Introducción a la estadística: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 12 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Estadística descriptiva

Media
x̄ = Σx/n
Desviación típica muestral
s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))
Mediana
valor central de los datos ordenados
Puntuación z
z = (x − μ)/σ
Distribución normal
68% dentro de ±1σ, 95% dentro de ±2σ

Probabilidad

Complementario
P(not A) = 1 − P(A)
Regla de la suma
P(A ∪ B) = P(A) + P(B) − P(A ∩ B)
Sucesos independientes
P(A ∩ B) = P(A)·P(B)
Probabilidad condicionada
P(A|B) = P(A ∩ B)/P(B)
Binomial
P(X = k) = C(n,k)·pk(1 − p)n−k

Distribución normal

Puntuación z
z = (x − μ)/σ
Por debajo de x
P(X < x) = Φ(z)
Por encima de x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
Entre dos valores
Φ(z2) − Φ(z1)
Percentil
x = μ + z·σ

Método

  1. Convierte el valor en una puntuación z: z = (x − μ)/σ.
  2. Busca Φ(z), el área a la izquierda de z.
  3. Para el área a la derecha usa 1 − Φ(z); para un intervalo resta las dos áreas a la izquierda.
  4. Para un percentil, trabaja al revés: halla z para el área y luego x = μ + z·σ.

Intervalos de confianza

σ conocida
x̄ ± z·σ/√n
σ desconocida
x̄ ± t·s/√n, df = n − 1
z crítico
90%: 1,645, 95%: 1,96, 99%: 2,576
Tamaño muestral
n = (z·σ/E)², rounded up

Método

  1. Decide entre z (σ poblacional conocida) y t (solo la s muestral, con n − 1 grados de libertad).
  2. Halla el valor crítico para el nivel de confianza.
  3. Margen de error: E = valor crítico × desviación típica/√n.
  4. Intervalo: x̄ ± E.

Contrastes de hipótesis e intervalos de confianza

Contraste z para una media
z = (x̄ − μ0)/(σ/√n)
Contraste t para una media
t = (x̄ − μ0)/(s/√n), df = n − 1
Bilateral al 5%
rechaza H0 si |z| > 1,96
Intervalo de confianza
x̄ ± z·σ/√n

Método

  1. Enuncia H₀ y H₁ y decide si el contraste es unilateral o bilateral.
  2. Calcula el estadístico de contraste: (x̄ − μ₀)/(σ/√n), o con s y t.
  3. Compáralo con el valor crítico o halla el p-valor.
  4. Rechaza H₀ si el estadístico supera el valor crítico (p menor que α) y expresa la conclusión con palabras.

Regresión lineal y correlación

Sumas de cuadrados
Sxx = Σ(x − x̄)² = Σx² − (Σx)²/n, Sxy = Σxy − ΣxΣy/n
Pendiente
b = Sxy/Sxx
Ordenada en el origen
a = ȳ − b·x̄
Correlación
r = Sxy/√(SxxSyy)
Residuo
e = y − ŷ

2Problemas de práctica

1.Estadística descriptivaMedia
1520253035404550

Calcula la desviación típica muestral s de los datos: 50, 15, 20, 24, 49.

n = 5
s =
2.Estadística descriptivaDifícil
z −2−1012

Las notas de un examen siguen una distribución normal con media 60 y desviación típica 8. Calcula la puntuación z z de una nota de 64,8.

μ = 60σ = 8x = 64,8
z =
3.ProbabilidadMedia
xp(x)00,2510,0520,130,2540,35μ = 2,4

Para la distribución mostrada, halla la varianza Var(X) de X.

x: 0, 1, 2, 3, 4p(x): 0,25, 0,05, 0,1, 0,25, 0,35
Var(X) =
4.ProbabilidadDifícil
n = 11, p = 0,4: P(X = 4) = ?k01234567891011

Un examen tiene 11 preguntas de opción múltiple. Una estudiante que contesta al azar acierta cada una con probabilidad 0,4, de forma independiente. ¿Cuál es la probabilidad P de acertar exactamente 4?

n = 11p = 0,4k = 4
P =
5.Distribución normalMedia
−3−2−10123zárea sombreada entre −z y z = 0,6319

Arrastra z para que el área sombreada entre −z y z bajo la curva normal estándar sea 0,6319. Halla z con dos decimales.

