Introduction à la statistique : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 12 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Statistique descriptive

Moyenne
x̄ = Σx/n
Écart-type d’échantillon
s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))
Médiane
valeur du milieu des données triées
Score z
z = (x − μ)/σ
Loi normale
68% dans ±1σ, 95% dans ±2σ

Probabilités

Complémentaire
P(not A) = 1 − P(A)
Formule d’addition
P(A ∪ B) = P(A) + P(B) − P(A ∩ B)
Événements indépendants
P(A ∩ B) = P(A)·P(B)
Probabilité conditionnelle
P(A|B) = P(A ∩ B)/P(B)
Loi binomiale
P(X = k) = C(n,k)·pk(1 − p)n−k

Loi normale

Score z
z = (x − μ)/σ
En dessous de x
P(X < x) = Φ(z)
Au-dessus de x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
Entre deux valeurs
Φ(z2) − Φ(z1)
Centile
x = μ + z·σ

Méthode

  1. Convertissez la valeur en score z : z = (x − μ)/σ.
  2. Lisez Φ(z), l’aire à gauche de z.
  3. Pour l’aire à droite, utilisez 1 − Φ(z) ; pour un intervalle, soustrayez les deux aires à gauche.
  4. Pour un centile, procédez à l’envers : trouvez z pour l’aire, puis x = μ + z·σ.

Intervalles de confiance

σ connu
x̄ ± z·σ/√n
σ inconnu
x̄ ± t·s/√n, df = n − 1
z critique
90%: 1,645, 95%: 1,96, 99%: 2,576
Taille d’échantillon
n = (z·σ/E)², rounded up

Méthode

  1. Choisissez entre z (σ de la population connu) et t (seulement l’écart type s de l’échantillon, avec n − 1 degrés de liberté).
  2. Trouvez la valeur critique pour le niveau de confiance.
  3. Marge d’erreur : E = valeur critique × écart type/√n.
  4. Intervalle : x̄ ± E.

Tests d'hypothèse et intervalles de confiance

Test z pour une moyenne
z = (x̄ − μ0)/(σ/√n)
Test t pour une moyenne
t = (x̄ − μ0)/(s/√n), df = n − 1
Bilatéral à 5%
rejeter H0 si |z| > 1,96
Intervalle de confiance
x̄ ± z·σ/√n

Méthode

  1. Énoncez H₀ et H₁ et déterminez si le test est unilatéral ou bilatéral.
  2. Calculez la statistique de test : (x̄ − μ₀)/(σ/√n), ou avec s et t.
  3. Comparez avec la valeur critique ou trouvez la valeur p.
  4. Rejetez H₀ si la statistique dépasse la valeur critique (p inférieure à α), et énoncez la conclusion en mots.

Régression linéaire et corrélation

Sommes des carrés
Sxx = Σ(x − x̄)² = Σx² − (Σx)²/n, Sxy = Σxy − ΣxΣy/n
Pente
b = Sxy/Sxx
Ordonnée à l’origine
a = ȳ − b·x̄
Corrélation
r = Sxy/√(SxxSyy)
Résidu
e = y − ŷ

2Exercices

1.Statistique descriptiveMoyen
2025303540455055

Trouve l'écart-type d'échantillon s des données : 43, 52, 56, 16, 27.

n = 5
s =
2.Statistique descriptiveDifficile
z −2−1012

Une grandeur suit une loi normale de moyenne 100 et d'écart-type 5. Quelle proportion P des valeurs est inférieure à 105 ?

μ = 100σ = 5x = 105
P =
3.ProbabilitésMoyen
n = 11k = 3N = ?

De combien de façons N peut-on choisir un comité de 3 personnes parmi un groupe de 11 ? L'ordre ne compte pas.

n = 11k = 3
N =
4.ProbabilitésDifficile
n = 6, p = 0,1: P(X = 1) = ?k0123456

Un test comporte 6 QCM. Une étudiante qui répond au hasard a chaque réponse juste avec une probabilité 0,1, indépendamment. Quelle est la probabilité P d'avoir exactement 1 bonnes réponses ?

n = 6p = 0,1k = 1
P =
5.Loi normaleMoyen
167,15188,5P = ?

