Was Leonardo Correct? (continued)

advertisement

 

Was  Leonardo  Correct?  (continued)  

Drawing  on  the  work  of  Marcus  Vitruvius  Pollio  (born  c.  80–70  BCE,  died  after  c.  15  BCE),  Leonardo  da  

Vinci  (1452-­‐1519)  drafted  guidelines  for  artists  on  how  to  proportion  the  human  body  in  painting  and   sculpture.    Included  in  his  directions  were  guidelines  for  the  ratios  of:

  the  length  of  a  man's  outspread  arms  to  his  height  (equal)   the  maximum  width  of  the  shoulders  to  a  man's  height  (one  quarter)   the  length  of  the  hand  to  a  man's  height  (one  tenth)   the  length  of  a  man's  foot  to  his  height  (one  sixth)  

In  this  activity  we  will:  

Use  data  to  examine  the  value  of  these  ratios  in  small  and  large  samples  

Study  different  ways  of  determining  the  “typical”  value  and  examine  the  implications  of  each  

DAY  ONE:     On  the  first  day,  you  will  gather  data  from  the  people  in  your  class,  enter  it  into  Fathom,  and   use  some  of  the  tools  that  Fathom  offers  for  exploring  data.  

DAY  TWO:     On  the  second  day,  you  will  use  a  much  larger  set  of  data  containing  body  measurements   from  almost  4,000  individuals.    You  will  use  this  data  to  make  charts  and  consider  how  measurements   are  distributed  in  the  population.    Through  this,  you  will  develop  ways  to  decide  what  is  “typical”  and  to   make  comparisons  between  different  measurements.  

Page  |  1  

Institute  for  Advanced  Study/Park  City  Mathematics  Institute                                                                                          Summer  2009  

Secondary  School  Teachers  Program/Reasoning  with  Data  and  Chance  

 

DAY  ONE  INSTRUCTIONS  

For  the  first  part  of  this  activity,  taking  measurements,  you  will  need  to  work  in  groups  of  3  or  4.    

Instructions  on  how  to  take  each  measurement  are  given  below 1 .  

Group  Member  Responsibilities:    Each  person  needs  to  be  measured.    Each  measurement  needs  to  be   taken  3  times,  and  the  values  have  to  be  averaged.    While  one  person  is  being  measured,  one  person   should  be  doing  the  measuring  and  the  other  should  be  recording  the  data.    For  groups  of  4,  the  fourth   person  should  do  the  average  calculations.    For  groups  of  3  the  recorder  should  do  the  calculations.    It  is   up  to  the  entire  group  to  rotate  responsibilities  as  each  person  gets  measured.  

Page  |  2  

ARM  SPAN  -­‐  The  distance  between  the  tips  of  the  right  and  left  middle  fingers  when  the  subject’s  arms   are  extended  out  to  the  side  as  far  as  possible  

SHOULDER  WIDTH  -­‐  The  maximum  horizontal  distance  between  the  widest  part  of  the  shoulder  muscles.    

The  subject  sits  erect  looking  straight  ahead.    The  shoulders  and  upper  arms  are  relaxed  and  the   forearms  and  hands  are  extended  forward  with  the  palms  facing  each  other.  

HAND  LENGTH  -­‐  The  length  of  the  right  hand  between  the  bony  point  on  the  thumb  side  of  the  wrist  and   the  tip  of  the  middle  finger.    The  subject’s  fingers  should  be  together  and  the  thumb  should  be   sticking  out.  

FOOT  LENGTH  -­‐  The  length  of  the  foot  from  the  tip  of  the  big  toe  to  the  back  of  the  heel  while  the   subject  is  standing 2 .  

HEIGHT  -­‐  The  vertical  distance  from  a  standing  surface  to  the  top  of  the  head.    The  heels  are  together   with  the  weight  distributed  equally  on  both  feet.    The  shoulders  are  relaxed.  

Your  teacher  will  assign  a  number  to  each  person  in  the  class,  because  we  are  interested  in  the   measurements  themselves  –  not  who  they  came  from.    You  should  only  write  your  number  on  your   individual  Data  Table 3 .    After  everyone  in  your  group  has  been  measured  and  the  measurements  have   been  averaged,  one  member  of  your  group  should  write  the  average  measurements  for  each  member  of   your  group  on  the  large  table  that  your  teacher  will  post  at  the  front  of  the  room.    You  will  then  record   the  data  for  your  entire  class  in  the  Class  Data  Table.  