A = 0,6319
z =
6.Distribución normalDifícil
10 cm0X − Y?

Las alturas X de los hombres e Y de las mujeres de un grupo son independientes y normales: X tiene media 180 cm y desviación típica 10 cm, Y tiene media 170 cm y desviación típica 12 cm. Halla la probabilidad P de que X sea mayor que Y. Redondea z a dos decimales.

μX = 180 cm, σX = 10 cmμY = 170 cm, σY = 12 cm
P =
7.Intervalos de confianzaMedia
n = 8, sd​ = 2,60LUd̄ = −6,5E = ?99%

Se mide la tensión arterial de 8 pacientes antes y después de un tratamiento. Las diferencias d = antes − después (mmHg) tienen media −6,5 y desviación típica 2,6. Halla el margen de error E del intervalo de confianza del 99 % para la diferencia media.

n = 8d̄ = −6,5sd = 2,699%t(7) = 3,499
E = mmHg
8.Intervalos de confianzaDifícil
σ = 34, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 299%

La desviación típica poblacional es 34. ¿Qué tamaño muestral n necesitas para que un intervalo de confianza del 99 % para la media tenga un margen de error de como máximo 2?

σ = 34E = 299%
n =
9.Contrastes de hipótesis e intervalos de confianzaMedia
−2,1312,131t = ?df = 15

Se comparan dos métodos de enseñanza. Grupo 1: 9 estudiantes, nota media 116,5, desviación típica 4,5. Grupo 2: 8 estudiantes, nota media 121,6, desviación típica 5,5. Supón varianzas poblacionales iguales y usa el contraste t de dos muestras con varianza combinada. Halla el estadístico de contraste t para H₀: μ₁ = μ₂, tomando la diferencia como x̄₁ − x̄₂ (grupo 1 menos grupo 2).

n₁ = 9x̄₁ = 116,5s₁ = 4,5n₂ = 8x̄₂ = 121,6s₂ = 5,5
t =
10.Contrastes de hipótesis e intervalos de confianzaDifícil
μ₀x̄c

Se hace un contraste z unilateral de H₀: μ = 50 frente a H₁: μ < 50 con α = 0.05 y una muestra de 64; se sabe que la desviación típica es 20. En realidad la media es 42. Halla la potencia 1 − β del contraste en porcentaje.

μ₀ = 50μ = 42σ = 20n = 64α = 0,05
1 − β = %
11.Regresión lineal y correlaciónMedia
xy149246356463559666xy2465060

La tabla da 6 observaciones emparejadas de x = horas de estudio e y = nota del examen. Se dan sus sumas. Halla el coeficiente de correlación de Pearson r a partir de estas sumas.

n = 6Σx = 21Σy = 339Σx² = 91Σy² = 19459Σxy = 1252
r =
12.Regresión lineal y correlaciónDifícil
xy284961481510161219xy510101520x = 7

La tabla da 6 observaciones emparejadas de x = carga en kN e y = alargamiento en mm. Usa la recta de mínimos cuadrados ŷ = a + b·x. Se hace una nueva observación (7, 9). Halla su residuo e = y − ŷ.

n = 6(7, 9)
e =

3Disoluciones

1.Estadística descriptiva

Respuesta: s = 16,65

Estadística descriptiva: la media es la suma dividida entre n; la mediana es el valor central de los datos ordenados (la media de los dos centrales si n es par). La desviación típica muestral es s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)). Una puntuación z = (x − μ)/σ indica a cuántas desviaciones típicas está un valor de la media.

Media

x̄ = 158/5 = 31,6

Desviaciones al cuadrado

Σ(x − x̄)² = 18,4² + (−16,6)² + (−11,6)² + (−7,6)² + 17,4² = 1109

Desviación típica

s = √(1109/4) = 16,65

Respuesta

s = 16,65
2.Estadística descriptiva

Respuesta: z = 0,6

Estadística descriptiva: la media es la suma dividida entre n; la mediana es el valor central de los datos ordenados (la media de los dos centrales si n es par). La desviación típica muestral es s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)). Una puntuación z = (x − μ)/σ indica a cuántas desviaciones típicas está un valor de la media.