On suppose que les tailles des hommes adultes suivent une loi normale de moyenne 178 cm et d’écart-type 7 cm. Quelle proportion se situe entre 167,15 et 188,5 cm ? Donnez P sous forme décimale.

μ = 178σ = 7x1 = 167,15x2 = 188,5
P =
6.Loi normaleDifficile
0,05 mm0D − d?

Les diamètres D des alésages sont normaux de moyenne 25,05 mm et d’écart-type 0,015 mm. Les diamètres d des arbres sont indépendants et normaux de moyenne 25 mm et d’écart-type 0,015 mm. Un arbre choisi au hasard s’ajuste lorsque D − d > 0. Trouvez la probabilité P qu’il s’ajuste. Arrondissez z à deux décimales.

alésage: μ = 25,05 mm, σ = 0,015 mmarbre: μ = 25 mm, σ = 0,015 mm
P =
7.Intervalles de confianceMoyen
n = 20, s = 4LUx̄ = 76E = ?99%

Un échantillon de 20 éléments a une moyenne de 76 et un écart-type s = 4. La population est approximativement normale. Trouvez la marge d’erreur E d’un intervalle de confiance à 99 % pour la moyenne.

n = 20x̄ = 76s = 499%t(19) = 2,861
E =
8.Intervalles de confianceDifficile
σ = 26, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 595%

L’écart-type de la population est 26. Quelle taille d’échantillon n faut-il pour qu’un intervalle de confiance à 95 % pour la moyenne ait une marge d’erreur d’au plus 5 ?

σ = 26E = 595%
n =
9.Tests d'hypothèse et intervalles de confianceMoyen
t −2,0302,03

Un échantillon de 36 étudiants a une note moyenne de 192,3 et un écart-type d'échantillon de 15. Calcule la statistique de test t pour H₀ : μ = 200.

μ₀ = 200x̄ = 192,3s = 15n = 36
t =
10.Tests d'hypothèse et intervalles de confianceDifficile
μ₀x̄c

Un test z unilatéral de H₀ : μ = 100 contre H₁ : μ > 100 est réalisé au seuil α = 0,10 avec un échantillon de 100 ; l’écart-type est connu et vaut 15. En réalité, la moyenne vaut 102,25. Trouvez la puissance 1 − β du test en pourcentage.

μ₀ = 100μ = 102,25σ = 15n = 100α = 0,10
1 − β = %
11.Régression linéaire et corrélationMoyen
xy264761181510211223xy5101020

Le tableau donne 6 observations appariées de x = charge en kN et y = allongement en mm. Leurs sommes sont données. Trouvez le coefficient de corrélation de Pearson r à partir de ces sommes.

n = 6Σx = 42Σy = 83Σx² = 364Σy² = 1401Σxy = 712
r =
12.Régression linéaire et corrélationDifficile
xy264136178241032xy510102030x = 3

Le tableau donne 5 observations appariées de x = charge en kN et y = allongement en mm. Utilisez la droite des moindres carrés ŷ = a + b·x. Prédisez ŷ pour x = 3.

n = 5x = 3
ŷ =

3Solutions

1.Statistique descriptive

Réponse: s = 16,93

Statistique descriptive : la moyenne est la somme divisée par n ; la médiane est la valeur du milieu des données triées (la moyenne des deux valeurs du milieu si n est pair). L'écart-type d'échantillon est s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)). Un score z = (x − μ)/σ indique à combien d'écarts-types une valeur se trouve de la moyenne.

Moyenne

x̄ = 194/5 = 38,8

Écarts au carré

Σ(x − x̄)² = 4,2² + 13,2² + 17,2² + (−22,8)² + (−11,8)² = 1147

Écart-type

s = √(1147/4) = 16,93

Réponse

s = 16,93
2.Statistique descriptive

Réponse: P = 0,8413

Statistique descriptive : la moyenne est la somme divisée par n ; la médiane est la valeur du milieu des données triées (la moyenne des deux valeurs du milieu si n est pair). L'écart-type d'échantillon est s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)). Un score z = (x − μ)/σ indique à combien d'écarts-types une valeur se trouve de la moyenne.

