AP Statistics

tầng (trong chọn mẫu phân tầng)

stratum

Còn gọi: stratum · strata

Tầng là một nhóm con của tổng thể gồm các cá thể có chung một đặc điểm quan trọng, dùng làm đơn vị để chọn mẫu ngẫu nhiên riêng trong mỗi nhóm.

Trước khi lấy mẫu, nhà nghiên cứu đôi khi chia tổng thể thành nhiều nhóm con sao cho các cá thể trong cùng một nhóm giống nhau ở một đặc điểm nào đó, chẳng hạn giới tính, độ tuổi, hay khối lớp. Mỗi nhóm con như vậy được gọi là một tầng, trong đó các phần tử tương đối đồng nhất với nhau, còn giữa các tầng thì khác biệt rõ rệt; đây chính là bước chuẩn bị cho phương pháp chọn mẫu phân tầng (stratified sampling), nơi mẫu cuối cùng được ghép từ nhiều mẫu con.

Sau khi xác định các tầng, người ta rút một mẫu ngẫu nhiên đơn từ từng tầng một cách độc lập, rồi gộp lại thành mẫu phân tầng hoàn chỉnh. Nhờ đó, mọi tầng, kể cả những nhóm thiểu số dễ bị bỏ sót nếu chọn mẫu ngẫu nhiên toàn bộ, đều chắc chắn có mặt trong mẫu với tỉ lệ hợp lý. Khi số cá thể được chọn từ mỗi tầng tỉ lệ đúng với kích thước của tầng đó trong tổng thể, người ta gọi đó là chọn mẫu tỉ lệ, với công thức n_h = n · N_h/N, trong đó N_h là số cá thể của tầng thứ h, N là tổng số cá thể của toàn bộ tổng thể, còn n_h là số người được lấy mẫu từ tầng đó khi cỡ mẫu chung là n.

Tuy nhiên, việc phân tầng đòi hỏi phải biết trước tổng thể được chia thành những nhóm nào và mỗi cá thể thuộc tầng nào, thông tin này không phải lúc nào cũng có sẵn hoặc chính xác. Ngược lại, một cụm trong chọn mẫu theo cụm lại được xây dựng để bản thân nó phản ánh sự đa dạng của cả tổng thể, còn giữa các cụm thì tương đối giống nhau; vì vậy người ta chọn toàn bộ một vài cụm nhưng chỉ chọn một phần từ mỗi tầng. Sự phân biệt này thường xuất hiện trong các câu hỏi yêu cầu giải thích vì sao một thiết kế lấy mẫu cụ thể là hợp lý.

Ký hiệuN_h, n_h, N

Trực giác: Giống như chia học sinh toàn trường theo khối lớp trước khi bốc thăm mỗi khối một số bạn, để chắc chắn khối nào cũng có đại diện trong mẫu.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1895Anders Nicolai KiærArthur Lyon Bowley

Khái niệm tầng gắn liền với kỹ thuật chọn mẫu phân tầng (stratified sampling) do nhà thống kê Na Uy Anders Nicolai Kiær giới thiệu năm 1895, khi ông tìm cách mô tả cả một dân số mà không phải điều tra từng người.

Cuối thế kỷ 19, các cuộc điều tra xã hội quy mô lớn đang là chuyện thời sự ở châu Âu, và câu hỏi nhức nhối là làm sao nói được điều gì đó đáng tin về cả một quốc gia khi ngân sách chỉ đủ hỏi một phần nhỏ dân cư. Năm 1895, Anders Nicolai Kiær đề xuất chia dân số thành những nhóm bên trong tương đối đồng nhất rồi lấy mẫu trong từng nhóm, thay vì bốc ngẫu nhiên trên toàn bộ. Nhờ đó mẫu phản ánh được cơ cấu thật của dân số. Ít lâu sau, Arthur Lyon Bowley tiếp nối hướng này và đưa kỹ thuật chọn mẫu ngẫu nhiên (random sampling) vào các khảo sát xã hội ở London.

Vì sao mang đúng cái tên này? Tên gọi nghe lạ tai vì nó vốn không thuộc về thống kê. Trong tiếng Anh, stratum (số nhiều là strata) là từ gốc Latin chỉ một lớp, một tầng nằm chồng lên nhau — đúng nghĩa các lớp đất đá mà nhà địa chất nhìn thấy trên vách núi. Khi thống kê mượn hình ảnh ấy, dân số được hình dung như một khối có nhiều lớp: mỗi lớp gồm những cá thể giống nhau ở đặc điểm ta quan tâm, còn các lớp thì khác nhau rõ rệt. Vì vậy tiếng Việt dịch là "tầng", và phép lấy mẫu chia theo các lớp đó mang tên chọn mẫu phân tầng.

Thử nghiệm tương tác

Rút 25 mẫu theo hai cách — xem cách chia theo tầng bó sát giá trị thật hơn

Rút 25 mẫu theo hai cách — xem cách chia theo tầng bó sát giá trị thật hơn

Kéo tham số, thấy khái niệm chuyển động — mở khoá bằng tài khoản 0đ.

