BIOSTATISTIKA
L01
Úvod do biostatistiky
🌿 Vegetační ekolog na katedře botaniky
🧑💻 vedoucí Laboratoře kvantitativní ekologie
♻️ zastánce otevřené a reprodukovatelné vědy
Jak z velkého množství biologických dat “vyždímat” nové informace
Foto: Vladimír Šigut, Univerzita Karlova
napříč měřítky
nové metody
reprodukovatelnost
Ilustrace vytvořené pomocí OpenAI, 2026
Příprava → společné přemýšlení → vlastní práce s daty
Krátce projdete materiály (skripta).
Aktivní účast na přednášce.
V jedné z pěti paralelních skupin budete analyzovat data v R.
HTML pro interaktivní čtení
PDF pro tisk
HTML pro prohlížení v prohlížeči
PDF pro tisk
Kód pro praktickou práci s daty v R.
SIS slouží pro zápis a termíny zkoušek. Moodle slouží pro testy, odevzdávání, výsledky a neveřejná oznámení.
Na přednášky a praktika chodit nemusíte.
Získáte vysvětlení, podporu a zpětnou vazbu.
Všechny požadované znalosti najdete ve skriptech a cvičeních v R.
Absolvujete praktický zápočet a závěrečnou zkoušku.
Učit se můžete prezenčně i doma — stejné kompetence však musí prokázat každý.
Praktický zápočet
Dokážete samostatně provést a vysvětlit základní analýzu v R?
Závěrečná zkouška
Rozumíte analytickým rozhodnutím a interpretaci výsledků?
AI můžete používat při učení.
U zápočtu a zkoušky pracujete samostatně bez internetu a AI.
Pravidla hodnocení: web kurzu (HUB). Termíny zkoušek: SIS. Neveřejné pokyny a výsledky: Moodle.
Odpovězte samostatně na tři krátké otázky. Na telefonu neuvidíte odpovědi ostatních; společné výsledky otevřeme až po hlasování.
Výsledky nelze vložit při otevření prezentace přímo ze souboru.
Spusťte prezentaci přes místní webový server nebo použijte odkaz níže.
Správná odpověď: Nové informace
Cílem je získávat z biologických dat nové informace a umět přitom vysvětlit, jak jsme k závěru došli.
Správná odpověď: Při učení a přípravě, ale ne u zápočtu a zkoušky
AI můžete používat při učení. U praktického zápočtu a závěrečné zkoušky pracujete samostatně bez internetu a AI.
Správná odpověď: Na webu kurzu (HUB)
Veřejné materiály jsou na webu kurzu (HUB). Moodle slouží pro testy, odevzdávání, výsledky a neveřejná oznámení; SIS pro zápis a termíny zkoušek.
| druh | typ_potravy | rad | spanek_h | hmotnost_kg |
|---|---|---|---|---|
| Cheetah | masožravec | Carnivora | 12.1 | 50.00 |
| Owl monkey | všežravec | Primates | 17.0 | 0.48 |
| Mountain beaver | býložravec | Rodentia | 14.4 | 1.35 |
Ukázka z tabulky msleep (celkem 83 řádků).
Smyšlený titulek A
Vědci spočítali:
„Průměrný savec váží 166 kg.“
Smyšlený titulek B
Jiná analýza tvrdí:
„Běžný savec váží jen 1,67 kg.“
Stejná tabulka. Dvě dramaticky odlišná čísla.
Po dnešní přednášce budete schopni:
Otázka → data → graf → souhrn → (opatrná interpretace)
Na přednášce
Budete odhadovat, hlasovat, porovnávat grafy a obhajovat závěry.
V materiálech
HTML nabízí záložky a rozbalovací otázky; PDF je vhodné pro souvislé čtení.
Titulek A
„Průměrný savec váží 166 kg.“
Titulek B
„Běžný savec váží 1,67 kg.“
Hlasování: který titulek je správný?
A) Pouze titulek A.
B) Pouze titulek B.
C) Oba mohou být správně.
D) Zatím nemáme dost informací.