Centrer-réduire

z = 1

Table de la loi normale

Φ(1) = 0,8413
P = 0,8413

Réponse

P = 0,8413
3.Probabilités

Réponse: N = 165

Probabilités : avec des issues équiprobables, P(A) = cas favorables/cas possibles. Pour des événements indépendants, on multiplie : P(A et B) = P(A)·P(B). Le complémentaire aide souvent : P(au moins un) = 1 − P(aucun). Loi binomiale : pour n épreuves indépendantes de probabilité de succès p, P(X = k) = C(n, k)·pᵏ·(1 − p)ⁿ⁻ᵏ.

Combinaisons

C(11, 3) = (11·10·9)/(3·2·1) = 165

Réponse

N = 165
4.Probabilités

Réponse: P = 0,3543

Probabilités : avec des issues équiprobables, P(A) = cas favorables/cas possibles. Pour des événements indépendants, on multiplie : P(A et B) = P(A)·P(B). Le complémentaire aide souvent : P(au moins un) = 1 − P(aucun). Loi binomiale : pour n épreuves indépendantes de probabilité de succès p, P(X = k) = C(n, k)·pᵏ·(1 − p)ⁿ⁻ᵏ.

Formule binomiale

P(X = 1) = 6·0,11·0,95 = 6·0,1·0,5905 = 0,3543

Réponse

P = 0,3543
5.Loi normale

Réponse: P = 0,8726

Loi normale : transformez une valeur x en score z, z = (x − μ)/σ, qui compte le nombre d’écarts-types par rapport à la moyenne. Une table de z (ou Φ(z)) donne l’aire à gauche de z, c’est-à-dire P(X < x). L’aire à droite vaut 1 − Φ(z), et l’aire entre deux valeurs est la différence de leurs deux aires.

Scores z

z₁ = (167,15 − 178)/7 = −1,55
z₂ = (188,5 − 178)/7 = 1,5

Aire entre les deux valeurs

P = Φ(1,5) − Φ(−1,55) = 0,9332 − 0,06057 = 0,8726

Réponse

P = 0,8726
6.Loi normale

Réponse: P = 0,9909

Sommes et différences de variables normales : si X et Y sont indépendantes et normales, X + Y et X − Y sont aussi normales. Les moyennes s’additionnent ou se soustraient : E(X ± Y) = μX ± μY. Les variances s’additionnent toujours, même pour une différence : Var(X ± Y) = σX² + σY², donc σ = √(σX² + σY²). Les écarts-types ne s’additionnent jamais directement. Le total de n éléments indépendants de même loi a pour moyenne n·μ et pour écart-type σ·√n. Centrez et réduisez ensuite comme d’habitude : z = (x − moyenne)/σ et lisez Φ(z).

Loi de la différence

μ = 25,05 − 25 = 0,05 mm, σ = 0,02121 mm

Centrer-réduire

z = (0 − 0,05)/0,02121 = −2,36

Probabilités

P = 1 − Φ(−2,36) = 0,9909

Réponse

P = 0,9909
7.Intervalles de confiance

Réponse: E = 2,559

Intervalle de confiance pour une moyenne : x̄ ± marge d’erreur. Si l’écart-type σ de la population est connu, la marge vaut z·σ/√n ; si l’on ne dispose que de l’écart-type de l’échantillon s, utilisez t à n − 1 degrés de liberté : t·s/√n. Valeurs critiques : z = 1,645 (90 %), 1,96 (95 %), 2,576 (99 %). Pour obtenir une marge E ou moins, il faut n ≥ (z·σ/E)², arrondi à l’entier supérieur.