Tipificar

z = (64,8 − 60)/8 = 0,6

Respuesta

z = 0,6
3.Probabilidad

Respuesta: Var(X) = 2,54

Variables aleatorias discretas: una distribución de probabilidad enumera cada valor x que puede tomar una variable con su probabilidad p(x); las probabilidades están entre 0 y 1 y suman 1. El valor esperado (media) es E(X) = Σx·p(x), el promedio a largo plazo. La varianza es Var(X) = Σ(x − μ)²·p(x) = E(X²) − μ², y la desviación típica es σ = √Var(X). Para un cambio lineal Y = aX + b: E(Y) = a·E(X) + b, Var(Y) = a²·Var(X) y σY = |a|·σX; sumar una constante no cambia la dispersión.

Media

μ = 0·0,25 + 1·0,05 + 2·0,1 + 3·0,25 + 4·0,35 = 2,4

Media de los cuadrados

E(X²) = 0·0,25 + 1·0,05 + 4·0,1 + 9·0,25 + 16·0,35 = 8,3

Varianza

Var(X) = 8,3 − 2,4² = 2,54

Respuesta

Var(X) = 2,54
4.Probabilidad

Respuesta: P = 0,2365

Probabilidad: con resultados equiprobables, P(A) = favorables/totales. Para sucesos independientes se multiplica: P(A y B) = P(A)·P(B). El complementario suele ayudar: P(al menos uno) = 1 − P(ninguno). Binomial: en n ensayos independientes con probabilidad de éxito p, P(X = k) = C(n, k)·pᵏ·(1 − p)ⁿ⁻ᵏ.

Fórmula binomial

P(X = 4) = 330·0,44·0,67 = 330·0,0256·0,02799 = 0,2365

Respuesta

P = 0,2365
5.Distribución normal

Respuesta: z = 0,9

De un área de vuelta a z: Φ(z) es el área a la izquierda de z. Para un área A en la cola izquierda, busca en la tabla la z con Φ(z) = A. Un área A en la cola derecha significa Φ(z) = 1 − A. Un área central A entre −z y z deja (1 − A)/2 en cada cola, así que Φ(z) = (1 + A)/2. Para un valor x, usa x = μ + zσ.

Área a la izquierda de z

Φ(z) = (1 + 0,6319)/2 = 0,8159

Lee la tabla de z al revés

Busca 0,8159 dentro de la tabla y lee z.

z = 0,90

Respuesta

z = 0,90
6.Distribución normal

Respuesta: P = 0,7389

Sumas y diferencias de variables normales: si X e Y son independientes y normales, X + Y y X − Y también son normales. Las medias se suman o se restan: E(X ± Y) = μX ± μY. Las varianzas siempre se suman, también en una diferencia: Var(X ± Y) = σX² + σY², así que σ = √(σX² + σY²). Las desviaciones típicas nunca se suman directamente. El total de n elementos independientes con la misma distribución tiene media n·μ y desviación típica σ·√n. Después estandariza como de costumbre: z = (x − media)/σ y lee Φ(z).

Distribución de la diferencia

μ = 180 − 170 = 10 cm, σ = 15,62 cm

Tipificar

z = (0 − 10)/15,62 = −0,64

Probabilidad

P = 1 − Φ(−0,64) = 0,7389

Respuesta

P = 0,7389
7.Intervalos de confianza

Respuesta: E = 3,216 mmHg

Interval for a difference: estimate ± critical value × standard error. For two independent means with known σ: SE = √(σ₁²/n₁ + σ₂²/n₂) and z. With equal unknown variances: pooled s_p and t with n₁ + n₂ − 2 degrees of freedom. For paired data, work with the differences: d̄ ± t·s_d/√n.