Hlasujte samostatně a svou volbu pak obhajte sousedovi.
Proč jste vybrali právě svoji možnost?
Důkaz, který máte k dispozici
Zjistíme, co bylo změřeno a jak hodnoty vypadají.
Správný výpočet ještě nezaručuje správnou interpretaci.
Stejná tabulka obsahuje hmotnost i spánek. Na době spánku si ukážeme, jak data zobrazit a popsat. K otázce o hmotnosti se vrátíme s těmito nástroji.
Gepard (Cheetah)
Výzkumníci studovali spánkové návyky savců a u geparda zaznamenali 12.1 hodiny spánku za den.
Při záznamu měření
Výsledek pro jeden zastoupený druh zapíšeme do jednoho řádku tabulky.
Ilustrace vytvořená pomocí AI.
| Druh (species) | Spánek za den (h) |
|---|---|
| Cheetah | 12.1 |
Jeden řádek zachovává spojení mezi druhem a jeho hodnotou.
| Druh (species) | Spánek za den (h) |
|---|---|
| Cheetah | 12.1 |
| Owl monkey | 17.0 |
Tabulka roste po řádcích: jeden zastoupený druh po druhém.
| Druh (species) | Spánek za den (h) |
|---|---|
| Cheetah | 12.1 |
| Owl monkey | 17.0 |
| Mountain beaver | 14.4 |
| Greater short-tailed shrew | 14.9 |
Na co přesně se vztahuje hodnota 12,1 hodiny v prvním řádku?
A
Jednoho konkrétního geparda.
B
Jeden zastoupený druh savce.
C
Jednu hodinu měření.
Co víme
Každá hodnota spánku patří jednomu druhu, který je v tabulce zastoupen.
Co z toho neplyne
Tabulka neobsahuje data o spánku všech jednotlivých savců na Zemi.
Tabulka uchovává i jména druhů. Samotný vektor uchovává jen hodnoty a jejich pořadí.
Dataset msleep
| druh | typ_potravy | rad | spanek_h | hmotnost_kg |
|---|---|---|---|---|
| Cheetah | masožravec | Carnivora | 12.1 | 50.00 |
| Owl monkey | všežravec | Primates | 17.0 | 0.48 |
| Mountain beaver | býložravec | Rodentia | 14.4 | 1.35 |
Než popisujeme čísla, vždy si ujasníme jednotku pozorování, význam proměnné a jednotky měření.
Graf nevzniká místo dat. Vzniká postupným zobrazením hodnot, které jsme vložili do tabulky a vektoru. Svislá poloha teček jen brání překryvu; osa y zde neznamená další měření.
Kde leží nejkratší a nejdelší doba spánku? Kde se body hromadí?
Histogram ukazuje počty v intervalech, ale skrývá přesné hodnoty jednotlivých druhů.
Graf hustoty vyhlazuje naměřené hodnoty do souvislé křivky. Výška ukazuje hustotu, nikoli počet druhů; jednotlivé hodnoty v něm nevidíme.
Potřebujete zjistit, zda některý druh spí téměř 20 hodin denně.
A
Bodový graf
B
Histogram
C
Graf hustoty
Když nehlasujeme: napište si, který graf zachovává jednotlivé hodnoty a proč je to pro tuto otázku důležité.
| Graf | Nejlépe ukáže | Co skrývá |
|---|---|---|
| Bodový graf | jednotlivé hodnoty | (při velkém počtu může být přeplněný) |
| Histogram | počty v intervalech | přesné hodnoty |
| Graf hustoty | hladký tvar | počty a konkrétní druhy |
Graf vybíráme podle otázky.
Kam byste umístili jeden bod, který má zastoupit všech devět hodnot?
Minimum a maximum ukazují krajní pozorované hodnoty. Když přidáme další druhy, mohou se posunout dál; silně závisejí na velikosti souboru a neříkají, kde leží většina dat.
Aritmetický průměr (mean) používá každou hodnotu a může být citlivý na hodnoty daleko od ostatních.
Medián (median) je prostřední hodnota seřazeného souboru.
