばなければならない記号のよい例である。目は高さを量として読む。対数目盛りでは、高さが表すのは桁である。約束事が変わったことに気づかない人は、グラフを読み違える。 枠の縦横比 軸がゼロから始まり、目盛りが普通のものであっても、枠の形が印象を変える。同じデータが、横に長く低い長方形では穏やかに見え、縦に細長い長方形では急上昇しているように見える。統計学者ウィリアム・クリーブランドは実用的な規則を提案した。重要な傾きが $45°$ に近くなるように縦横比を選ぶことである。それが、目が傾きの差をもっともよく見分けられる角度だからだ。 面積で嘘をつく地図 選挙の地図は各地域を勝者の色で塗る。しかし地域の面積は有権者の数とは何の関係もない。広くて人のいない州は、小さくて人口の密集した都市よりも多くのインクを使う。目は面積を重要さとして読むので、地図はある政党が実際よりはるかに大きく勝ったと言っているように見える。カルトグラム(変形地図)は地域を変形させて面積を人口に比例させ、このイコンを正す。結果は奇妙に見えるが、それが正直さの代価である。 練習:軸による誇張軸が $90$ から始まるとき、$104$ の棒は $96$ の棒の何倍に見えるか。$100$ から始まるときはどうか。 軸が $90$ から始まると、見える高さは $104-90=14$ と $96-90=6$ であり、最後の棒は $\frac{14}{6}\approx2.3$ 倍に見える。軸が $100$ から始まると、$96$ の棒はまったく現れず、$104$ の棒の高さは $4$ になる。グラフは意味を失う。本当の比はいつも $\frac{104}{96}\approx1.08$ である。

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命を救ったグラフ:プレイフェア、スノウ、ナイチンゲール、ミナール

18 世紀の終わりまで、数は表で発表されていた。表は正確だが、読者に一行ずつ比べさせ、値を頭に覚えておくことを強いる。データのグラフはこの読み方を一瞥に置き換えた。差も傾向も山も、数を一つも読まないうちに見えてくる。四つのグラフが、この発明によって見えるものがどう変わったかを示している。 プレイフェア、折れ線グラフを発明する 1700 年から 1780 年までのイギリスとアフリカの輸出入。ウィリアム・プレイフェア『商業と政治のアトラス』(1786)より。二本の線のあいだの面積が貿易収支を示す。William Playfair · Wikimedia Commons · パブリックドメイン 1786 年、波乱の人生を送ったスコットランドの技師でパンフレット作家のウィリアム・プレイフェアは『商業と政治のアトラス』を出版した。イギリスの貿易についての 44 枚のグラフを収めた本である。時間を横軸にとった折れ線グラフと棒グラフが体系的に現れたのは、これが初めてだった。1801 年には円グラフも加えた。プレイフェアは、目は数の並びの形を、記憶が数そのものを保つよりもはるかによくとらえる、と言ってこれらの図を擁護した。 スノウとブロード・ストリートのポンプ ジョン・スノウが 1854 年に描いたロンドンのソーホー地区の地図。コレラによる死者一人ひとりが、家の戸口に積み重ねた黒い短い線で示されている。積み重なった線はブロード・ストリートのポンプのまわりに集まっている。John Snow · Wikimedia Commons · パブリックドメイン 1854 年の 8 月と 9 月、コレラがロンドンのソーホー地区で数百人の命を奪った。主流の理論は、病気は「瘴気」、つまり悪い空気から来るとしていた。医師のジョン・スノウは水を疑った。彼は地区の地図に死者を一人ずつ、家の戸口に短い線を引いて記した。すると線は一つの公共ポンプ――ブロード・ストリートのポンプ――のまわりに積み上がった。スノウは当局を説得し、9 月 8 日にポンプの柄を外させた。 ポンプが止められたとき、流行はすでに下火になりつつあり、もっとも有名な地図は報告書のためにあとから描かれたものである。それでも論証の力はこの図にあった。読者は統計を一つも読まないうちに、発生源を見たのである。これは疫学誕生の画期の一つである。 ナイチンゲールのバラ図 フローレンス・ナイチンゲールによる東方のイギリス軍の死因の図(1858)。一切れが一か月である。青い面積は予防できた病気による死、赤は傷による死、黒はその他の原因を表す。Florence Nightingale · Wikimedia Commons · パブリックドメイン クリミア戦争で、イギリスの看護師フローレンス・ナイチンゲールは、兵士たちが戦闘の傷よりも、不潔な病院での病気によってはるかに多く死んでいくのを見た。1858 年に帰国した彼女は、表を読まない将軍や大臣たちを説得しなければならなかった。そこで彼女は、バラの形をした新しい図を描いた。一か月が一切れで、各色の面積が死者の数に比例する。予防できた病気の巨大な青い塊が、傷による死の小さな赤を飲み込んでいた。 数学の細部が重要である。面積を人数に比例させるには、各切れの半径を人数の平方根に比例させなければならない。もし半径を人数に比例させていたら、悪い月は実際よりはるかにひどく見えただろう。1858 年、ナイチンゲールはイギリス王立統計学会の会員に選ばれた最初の女性となった。 ミナールとナポレオンの行軍 シャルル・ミナールが描いた 1812 年のロシア遠征(1869)。帯の幅が軍の人数を表す。モスクワへ向かう行きはベージュ、帰りは黒。下には退却中の気温が描かれている。Charles Minard · Wikimedia Commons · パブリックドメイン 1869 年、フランスの技師シャルル・ミナールは、ナポレオンのロシアでの破滅的な遠征を描いた。一枚の紙に六つの変数が収まっている。帯の幅(軍の人数。出発時の 42 万 2000 人から帰還時の 1 万人まで)、地図上の二次元の位置、向き(行きか帰りか)、気温、そして日付である。統計学者エドワード・タフテは、これをおそらくこれまでに描かれた最高の統計グラフだと呼んだ。

