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
15202530354045

Trouve l'écart-type d'échantillon s des données : 26, 38, 17, 31, 47, 14.

n = 6
s =
2.Statistique descriptiveDifficile
z −2−1012

Une grandeur suit une loi normale de moyenne 170 et d'écart-type 12. Quelle proportion P des valeurs est inférieure à 188 ?

μ = 170σ = 12x = 188
P =
3.ProbabilitésMoyen
P(au moins un six) = ??1?2?3P(six) = 1/6 à chaque lancer

On lance un dé équilibré 3 fois. Quelle est la probabilité P d'obtenir au moins un six ?

n = 3
P =
4.ProbabilitésDifficile
xp(x)10,320,330,3540,05μ

X a la loi indiquée, et Y = 3X + 5. Trouvez l’écart-type σY de Y.

x: 1, 2, 3, 4p(x): 0,3, 0,3, 0,35, 0,05Y = 3X + 5
σY =
5.Loi normaleMoyen
1360 kg1288 kgT = X₁ + … + X₁₆?

Les masses de passagers avec bagages sont indépendantes et normales, de moyenne 85 kg et d’écart-type 12 kg. Trouvez la probabilité P que la masse totale de 16 d’entre eux soit inférieure à 1288 kg. Arrondissez z à deux décimales.

μ = 85 kgσ = 12 kgn = 16< 1288 kg
P =
6.Loi normaleDifficile
35455565758595pointshaut 80%

Les les notes d’un examen suivent une loi normale de moyenne 65 points et d’écart type 10 points. Faites glisser le seuil pour que les 80 % les plus élevés (zone colorée) soient à sa droite. Trouvez le seuil x.

μ = 65 pointsσ = 10 points80%
x = points
7.Intervalles de confianceMoyen
n = 7, s = 14,5L = ?Ux̄ = 17,5E90%

Un échantillon de 7 éléments a une moyenne de 17,5 et un écart-type s = 14,5. La population est approximativement normale. Trouvez la borne inférieure de l’intervalle de confiance à 90 % pour la moyenne.

n = 7x̄ = 17,5s = 14,590%t(6) = 1,943
borne inférieure =
8.Intervalles de confianceDifficile
σ = 17, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 190%

L’écart-type de la population est 17. Quelle taille d’échantillon n faut-il pour qu’un intervalle de confiance à 90 % pour la moyenne ait une marge d’erreur d’au plus 1 ?

σ = 17E = 190%
n =
9.Tests d'hypothèse et intervalles de confianceMoyen
−2,0642,064t = ?df = 24

On compare deux méthodes d’enseignement. Groupe 1 : 19 étudiants, note moyenne 118, écart-type 10. Groupe 2 : 7 étudiants, note moyenne 110,7, écart-type 8,5. Supposez les variances des populations égales et utilisez le test t à deux échantillons avec variance commune. Trouvez la statistique de test t pour H₀ : μ₁ = μ₂, en prenant la différence x̄₁ − x̄₂ (groupe 1 moins groupe 2).

n₁ = 19x̄₁ = 118s₁ = 10n₂ = 7x̄₂ = 110,7s₂ = 8,5
t =
10.Tests d'hypothèse et intervalles de confianceDifficile
σ = 4, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 0,590%

Quelle taille doit avoir un échantillon pour que l'intervalle de confiance à 90 % d'une moyenne ait une marge d'erreur d'au plus 0,5 ? L'écart-type est 4. Trouve la plus petite taille d'échantillon n.

σ = 4E = 0,590%
n =
11.Régression linéaire et corrélationMoyen
xy1293355457519611172xy5104060

Le tableau donne 6 observations appariées de x = dépenses publicitaires en k€ et y = ventes en k€. Trouvez le coefficient de détermination r² de la droite des moindres carrés.

n = 6
r² =
12.Régression linéaire et corrélationDifficile
xy127223317415511612xy24610152025ŷ = 11

Le tableau donne 6 observations appariées de x = âge de la voiture en années et y = prix en k€. Utilisez la droite des moindres carrés ŷ = a + b·x. Pour quelle valeur x la droite prédit-elle ŷ = 11 ?

n = 6ŷ = 11
x =

3Solutions

1.Statistique descriptive

Réponse: s = 12,54

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 = 173/6 = 28,83

Écarts au carré

Σ(x − x̄)² = (−2,833)² + 9,167² + (−11,83)² + 2,167² + 18,17² + (−14,83)² = 786,8

Écart-type

s = √(786,8/5) = 12,54

Réponse

s = 12,54
2.Statistique descriptive

Réponse: P = 0,9332

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 = 1,5

Table de la loi normale

Φ(1,5) = 0,9332
P = 0,9332

Réponse

P = 0,9332
3.Probabilités

Réponse: P = 0,4213

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.