Kvartily (quartiles) Q1 a Q3 určují hranice prostředních 50 % seřazených hodnot.
IQR (interquartile range) = Q3 − Q1. Popisuje rozptýlení prostřední poloviny hodnot.
Odchylka (deviation)
odchylka doby spánku =
doba spánku druhu −
průměrná doba spánku
Fialová vede pod průměr, oranžová nad něj.
Délka barevného úseku ukazuje, jak daleko je každá hodnota od aritmetického průměru.
Hodnoty z horního řádku
Kočka domácí: 12,5 h
Aritmetický průměr: 7,61 h
Dosazení
12,5 h − 7,61 h =
4,89 h
Kladný výsledek říká, že kočka domácí spí déle než průměr devíti druhů.
Součet odchylek
součet odchylek =
kladné odchylky + záporné odchylky
= 0,00 h
Kolem průměru se navzájem vyváží.
Když prostý součet vždy vyjde přibližně nula, jak zachováme velikost vzdáleností?
Čtverec odchylky
čtverec odchylky = odchylka²
Všechny příspěvky jsou nezáporné.
(12,5 − 7,61)² =
4,89² =
23,90 h²
Nejvíce zde přispívá kočka domácí, protože leží nejdále od průměru.
Všechny hodnoty jsou převzaté z grafu
(2,9 − 7,61)² + (3,8 − 7,61)² + (4,0 − 7,61)² +
(8,0 − 7,61)² + (8,4 − 7,61)² + (9,1 − 7,61)² +
(9,7 − 7,61)² + (10,1 − 7,61)² + (12,5 − 7,61)²
= 87,21 h²
Součet devíti čtverců odchylek shrnuje jejich celkovou velikost do jednoho čísla.
Výpočet slovy
výběrový rozptyl (sample variance) =
součet čtvercových odchylek dělený
počtem hodnot zmenšeným o jednu
Dosazení hodnot
87,21 h² / (9 − 1) =
87,21 h² / 8 = 10,90 h²
Jednotkou rozptylu jsou hodiny na druhou. Proto se rozptyl hůře interpretuje přímo.
Co znamenají symboly?
Vzorec zapisuje stejný výpočet pro libovolný počet hodnot.
Vztah k rozptylu
směrodatná odchylka =
druhá odmocnina z rozptylu
Dosazení hodnot
√10,90 h² = 3,30 h
Vzorec
s = √s²
s je směrodatná odchylka a s² výběrový rozptyl.
V R stejný krok provede sd(x = vec_spanek_9). SD (standard deviation) je zpět v původních jednotkách.
V obou firmách je průměr 50 tisíc Kč. Vyšší SD ve firmě B (12 tisíc Kč oproti 3 tisícům Kč) znamená širší histogram.
Vyberte dvojici, která popisuje střed a rozptýlení podobným způsobem.
A
průměr + IQR
B
průměr + SD
C
medián + SD
Průměr + SD
Používají všechny hodnoty a jsou citlivější k hodnotám daleko od středu.
Medián + IQR
Vycházejí z pořadí hodnot a jsou odolnější vůči vzdáleným hodnotám.
Volbu neurčuje zvyk. Rozhoduje tvar dat a otázka, kterou souhrnem zodpovídáme.
Co znamená „běžná“ hmotnost?
Biologická otázka
Má jedno číslo zastoupit druhy od velmi malých savců až po slony?
Volbu souhrnu opřeme o tvar dat v grafu.
Ilustrace vytvořená pomocí AI.
Tělesná hmotnost druhu (kg), lineární osa
Několik velmi těžkých druhů roztáhne osu tak silně, že většina bodů splývá u nuly.
Tělesná hmotnost (kg), logaritmická osa
Graf nezměnil data. Jen nám dovolil vidět lehké i těžké druhy současně. Plná fialová čára je medián, přerušovaná tmavá čára průměr.
Stejná vzdálenost na ose znamená stejný násobek.
Úsek od 1 do 10 kg je stejně dlouhý jako úsek od 10 do 100 kg. Nulu ani zápornou hodnotu na logaritmické ose zobrazit nelze.
