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
20253035

Trouve l'écart-type d'échantillon s des données : 37, 37, 16, 37, 27.

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

Les notes d'un examen suivent une loi normale de moyenne 500 et d'écart-type 60. Trouve le score z z d'une note de 524.

μ = 500σ = 60x = 524
z =
3.ProbabilitésMoyen
xp(x)100,05200,35300,35400,25μ = 28

Pour la loi indiquée, trouvez l’écart-type σ de X.

x: 10, 20, 30, 40p(x): 0,05, 0,35, 0,35, 0,25
σ =
4.ProbabilitésDifficile
xp(x)10,120,2530,240,250,25μ

X a la loi indiquée, et Y = −2X + 4. Trouvez l’écart-type σY de Y.

x: 1, 2, 3, 4, 5p(x): 0,1, 0,25, 0,2, 0,2, 0,25Y = −2X + 4
σY =
5.Loi normaleMoyen
30,239,2P = ?

On suppose que les délais de livraison suivent une loi normale de moyenne 32 min et d’écart-type 6 min. Quelle proportion se situe entre 30,2 et 39,2 min ? Donnez P sous forme décimale.

μ = 32σ = 6x1 = 30,2x2 = 39,2
P =
6.Loi normaleDifficile
0,04 mm0D − d?

Les diamètres D des alésages sont normaux de moyenne 25,04 mm et d’écart-type 0,02 mm. Les diamètres d des arbres sont indépendants et normaux de moyenne 25 mm et d’écart-type 0,01 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 = 25,04 mm, σ = 0,02 mmarbre: μ = 25 mm, σ = 0,01 mm
P =
7.Intervalles de confianceMoyen
n = 20, s = 11LU = ?x̄ = 19,5E90%

Un échantillon de 20 éléments a une moyenne de 19,5 et un écart-type s = 11. La population est approximativement normale. Trouvez la borne supérieure de l’intervalle de confiance à 90 % pour la moyenne.

n = 20x̄ = 19,5s = 1190%t(19) = 1,729
borne supérieure =
8.Intervalles de confianceDifficile
σ = 26, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 499%

L’écart-type de la population est 26. Quelle taille d’échantillon n faut-il pour qu’un intervalle de confiance à 99 % pour la moyenne ait une marge d’erreur d’au plus 4 ?

σ = 26E = 499%
n =
9.Tests d'hypothèse et intervalles de confianceMoyen
t −1,99801,998

Un échantillon de 64 étudiants a une note moyenne de 501,1 et un écart-type d'échantillon de 12. Calcule la statistique de test t pour H₀ : μ = 500.

μ₀ = 500x̄ = 501,1s = 12n = 64
t =
10.Tests d'hypothèse et intervalles de confianceDifficile
−1,961,96z = ?

Dans un essai, 30 patients sur 200 sous traitement A guérissent, et 18 sur 80 sous traitement B. En utilisant la proportion commune, trouvez la statistique de test z pour H₀ : p₁ = p₂.

x₁ = 30n₁ = 200x₂ = 18n₂ = 80
z =
11.Régression linéaire et corrélationMoyen
xy12321931641151068xy246101520

Le tableau donne 6 observations appariées de x = âge de la voiture en années et y = prix en k€. Leurs sommes sont données. Trouvez le coefficient de corrélation de Pearson r à partir de ces sommes.

n = 6Σx = 21Σy = 87Σx² = 91Σy² = 1431Σxy = 251
r =
12.Régression linéaire et corrélationDifficile
xy26347269489810120xy5106080100120x = 9

Le tableau donne 5 observations appariées de x = heures de révision et y = note à l’examen. Utilisez la droite des moindres carrés ŷ = a + b·x. Prédisez ŷ pour x = 9.

n = 5x = 9
ŷ =

3Solutions

1.Statistique descriptive

Réponse: s = 9,338

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 = 154/5 = 30,8

Écarts au carré

Σ(x − x̄)² = 6,2² + 6,2² + (−14,8)² + 6,2² + (−3,8)² = 348,8

Écart-type

s = √(348,8/4) = 9,338

Réponse

s = 9,338
2.Statistique descriptive

Réponse: z = 0,4

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 = (524 − 500)/60 = 0,4

Réponse

z = 0,4
3.Probabilités

Réponse: σ = 8,718

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.