Valor crítico

df = 7, t = 3,499

Margen de error

E = 3,499·2,6/√8 = 3,216

Respuesta

E = 3,216 mmHg
8.Intervalos de confianza

Respuesta: n = 1918

Intervalo de confianza para la media: x̄ ± margen de error. Con σ poblacional conocida, el margen es z·σ/√n; si solo se tiene la desviación típica muestral s, usa t con n − 1 grados de libertad: t·s/√n. Valores críticos: z = 1,645 (90 %), 1,96 (95 %), 2,576 (99 %). Para conseguir un margen E o menor, necesitas n ≥ (z·σ/E)², redondeado hacia arriba.

Despejar n

n = (2,576·34/2)² = 1918

Redondear hacia arriba

El tamaño muestral es un número entero, y redondear hacia abajo haría el margen demasiado grande.

n = 1918

Respuesta

n = 1918
9.Contrastes de hipótesis e intervalos de confianza

Respuesta: t = −2,103

Hypothesis test: the test statistic = (estimate − value under H₀)/(standard error under H₀). The p-value is the probability, assuming H₀ is true, of a statistic at least as extreme as the one observed: the area in one tail for a one-sided H₁, twice the tail area for a two-sided H₁. Reject H₀ when p ≤ α.

Varianza combinada

sp² = (8·4,5² + 7·5,5²)/15 = 24,92
sp = 4,992

Error típico

SE = 4,992·√(1/9 + 1/8) = 2,426

Estadístico de contraste

t = (116,5 − 121,6)/2,426 = −2,103

Respuesta

t = −2,103

Con gl = 15, el valor crítico bilateral al 5 % es 2,131; |t| es menor, así que no se rechaza H₀.

10.Contrastes de hipótesis e intervalos de confianza

Respuesta: 1 − β = 94 %

Potencia de un contraste: potencia = 1 − β es la probabilidad de rechazar H₀ cuando es falsa. Halla el valor de corte x̄c a partir de μ₀ y z_α y después calcula la probabilidad de caer más allá de x̄c usando la media verdadera: z = (x̄c − μ)/(σ/√n).

Media muestral crítica

SE = 20/√64 = 2,5
x̄c = 50 − 1,645·2,5 = 45,89

z con la media verdadera

z = (45,89 − 42)/2,5 = 1,555

Potencia

potencia = P(Z < 1.555) = 94%
1 − β = 94%

Respuesta

1 − β = 94%
11.Regresión lineal y correlación

Respuesta: r = 0,8958

Regresión por mínimos cuadrados: con x̄ e ȳ las medias, Sxx = Σ(x − x̄)², Syy = Σ(y − ȳ)² y Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ), la recta ŷ = a + b·x tiene pendiente b = Sxy/Sxx y ordenada en el origen a = ȳ − b·x̄, así que siempre pasa por (x̄, ȳ). El coeficiente de correlación de Pearson r = Sxy/√(Sxx·Syy) está entre −1 y 1; r² es la fracción de la variación de y explicada por la recta.

Sumas centradas

Sxy = 1252 − 21·339/6 = 65,5
Sxx = 91 − 21²/6 = 17,5
Syy = 19459 − 339²/6 = 305,5

Coeficiente de correlación

r = 65,5/√(17,5·305,5) = 0,8958

Respuesta

r = 0,8958
12.Regresión lineal y correlación

Respuesta: e = −4,5

Regresión por mínimos cuadrados: con x̄ e ȳ las medias, Sxx = Σ(x − x̄)², Syy = Σ(y − ȳ)² y Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ), la recta ŷ = a + b·x tiene pendiente b = Sxy/Sxx y ordenada en el origen a = ȳ − b·x̄, así que siempre pasa por (x̄, ȳ). El coeficiente de correlación de Pearson r = Sxy/√(Sxx·Syy) está entre −1 y 1; r² es la fracción de la variación de y explicada por la recta.

Medias

x̄ = 42/6 = 7
ȳ = 81/6 = 13,5

Sumas de cuadrados y de productos

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 77

Recta de regresión

b = 77/70 = 1,1
a = 13,5 − 1,1·7 = 5,8
ŷ = 5,8 + 1,1·x

Valor predicho

ŷ = 5,8 + 1,1·7 = 13,5

Residuo

e = 9 − 13,5 = −4,5

Respuesta

e = −4,5

El punto está por debajo de la recta.

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