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オレームから関数のグラフへ:変化する性質を描く

速度と時間のグラフは、これ以上ないほど自然に見える。しかしそれが何をしているかを考えてみよう。時間を横の長さに、速度を縦の長さに変えているのだが、どちらの量も長さではない。これは大胆な翻訳であり、誰かがそれを発明しなければならなかった。 オレームの緯度 1350 年ごろ、フランスのニコル・オレーム――パリの学者で、のちにリジューの司教となった――は性質の形状についての論考を書いた。棒の熱さや物体の速さのような性質は、点から点へ、時刻から時刻へと変わりうる。オレームはそれを描くことを提案した。 経度は横の線で、広がり、つまり棒の長さや運動の持続時間を表す。 各点に立てた緯度は縦の線分で、そこでの性質の強さを表す。 緯度をすべて合わせると一つの図形ができ、その図形の形が変化を描き出す。 オレームの三つの形状。一様なもの(すべての緯度が等しい長方形)、一様に非一様なもの(緯度が一様に増える三角形または台形)、非一様に非一様なもの(それ以外の変化、曲線)。本書のために作成した説明図。 オレームは三つの基本的な形に名前をつけた。一様な性質は長方形になる。一様に非一様な性質は一様に増え、三角形か台形になる。非一様に非一様な性質はそれ以外の仕方で増え、上辺が曲がった図形になる。今日の言葉で言えば、定数関数、一次関数、非線形の関数である。 面積による証明 オレームの図はただの挿絵ではなかった。彼はこれを使って、数十年前にオックスフォードのマートン・カレッジの学者たちが述べた規則を証明した。一様に加速する物体が進む距離は、平均の速さで一様に動いた場合に進む距離に等しい、という規則である。 図では、距離は図形の面積である。静止から一様に加速する運動は三角形であり、平均の速さでの運動は高さが半分の長方形である。三角形と長方形の面積は等しい。三角形が長方形からはみ出した部分が、下で足りない部分とちょうど同じだからだ。ガリレオが同じ規則に到達する二世紀半前、その証明は一枚の図だった。 関数のグラフへの道 1637 年に幾何学を方程式に変えたデカルトは、今日と同じグラフを描いていたと思いたくなる。だがそうではない。デカルトの本には、数の目盛りをつけた直交する二本の軸はなく、負の座標も疑いの目で見られていた。座標という言葉はライプニッツに由来し、1692 年のことである。軸と目盛りと曲線をもつ関数のグラフは 18 世紀を通じてゆっくりと定着していった。そして次の文章にあるようなデータのグラフが生まれたのは、ようやく 1786 年のことである。 第2章では、レイモン・デュヴァルとともに、式からグラフへ移ることは表現レジスターのあいだの変換であり、計算はできても描けない学生が多いことを見た。オレームの物語は、この変換が生まれつき備わったものではないことを思い出させてくれる。それが発明されるまでには何世紀もかかったのである。 オレームと調和級数 同じオレームが、級数 $1+\frac12+\frac13+\frac14+\cdots$ が限りなく大きくなることを証明した。項をいくつかずつまとめ、各まとまりが $\frac12$ より大きくなるようにしたのである。これは無限級数についての最初期の結果の一つで、歴史の本の調和級数の文章がその証明を語っている。 練習:平均速度の定理車が静止状態から $4$ 秒で一様に $10$ m/s まで加速する。どれだけ進むか。 オレームの図では、これは底辺 $4$、高さ $10$ の三角形であり、面積は $\frac{4\cdot10}{2}=20$ メートルである。平均の速さは $5$ m/s で、$5\cdot4=20$ メートル。平均の速さの長方形も同じ面積になる。 練習:台形速さが $3$ 秒のあいだに $2$ m/s から $8$ m/s まで一様に増える。どれだけ進むか。 図形は平行な二辺が $2$ と $8$、高さが $3$ の台形であり、面積は $\frac{(2+8)\cdot3}{2}=15$ メートルである。これは平均の速さ $5$ m/s に $3$ 秒をかけたものと同じだ。