Titulek A · průměr
„Průměrný savec váží 166 kg.“
A) Pouze A.
C) Oba mohou být správně.
Titulek B · medián
„Běžný savec váží jen 1,67 kg.“
B) Pouze B.
D) Nemáme dost informací.
Obě čísla jsou správně vypočtená. Ani jedno však není univerzální „typický savec“.
Důkazy
Přepište jeden titulek tak, aby byl pravdivý i po přečtení grafu.
Poctivý závěr
V této tabulce je medián hmotnosti zastoupeného druhu 1,67 kg, ale několik velmi těžkých druhů posouvá průměr na 166 kg.
Pozor!
Tabulka není náhodným výběrem všech druhů ani všech jednotlivých savců. Čísla proto nepopisují „náhodného savce na Zemi“.
„Běžný zastoupený druh váží 1,67 kg.“ Graf ukazuje data i medián za tímto titulkem.
Šířka krabice je IQR: prostředních 50 % hodnot.
Vous končí u nejkrajnější pozorované hodnoty nejvýše 1,5 × IQR od okraje krabice. Body dál od krabice vyznačíme zvlášť; nejsou automaticky chybou. Pravidlo počítáme v původních kilogramech.
Body za vousy mohou být zajímavé nebo neobvyklé, ale nejsou automaticky chybné.
Krabicový graf (boxplot) je mapa několika souhrnů, ne fotografie všech hodnot.
Krabicový graf
Krabicový + houslový graf
přerušovaná tmavá čára = průměr
plná čára v krabici = medián
Krabicový graf
Rychle porovná medián, IQR, vousy a možné odlehlé hodnoty.
Houslový graf
Ukáže, kde se hodnoty hromadí, ale přesná četnost se z jeho šířky čte obtížně.
Housle mohou být informativnější, když je důležitý tvar; body zůstávají nejtransparentnější první kontrolou.
U netopýra můžeme zaznamenat:
Typ neurčuje vzhled čísla. Určuje jej význam proměnné.
Ilustrace vytvořená pomocí AI.
| Zápis | Co znamená | Jak vznikl |
|---|---|---|
| 37,0 | tělesná teplota | měření |
| 37 | počet mláďat | počítání |
| 37 | číselný kód lokality | název kategorie |
| 3 | stupeň poškození | uspořádaná kategorie |
Rozhoduje vzhled hodnoty, nebo její význam?
Technická třída objektu v R pomáhá s kontrolou, ale statistický typ určuje význam hodnot a způsob jejich vzniku.
Nominální kategoriální proměnná: smysl dávají četnosti a podíly, ne průměr.
[1] "factor"
Factor w/ 5 levels "carni","herbi",..: 1 5 2 5 2 2 1 4 1 2 ...
Ordinální kategoriální proměnná: pořadí je součástí objektu: lehký < střední < těžký.
Možnosti
spojitá numerická · diskrétní numerická · nominální kategoriální · ordinální kategoriální
| Proměnná | Jak vznikla? |
|---|---|
| pH vody v rybníce | měřením |
| počet mláďat ve vrhu | počítáním |
| druh stanoviště | názvem kategorie |
| stupeň poškození listu | uspořádanou kategorií |
Přiřaďte ke každé proměnné jeden ze čtyř typů.
| Typ proměnné | Vhodný první souhrn | Vhodný první graf |
|---|---|---|
| numerická spojitá | medián + IQR nebo průměr + SD | body, histogram, hustota, boxplot |
| numerická diskrétní | četnosti; někdy medián/průměr | body nebo sloupce počtů |
| kategoriální nominální | četnosti a podíly | sloupcový graf |
| kategoriální ordinální | četnosti; někdy medián pořadí | uspořádaný sloupcový graf |
Typ proměnné zužuje, které grafy, souhrny a později i modely dávají smysl.
Jaké tři otázky položíte člověku, který vám ukáže jedno souhrnné číslo bez grafu?
V následující lekci přidáme druhou proměnnou a zeptáme se, zda spolu dvě měření souvisejí.