                                                                                                                       

1  These  directions  are  a  simplified  form  of  the  official  measurement  definitions  used  in  the  US  Army’s  ANSUR   study.    The  full  definitions  are  in  the  document  CORRESPONDENCE  OF  ACTIVITY  DATA  SET  TO  ANSUR  DATA.  

2  This  may  not  be  exactly  correct  –  I  was  unable  to  find  a  clear  definition  of  the  “long  axis”  of  the  foot,  per  the  

ADAS  definitions.  

3  Note  that  da  Vinci’s  prescriptions  are  for  “men”.    You  may  want  to  record  the  gender  of  each  subject  to  do   further  analysis  on  your  own.    In  this  activity,  however,  we  will  pool  all  of  the  subjects  regardless  of  gender.  

Institute  for  Advanced  Study/Park  City  Mathematics  Institute                                                                                          Summer  2009  

Secondary  School  Teachers  Program/Reasoning  with  Data  and  Chance  

 

 

Before  we  turn  to  using  Fathom  to  study  the  data  from  your  class,  answer  the  following  questions:  

 

 

 

Q1   a)   What  did  you  notice  about  the  numbers  on  different  trials  of  the  same  measurement?    

Were  the  numbers  close  to  each  other?    Were  they  identical?  Explain.   b)   c)  

What  are  some  possible  sources  of  error  in  your  measurements?  

How  did  your  measurements  compare  to  the  measurements  within  your  group?    Is  this   what  you  expected?   d)   Without  looking  at  more  than  the  numbers  in  your  own  group,  make  a  hypothesis  about   the  typical  relationship  between  people’s  arm  spans  and  their  heights.  

Page  |  3  

After  you  answer  these  questions,  open  the  Fathom  software  by  clicking  the  icon  on  your  desktop.  

 

Once  the  software  opens,  follow  the  instructions  below,  stopping  to  answer  the  questions  when  they   come  up.  

1.) Drag  a  new  Collection  off  the  shelf.

  (See  Figure  1)  

 

 

Figure  1  

2.) Select  “New  Cases”  from  the  Collection  menu  (See  Figure  2)  and  enter  the  number  of   observations  you  have  (i.e.  the  number  of  people  in  your  class)  in  the  box  that  appears  (See  

Figure  3)  

Institute  for  Advanced  Study/Park  City  Mathematics  Institute                                                                                          Summer  2009  

Secondary  School  Teachers  Program/Reasoning  with  Data  and  Chance  

 

Figure  2  

 

 

 

 

3.) Double-­‐click  Collection  1  to  open  the  Inspector  (See  Figure  4),  name  two  Attributes  by   typing  in  “ARMSPAN”  and  “HEIGHT”  and  enter  the  data  that  you  collected  from  your  class,   using  the  arrows  in  the  lower  left  corner  of  the  inspector  to  scroll  between  cases  (Fathom   calls  each  of  the  individuals  in  your  data  set  a  “case”.)  

Page  |  4  

Figure  4  

Institute  for  Advanced  Study/Park  City  Mathematics  Institute                                                                                          Summer  2009  

Secondary  School  Teachers  Program/Reasoning  with  Data  and  Chance  

 

4.) After  you  have  entered  all  of  your  data,  create  a  new  Attribute  called  “SPAN_HT”,  which  we   will  define  as  the  ratio  of  armspan  to  height  for  each  individual.    Double-­‐click  the  formula   box  to  open  the  formula  editor  (See  Figure  5).    Type  “ARMSPAN/HEIGHT”  in  the  formula   editor  –  Fathom  formats  it  automatically  into  the  form  shown  below  –  and  click  OK.  

Page  |  5  

 

Figure  5  

5.) Drag  a  Summary  Table  from  the  shelf  (See  Figure  6a,  Step  One)  and  drag  the  attributes  SPAN   to  the  table  (Figure  6a,  Step  Two).    Drag  the  other  two  attributes  to  the  table  (See  Figure  6b)   so  that  you  get  the  summary  table  in  figure  6c  (your  numbers  will  be  different.)  