Tạo tài khoản miễn phí

Hay hiểu sai

Tầng không phải cụm.

Bỏ sót một tầng là hỏng cả thiết kế.

Phân tầng không nhằm khử thiên lệch mà nhằm giảm biến thiên.

Chia tầng theo biến không liên quan thì chẳng được lợi gì.

Đừng lẫn tầng trong khảo sát với khối trong thí nghiệm.

Mẹo phòng thi

Mô tả thiết kế phân tầng phải đủ ba ý mới trọn điểm.

Thấy chữ "trong mỗi nhóm" thì nghĩ ngay đến phân tầng.

Khi so sánh hai thiết kế, hãy viết ra chữ "biến thiên" thay vì nói chung chung "tốt hơn".

Tần suất trong đề AP StatisticsHay gặp

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2
Một trường trung học có 1 800 học sinh, gồm 620 học sinh lớp 10, 580 học sinh lớp 11 và 600 học sinh lớp 12. Ban giám hiệu muốn ước lượng số giờ tự học trung bình mỗi ngày của học sinh toàn trường và dự định khảo sát 90 em. Kinh nghiệm nhiều năm cho thấy số giờ tự học chênh lệch rõ rệt giữa ba khối (lớp 12 học nhiều hơn hẳn vì chuẩn bị thi), nhưng trong cùng một khối thì các em khá giống nhau.
  1. aChỉ ra biến dùng để phân tầng và các tầng tương ứng; giải thích vì sao cách chia này hợp lý.
  2. bNếu dùng phân bổ tỉ lệ (proportional allocation), mỗi tầng được chọn bao nhiêu học sinh? Mô tả ngắn gọn cách chọn.
  3. cGiả sử số giờ tự học trung bình thu được ở ba mẫu lần lượt là 1,2 giờ; 1,8 giờ và 2,5 giờ. Hãy ước lượng số giờ tự học trung bình của toàn trường.
1Bước 1: Biến dùng để phân tầng là khối lớp, nên ba tầng chính là khối 10 (620 em), khối 11 (580 em) và khối 12 (600 em). Cách chia này hợp lý vì mỗi tầng gồm những học sinh giống nhau về thói quen học tập, trong khi ba tầng lại khác nhau rõ rệt. Đúng tinh thần của chọn mẫu phân tầng (stratified sampling): trong tầng thì đồng nhất, giữa các tầng thì khác biệt. Nhờ đó, chắc chắn cả ba khối đều có mặt trong mẫu, không rơi vào tình huống rút ngẫu nhiên xong lại thiếu hẳn khối 12.
2Bước 2: Phân bổ tỉ lệ nghĩa là số em lấy ở mỗi tầng tỉ lệ thuận với cỡ tầng đó. Tỉ lệ chọn chung là 90/1800=1/20=0,0590/1800 = 1/20 = 0{,}05, tức cứ 20 học sinh thì lấy 1. Áp dụng cho từng tầng: 620×0,05=31620 \times 0{,}05 = 31, 580×0,05=29580 \times 0{,}05 = 29600×0,05=30600 \times 0{,}05 = 30. Cộng lại được 31+29+30=9031 + 29 + 30 = 90, đúng cỡ mẫu yêu cầu.
3Bước 3: Trong mỗi tầng, ta thực hiện một lần chọn mẫu ngẫu nhiên đơn giản (simple random sample) riêng biệt: đánh số học sinh khối 10 từ 001 đến 620 rồi dùng bảng số ngẫu nhiên lấy ra 31 số khác nhau, làm tương tự để lấy 29 em khối 11 và 30 em khối 12. Ba mẫu con này được gộp lại thành mẫu cuối cùng gồm 90 học sinh. Điểm mấu chốt cần nêu trong bài thi là ba lần rút phải độc lập với nhau và chỉ rút bên trong tầng của mình.
4Bước 4: Vì cỡ mẫu đã tỉ lệ với cỡ tầng, ước lượng cho toàn trường là trung bình có trọng số của ba trung bình tầng, với trọng số là Ni/NN_i/N: xˉ=620(1,2)+580(1,8)+600(2,5)1800.\bar{x} = \frac{620(1{,}2) + 580(1{,}8) + 600(2{,}5)}{1800}. Tử số bằng 744+1044+1500=3288744 + 1044 + 1500 = 3288, nên xˉ=3288/18001,83\bar{x} = 3288/1800 \approx 1{,}83. Công thức này nói rằng mỗi tầng đóng góp vào trung bình chung đúng bằng sức nặng dân số của nó, chứ không phải khối nào cũng tính ngang nhau.

Trường được chia thành ba tầng theo khối lớp; với phân bổ tỉ lệ ta khảo sát 31 em khối 10, 29 em khối 11 và 30 em khối 12, mỗi nhóm rút ngẫu nhiên độc lập trong khối của mình. Từ kết quả ba mẫu, ước lượng số giờ tự học trung bình của học sinh toàn trường là khoảng 1,83 giờ mỗi ngày. Vì khác biệt lớn nằm giữa các khối chứ không nằm trong từng khối, cách làm này cho ước lượng ổn định hơn so với rút ngẫu nhiên 90 em từ cả trường.