Complémentaire

P(aucun six) = (5/6)3 = 0,5787
P = 1 − 0,5787 = 0,4213

Réponse

P = 0,4213
4.Probabilités

Réponse: σY = 2,729

Variables aléatoires discrètes : une loi de probabilité énumère chaque valeur x que peut prendre la variable avec sa probabilité p(x) ; les probabilités sont comprises entre 0 et 1 et leur somme vaut 1. L’espérance (moyenne) est E(X) = Σx·p(x), la moyenne à long terme. La variance est Var(X) = Σ(x − μ)²·p(x) = E(X²) − μ², et l’écart-type σ = √Var(X). Pour un changement linéaire Y = aX + b : E(Y) = a·E(X) + b, Var(Y) = a²·Var(X) et σY = |a|·σX ; ajouter une constante ne change pas la dispersion.

Dispersion de X

μ = 2,15, Var(X) = 0,8275, σX = 0,9097

Changement linéaire

σY = |3|·0,9097 = 2,729

Réponse

σY = 2,729

La moyenne, elle, se déplace : E(Y) = 3·2,15 + 5 = 11,45.

5.Loi normale

Réponse: P = 0,06681

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 du total

μT = 1360 kg, σT = 12·√16 = 48 kg

Centrer-réduire

z = (1288 − 1360)/48 = −1,5

Probabilités

P = Φ(−1,5) = 0,06681

Réponse

P = 0,06681
6.Loi normale

Réponse: x = 56,6 points

D’une aire à z : Φ(z) est l’aire à gauche de z. Pour une aire A de la queue gauche, trouvez dans la table le z tel que Φ(z) = A. Une aire A de la queue droite signifie Φ(z) = 1 − A. Une aire centrale A entre −z et z laisse (1 − A)/2 dans chaque queue, donc Φ(z) = (1 + A)/2. Pour une valeur x, utilisez x = μ + zσ.

Aire à gauche

Φ(z) = 0,2

z d’après la table

z ≈ −0,84

Retour aux unités d’origine

x = 65 − 0,84·10 = 56,6 points

Réponse

x = 56,6 points
7.Intervalles de confiance

Réponse: borne inférieure = 6,851

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 = 6, t = 1,943

Marge d'erreur

E = 1,943·14,5/√7 = 10,65

Intervalle

17,5 ± 10,65 → [6,851, 28,15]

Réponse

borne inférieure = 6,851
8.Intervalles de confiance

Réponse: n = 783

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 = (1,645·17/1)² = 782

Arrondir vers le haut

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

n = 783

Réponse

n = 783
9.Tests d'hypothèse et intervalles de confiance

Réponse: t = 1,711

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.

Variance commune

sp² = (18·10² + 6·8,5²)/24 = 93,06
sp = 9,647

Erreur type

SE = 9,647·√(1/19 + 1/7) = 4,265

Statistique de test

t = (118 − 110,7)/4,265 = 1,711

Réponse

t = 1,711

Avec df = 24, la valeur critique bilatérale à 5 % vaut 2,064 ; |t| est plus petit, donc H₀ n’est pas rejetée.

10.Tests d'hypothèse et intervalles de confiance

Réponse: n = 174

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).

Résoudre pour n

n = (1,645·4/0,5)² = 173,2

Arrondir vers le haut

n = 174

Réponse

n = 174
11.Régression linéaire et corrélation

Réponse: r² = 0,9909

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 = 36/6 = 6
ȳ = 293/6 = 48,83

Sommes des carrés et des produits

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 299
Syy = Σ(y − ȳ)² = 1289

Coefficient de détermination

r² = 299²/(70·1289) = 0,9909

Réponse

r² = 0,9909

Environ 99,09 % de la variation de y est expliquée par la droite.

12.Régression linéaire et corrélation

Réponse: x = 5,513

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 = 21/6 = 3,5
ȳ = 105/6 = 17,5

Sommes des carrés et des produits

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17,5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −56,5

Droite de régression

b = −56,5/17,5 = −3,229
a = 17,5 − (−3,229)·3,5 = 28,8
ŷ = 28,8 − 3,229·x

Résoudre pour x

x = (11 − 28,8)/(−3,229) = 5,513

Réponse

x = 5,513

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