Moyenne

μ = 10·0,05 + 20·0,35 + 30·0,35 + 40·0,25 = 28

Moyenne des carrés

E(X²) = 100·0,05 + 400·0,35 + 900·0,35 + 1600·0,25 = 860

Variance

Var(X) = 860 − 28² = 76
σ = √76 = 8,718

Réponse

σ = 8,718
4.Probabilités

Réponse: σY = 2,674

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 = 3,25, Var(X) = 1,788, σX = 1,337

Changement linéaire

σY = |−2|·1,337 = 2,674

Réponse

σY = 2,674

La moyenne, elle, se déplace : E(Y) = −2·3,25 + 4 = −2,5.

5.Loi normale

Réponse: P = 0,5028

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 = (30,2 − 32)/6 = −0,3
z₂ = (39,2 − 32)/6 = 1,2

Aire entre les deux valeurs

P = Φ(1,2) − Φ(−0,3) = 0,8849 − 0,3821 = 0,5028

Réponse

P = 0,5028
6.Loi normale

Réponse: P = 0,9633

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 = 25,04 − 25 = 0,04 mm, σ = 0,02236 mm

Centrer-réduire

z = (0 − 0,04)/0,02236 = −1,79

Probabilités

P = 1 − Φ(−1,79) = 0,9633

Réponse

P = 0,9633
7.Intervalles de confiance

Réponse: borne supérieure = 23,75

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 = 1,729

Marge d'erreur

E = 1,729·11/√20 = 4,253

Intervalle

19,5 ± 4,253 → [15,25, 23,75]

Réponse

borne supérieure = 23,75
8.Intervalles de confiance

Réponse: n = 281

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 = (2,576·26/4)² = 280,4

Arrondir vers le haut

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

n = 281

Réponse

n = 281
9.Tests d'hypothèse et intervalles de confiance

Réponse: t = 0,7333

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 = 12/√64 = 12/8 = 1,5

Statistique de test

t = (501,1 − 500)/1,5 = 0,7333

Réponse

t = 0,7333
t0,025; df = 63 = 1,998

|t| < 1.998, donc H₀ n’est pas rejetée au seuil de 5 % (bilatéral).

10.Tests d'hypothèse et intervalles de confiance

Réponse: z = −1,504

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.

Proportions des échantillons

p̂₁ = 30/200 = 0,15
p̂₂ = 18/80 = 0,225
p̂ = 48/280 = 0,1714

Erreur type sous H₀

SE = √(0,1714·0,8286·(1/200 + 1/80)) = 0,04986

Statistique de test

z = (0,15 − 0,225)/0,04986 = −1,504

Réponse

z = −1,504

|z| < 1,96, donc H₀ n’est pas rejetée au seuil de 5 % (bilatéral).

11.Régression linéaire et corrélation

Réponse: r = −0,9823

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 = 251 − 21·87/6 = −53,5
Sxx = 91 − 21²/6 = 17,5
Syy = 1431 − 87²/6 = 169,5

Coefficient de corrélation

r = −53,5/√(17,5·169,5) = −0,9823

Réponse

r = −0,9823
12.Régression linéaire et corrélation

Réponse: ŷ = 110,4

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 = 447/5 = 89,4

Sommes des carrés et des produits

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 280

Droite de régression

b = 280/40 = 7
a = 89,4 − 7·6 = 47,4
ŷ = 47,4 + 7·x

Prédiction

ŷ = 47,4 + 7·9 = 110,4

Réponse

ŷ = 110,4

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