2Ví dụ 2/2
Một trường khác có 1 200 học sinh được xếp vào 40 lớp chủ nhiệm, mỗi lớp 30 em. Mỗi lớp chủ nhiệm đều có đủ học sinh của cả ba khối và đa dạng về học lực, nghĩa là một lớp chủ nhiệm gần như là hình ảnh thu nhỏ của toàn trường. Một nhà nghiên cứu chọn ngẫu nhiên 5 lớp chủ nhiệm rồi phát phiếu khảo sát cho toàn bộ 150 em trong 5 lớp đó. Biết rằng trường có 480 học sinh lớp 10, 400 học sinh lớp 11 và 320 học sinh lớp 12.
  1. aTrong thiết kế nói trên, các lớp chủ nhiệm đóng vai trò là tầng hay là cụm? Giải thích.
  2. bMô tả một thiết kế phân tầng theo khối lớp với cỡ mẫu 150 và nêu một ưu điểm của nó so với thiết kế ở câu (a).
1Bước 1: Các lớp chủ nhiệm ở đây là cụm chứ không phải tầng. Dấu hiệu nhận biết nằm ở tính chất bên trong nhóm: mỗi lớp chủ nhiệm đa dạng, phản ánh gần đúng cả trường, trong khi một tầng phải gồm những cá thể giống nhau ở đặc điểm được quan tâm. Dấu hiệu thứ hai nằm ở cách lấy mẫu: chọn mẫu theo cụm (cluster sampling) chỉ lấy một số cụm rồi khảo sát trọn vẹn các cụm ấy, còn phân tầng thì mọi tầng đều phải có mặt trong mẫu. Vì nhà nghiên cứu chỉ giữ lại 5 trong 40 nhóm và hỏi hết mọi người trong nhóm, đây rõ ràng là thiết kế theo cụm.
2Bước 2: Muốn phân tầng theo khối lớp, ta lập ba danh sách riêng: 480 em khối 10, 400 em khối 11 và 320 em khối 12. Tỉ lệ chọn là 150/1200=1/8=0,125150/1200 = 1/8 = 0{,}125, nên số em cần lấy ở mỗi tầng là 480/8=60480/8 = 60, 400/8=50400/8 = 50320/8=40320/8 = 40. Kiểm tra lại: 60+50+40=15060 + 50 + 40 = 150, khớp với cỡ mẫu đề bài. Trong từng danh sách, ta đánh số rồi rút ngẫu nhiên đúng số em đã tính, sau đó gộp ba nhóm thành mẫu cuối cùng.
3Bước 3: Ưu điểm lớn nhất là mẫu phân tầng bảo đảm cả ba khối đều được đại diện đúng tỉ lệ, không phụ thuộc vào may rủi của việc bốc trúng lớp chủ nhiệm nào. Với cùng cỡ mẫu 150, thiết kế phân tầng thường cho sai số chuẩn (standard error) nhỏ hơn, tức ước lượng chính xác hơn, vì đã loại bỏ được phần biến thiên giữa các khối. Tuy nhiên, cần nói công bằng rằng thiết kế theo cụm lại rẻ và nhanh hơn, bởi chỉ phải tới 5 phòng học thay vì đi tìm 150 em rải khắp trường.

Các lớp chủ nhiệm là cụm, vì mỗi lớp đa dạng như một bản thu nhỏ của trường và nhà nghiên cứu chỉ lấy một phần các nhóm rồi khảo sát trọn vẹn. Nếu chuyển sang phân tầng theo khối lớp, ta rút ngẫu nhiên độc lập 60 em khối 10, 50 em khối 11 và 40 em khối 12 để được mẫu 150 em. Cách này đánh đổi sự tiện lợi lấy độ chính xác: tốn công tổ chức hơn, nhưng ước lượng cho toàn trường sẽ ổn định hơn.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.

Hay nhầm với

mẫu cụmcluster sample
Khác nhau ở đâuTầng là nhóm đồng nhất bên trong và ta lấy mẫu từ mọi tầng. Cụm là nhóm giống thu nhỏ của tổng thể và ta chỉ chọn ngẫu nhiên một vài cụm.
Hay nhầm khiĐề mô tả chia học sinh theo khối lớp rồi chọn vài lớp trọn vẹn — thí sinh hay gọi nhầm là phân tầng.
khốiblock
Khác nhau ở đâuTầng xuất hiện trong khảo sát chọn mẫu nhằm giảm biến thiên của ước lượng. Khối xuất hiện trong thí nghiệm nhằm kiểm soát biến gây nhiễu trước khi phân nhóm xử lý.
Hay nhầm khiCâu hỏi thiết kế thí nghiệm có nhóm nam và nữ riêng: phải trả lời là khối, không phải tầng.

Cùng chủ đề

Nguồn tham khảo

  1. [1]Barron_AP_Stat_2026. tr. 230–232.

Biên soạn bởi DucklingStudy, bản quyền thuộc DucklingStudy. Xuất bản .