 

 

 

Figure  6a    

                                           

                   Figure  6b        

 

QUESTIONS  

Q2:       a)       What  is  the  average  arm  span  in  your  class?       b)         What  is  the  average  height  in  your  class?       c)           What  is  the  average  ratio  of  arm  span  to  height?       d)   Is  the  average  ratio  larger  or  smaller  than  da  Vinci’s  ideal?    Express   the  difference  between  the  average  and  the  “ideal”  as  a  percentage.      

     Figure  6c  

Calculate  the  ratio  of  the   average  armspan  to  the   average  height.    Is  the  ratio   of  the  averages  the  same  as   the  average  of  the  ratios?    

Why?  

Institute  for  Advanced  Study/Park  City  Mathematics  Institute                                                                                          Summer  2009  

Secondary  School  Teachers  Program/Reasoning  with  Data  and  Chance  

 

Drag  a  graph  from  the  shelf  (See  Figure  7)  and  drag  the  variable  

“ARMSPAN”  to  the  ___-­‐axis  and  “HEIGHT”  to  the  ___-­‐axis.      

If  you  think  of  the  ratio  of   arm  span  to  height  as  the   slope  of  a  best  fit  line,  which   attribute  would  be  the  “rise”   and  which  would  be  the  

“run”?  

Page  |  6  

 

Figure  7  

Go  to  the  “Graph”  menu  and  add  a  Movable  Line  and  Show  Squares  (See  Figures  8a  and  8b).    When  you   think  that  you  have  minimized  the  area  of  the  squares,  add  a  Least-­‐Squares  Line  and  see  how  close  you   got  (See  Figure  8c).  

 

                 Figure  8a                          Figure  8b  

Institute  for  Advanced  Study/Park  City  Mathematics  Institute                                                                                          Summer  2009  

Secondary  School  Teachers  Program/Reasoning  with  Data  and  Chance  

 

 

 

 

 

Figure  8c  

QUESTIONS  

Q3:   a)   What  does  the  slope  of  the  Least-­‐Squares  line  tell  you  about  the  relationship  between                   the  arm  spans  and  the  heights  of  the  individuals  in  your  class?  

 

  b)   c)  

What  does  the  y-­‐intercept  of  the  Least-­‐Squares  line  tell  you?  

Go  back  to  the  Graph  menu  and  select  “Lock  Intercept  At  Zero”.    What  is  the  new  value   for  the  slope  of  the  Least-­‐Squares  line?    (Compare  this  to  your  answer  in  Q2c)  

Q4:   Leonardo  da  Vinci  was  interested  in  describing  “ideal”  proportions  for  a  human  figure,  rather   than  giving  an  empirical  description  of  what  people  actually  look  like.    Nonetheless  it  may  be   interesting  to  consider  the  relationship  between  an  “ideal”  and  what  we  observe  in  reality.  

 

In  our  next  two  activities,  we  will  use  a  much  larger  collection  of  body  measurements,  taken   from  3982  male  and  female  members  of  the  United  States  Army  in  the  late  1980’s.    Before  we   do  this,  consider  the  following  questions:   a) Leonardo  da  Vinci  provided  the  ratios  described  above  as  a  guide  to  painters  and  sculptors  who   wanted  to  represent  the  human  figure.    Are  we,  in  modern  times,  offered  any  ideals  of  how   people  should  look?    Where  do  we  find  some  of  these?    What  is  their  purpose?

  b) Would  you  expect  an  “ideal”  of  human  appearance  to  be  the  same  as  what  is  “typical”?    Why  or   why  not?

  c) Do  you  think  that  the  average  value(s)  for  the  students  in  your  class  will  be  the  same  as  the   average  value  for  the  people  in  the  US  Army  study?    Why  or  why  not?

  d) Do  you  think  that  the  average  value(s)  for  the  3982  people  in  the  study  will  be  close  to  Leonardo   da  Vinci’s  ideal?    Why  or  why  not?  

Page  |  7  

Institute  for  Advanced  Study/Park  City  Mathematics  Institute                                                                                          Summer  2009  

Secondary  School  Teachers  Program/Reasoning  with  Data  and  Chance  

 

DAY  TWO  INSTRUCTIONS  

1.)   Open  the  Fathom  file  titled  ANSUR  Average  Value  (See  Figures  1a  and  1b).    