Valeur critique

df = n − 1 = 19, t = 2,861

Marge d'erreur

E = 2,861·4/√20 = 2,559

Réponse

E = 2,559
8.Intervalles de confiance

Réponse: n = 104

Intervalle de confiance pour une moyenne : x̄ ± marge d’erreur. Si l’écart-type σ de la population est connu, la marge vaut z·σ/√n ; si l’on ne dispose que de l’écart-type de l’échantillon s, utilisez t à n − 1 degrés de liberté : t·s/√n. Valeurs critiques : z = 1,645 (90 %), 1,96 (95 %), 2,576 (99 %). Pour obtenir une marge E ou moins, il faut n ≥ (z·σ/E)², arrondi à l’entier supérieur.

Résoudre pour n

n = (1,96·26/5)² = 103,9

Arrondir vers le haut

Une taille d’échantillon est un nombre entier, et arrondir vers le bas rendrait la marge trop grande.

n = 104

Réponse

n = 104
9.Tests d'hypothèse et intervalles de confiance

Réponse: t = −3,08

Test sur une moyenne : la statistique de test mesure à combien d'erreurs types la moyenne de l'échantillon se trouve de la valeur affirmée dans H₀ : z = (x̄ − μ₀)/(σ/√n) quand σ est connu, t = (x̄ − μ₀)/(s/√n) quand il est estimé sur l'échantillon. Un intervalle de confiance vaut x̄ ± (valeur critique)·(erreur type).

Erreur type

SE = 15/√36 = 15/6 = 2,5

Statistique de test

t = (192,3 − 200)/2,5 = −3,08

Réponse

t = −3,08
t0,025; df = 35 = 2,03

|t| > 2,03, donc H₀ est rejetée au seuil de 5 % (bilatéral).

10.Tests d'hypothèse et intervalles de confiance

Réponse: 1 − β = 58,63 %

Puissance d’un test : la puissance 1 − β est la probabilité de rejeter H₀ quand elle est fausse. Trouvez le seuil x̄c à partir de μ₀ et z_α, puis calculez la probabilité de dépasser x̄c avec la vraie moyenne : z = (x̄c − μ)/(σ/√n).

Moyenne d’échantillon critique

SE = 15/√100 = 1,5
x̄c = 100 + 1,282·1,5 = 101,9

z avec la vraie moyenne

z = (101,9 − 102,25)/1,5 = −0,218

Puissance

puissance = P(Z > −0,218) = 58,63%
1 − β = 58,63%

Réponse

1 − β = 58,63%
11.Régression linéaire et corrélation

Réponse: r = 0,9847

Régression par les moindres carrés : avec x̄ et ȳ les moyennes, Sxx = Σ(x − x̄)², Syy = Σ(y − ȳ)² et Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ), la droite ŷ = a + b·x a pour pente b = Sxy/Sxx et pour ordonnée à l’origine a = ȳ − b·x̄ ; elle passe donc toujours par (x̄, ȳ). Le coefficient de corrélation de Pearson r = Sxy/√(Sxx·Syy) est compris entre −1 et 1 ; r² est la part de la variation de y expliquée par la droite.

Sommes centrées

Sxy = 712 − 42·83/6 = 131
Sxx = 364 − 42²/6 = 70
Syy = 1401 − 83²/6 = 252,8

Coefficient de corrélation

r = 131/√(70·252,8) = 0,9847

Réponse

r = 0,9847
12.Régression linéaire et corrélation

Réponse: ŷ = 8,95

Régression par les moindres carrés : avec x̄ et ȳ les moyennes, Sxx = Σ(x − x̄)², Syy = Σ(y − ȳ)² et Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ), la droite ŷ = a + b·x a pour pente b = Sxy/Sxx et pour ordonnée à l’origine a = ȳ − b·x̄ ; elle passe donc toujours par (x̄, ȳ). Le coefficient de corrélation de Pearson r = Sxy/√(Sxx·Syy) est compris entre −1 et 1 ; r² est la part de la variation de y expliquée par la droite.

Moyennes

x̄ = 30/5 = 6
ȳ = 92/5 = 18,4

Sommes des carrés et des produits

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 126

Droite de régression

b = 126/40 = 3,15
a = 18,4 − 3,15·6 = −0,5
ŷ = −0,5 + 3,15·x

Prédiction

ŷ = −0,5 + 3,15·3 = 8,95

Réponse

ŷ = 8,95

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