Page  |  8  

 

QUESTIONS  

Q1:     a)   What  is  the  slope  of  the  Least  Squares  line  relating  arm-­‐span  to  height  in  the   sample  from  the  ANSUR  study?    What  is  the  percentage  difference  from  da  Vinci’s   ideal  value  of  one?   b)   In  the  next  step  you  will  create  a  summary  table  and  find  the  average  ratio   of  arm  span  to  height  for  the  individuals  in  this  collection.    Do  you  predict  that  this  

  value  will  be  greater  or  less  than  the  slope  of  the  Least-­‐Squares  line?    Why?  

Hint:  Is  the   intercept  of  the  

Least-­‐Squares  line   negative  or   positive?  

2.)   Drag  a  Summary  Table  from  the  shelf  (See  Figure  2,  Step  One)  and  drag  the  attribute  SPAN_HT   to  the  table  (Figure  2,  Step  Two)  –  open  the  Inspector  by  double  clicking  the  Collection  first.  

 

Institute  for  Advanced  Study/Park  City  Mathematics  Institute                                                                                          Summer  2009  

Secondary  School  Teachers  Program/Reasoning  with  Data  and  Chance  

 

3.)   Go  to  the  Summary  menu  and  choose  “Add  Formula”  (See  Figure  3a).    Enter  the  formula  

“percentile(95,SPAN_HT)”  in  the  formula  editor.    This  will  tell  you  the  value  of  SPAN_HT  for  which  95%   of  the  cases  in  the  Collection  have  a  smaller  value  of  the  attribute  (i.e.  Your  value  for  S2  should  be  1.082,   so  if  the  ratio  of  your  armspan  to  your  height  is  1.082  then  95%  of  the  people  in  the  collection  have  a   smaller  armspan  than  you   relative  to  their  height .)  

Page  |  9  

CHECK  FOR  UNDERSTANDING:     What  percentage  of  the  individuals  in  this  collection  have  an  arm-­‐span   to  height  ratio  less  than  1.082?  

4.)   Drag  a  graph  from  the  shelf  and  place  the  attribute  “SPAN_HT”  on  the  horizontal  axis.    This  will   give  you  a  Dot  Plot  of  the  collection  in  which  each  dot  represents  one  individual.  

QUESTIONS  

Q2:   a)   Look  at  the  Dot  Plot  that  you  just  made  for  SPAN_HT.    Approximately  where  on  the   horizontal  axis  does  the  center  of  the  Dot  Plot  appear  to  be  located?    Is  this  about  the  same  as  the   average  that  you  found  for  your  class,  or  is  it  quite  different?

  b)   Notice  that,  when  you  pass  the  cursor  over  a  point  on  the  Dot  Plot,  the  

SUBJECT_NUMBER  and  value  of  SPAN_HT  appear  in  the  bottom  left  corner  of  the  screen  (See  Figure  8).    

Try  to  find  a  point  representing  an  individual  with  an  arm  span  to  height  ratio  of  exactly  one  (there  are   eighteen  such  individuals),  and  describe  its  horizontal  location  in  the  Dot  Plot  (e.g.  is  it  in  the  middle?    in   the  right  or  left  tail?  somewhere  in  between?)   c)   Try  to  find  an  individual  with  a  ratio  close  to  your  own,  and  describe  that  individual’s   horizontal  location  in  the  Dot  Plot.   d)   Try  to  find  an  individual  with  a  ratio  close  to  1.096  (the  slope  of  the  Least-­‐Squares  line  in   that  you  looked  at  in   Q1 ),  and  describe  that  individual’s  horizontal  location  in  the  Dot  Plot.  

Institute  for  Advanced  Study/Park  City  Mathematics  Institute                                                                                          Summer  2009  

Secondary  School  Teachers  Program/Reasoning  with  Data  and  Chance  

 

 

 

5.)  

 

Now  we  will  use  a  slider  to  explore  how  the  ratio  of  arm-­‐span  to  height  is  distributed  in  the   collection.  

Drag  a  slider  from  the  shelf  (See  Figure  5,  Step  One)  –  we  are  going  to  use  this  to  control  the  percentile   reported  in  the  summary  table,  so  double-­‐click  the  scale  on  the  slider  (See  Figure  5,  Step  Two)  and   change  the  Lower_bound  to  0  and  the  Upper_bound  to  100.      

Page  |  10  

 

 

 

Rename  the  Slider  variable  “SPAN_HT_PCT”  (See  Figure  6  –  you  can  type  the  new  name  in  the  Slider   box,  or  in  the  Inspector.)      

Institute  for  Advanced  Study/Park  City  Mathematics  Institute                                                                                          Summer  2009  

Secondary  School  Teachers  Program/Reasoning  with  Data  and  Chance  

 

 

The  50 th  percentile   has  a  special  name  –   what  is  it?  

 

Then  go  back  to  the  second  formula  in  the  Summary  Table  and  replace  the  number  “95”  with  the  name   of  the  Slider  variable  “SPAN_HT_PCT”  (See  Figure  7).    Add  a  third  formula  in  the  Summary  Table  to   report  the  value  of  the  Slider  variable  –  click  on  “Add  Formula”  in  the  Summary  Table  and  enter  the   name  of  the  Slider  variable  for  S3.    When  you  finish  your  Summary  Table  and  Slider  should  look  like  

Figure  8.  

Page  |  11  

 

 

 

 

 

 

Institute  for  Advanced  Study/Park  City  Mathematics  Institute                                                                                          Summer  2009  

Secondary  School  Teachers  Program/Reasoning  with  Data  and  Chance  

 

 

QUESTIONS  

Q3   a)   b)  

Adjust  the  slider  to  find  the  50 th  percentile  of  the  collection.    What  is  it?

   

A djust  the  slider  until  you  find  the  percentile  at  which  the  ratio  of  arm   span  to  height  is  exactly  one.    What  percentage  of  the  individuals  in  the  

The  50 th  percentile   has  a  special  name  –   what  is  it?   collection  have  a  ratio  less  than  one?    What  percentage  have  a  ratio  greater   than  one?   c)   Adjust  the  slider  until  you  find  the  percentile  at  which  the  ratio  of  arm   span  to  height  is  approximately  1.096  (the  slope  of  the  Least-­‐Square  line).    What  percentage  of  

Page  |  12   the  individuals  have  a  ratio  less  than  1.096?    What  percentage  have  a  ratio  greater  than  1.096?   d)   What  is  the  percentile  of  the  ratio  of  your  own  arm  span  to  height?   e)   Would  it  make  sense  to  find  the  percentile  of  your  class  average  in  this  group?    Why  or   why  not?  

 

Q4   If  you  wanted  to  answer  the  question  “What  is  the  typical  relationship  between  a  person’s   armspan  and  a  person’s  height?”    how  could  you  use  the  numbers  here  to  answer  the  question?    Are   there  any  other  statistics  that  you  might  want  to  calculate?    Is  there  any  other  information  from  the   collection  that  you  might  want  to  look  at?  [HINT:  Try  dragging  the  attribute  “GENDER”  to  the  y-­‐axis  of   your  dotplot]    You  can  also  use  formulas  such  as  “mean(SPAN_HT,GENDER=”male”)”  to  calculate   statistics  for  a  subset  of  the  collection.  

Q5   If  we  define  the  “typical  range”  of  measurements  for  a  physical  attribute  as  the  range  such  that   no  more  than  2.5%  of  individuals  will  be  below  that  value,  and  no  more  than  2.5%  of  individuals  will  be   above  that  value,  what  would  the  typical  range  of  values  for  the  ratio  of  arm  span  to  height?  

EXTENSION  QUESTIONS  

Q6   In  the  collection  there  are  four  more  ratios  for  which  da  Vinci  prescribed  ideal  values.    Copy  the   collection  into  a  new  Fathom  file  and  repeat  the  steps  above  for  the  other  three  ratios.  

 

 

Q7   It  can  be  difficult  to  determine  exact  body  measurements  from  photographs,  but  it  is  relatively   easy  to  determine  the   ratios  of  body  measurements.    Use  magazine  and  newspaper  pictures  to  take  one   or  more  samples  of  individuals  from  groups  that  one  might  expect  to  have  ratios  different  from  the   average,  for  example  professional  athletes  or  fashion  models.    Find  the  percentiles  for  these  individuals.  

 

Institute  for  Advanced  Study/Park  City  Mathematics  Institute                                                                                          Summer  2009  

Secondary  School  Teachers  Program/Reasoning  with  Data  and  Chance  

Download