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.

Nouveaux exercicesRetour au cours

Dans la fenêtre d’impression, choisissez « Enregistrer au format PDF » pour garder une copie sur votre appareil.

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
101520253035

Trouve l'écart-type d'échantillon s des données : 10, 38, 38, 25, 29.

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

Les notes d'un examen suivent une loi normale de moyenne 170 et d'écart-type 15. Trouve le score z z d'une note de 152.

μ = 170σ = 15x = 152
z =
3.ProbabilitésMoyen
xp(x)00,0510,220,230,3540,2μ = 2,45

Pour la loi indiquée, trouvez la variance Var(X) de X.

x: 0, 1, 2, 3, 4p(x): 0,05, 0,2, 0,2, 0,35, 0,2
Var(X) =
4.ProbabilitésDifficile
xp(x)00,310,3520,35μ

X a la loi indiquée, et Y = 0,5X − 3. Trouvez l’écart-type σY de Y.

x: 0, 1, 2p(x): 0,3, 0,35, 0,35Y = 0,5X − 3
σY =
5.Loi normaleMoyen
−3−2−10123zaire colorée entre −z et z = 0,9534

Faites glisser z pour que l’aire colorée entre −z et z sous la courbe normale centrée réduite soit 0,9534. Trouvez z avec deux décimales.

A = 0,9534
z =
6.Loi normaleDifficile
0,04 mm0D − d?

Les diamètres D des alésages sont normaux de moyenne 25,04 mm et d’écart-type 0,01 mm. Les diamètres d des arbres sont indépendants et normaux de moyenne 25 mm et d’écart-type 0,02 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 = 0,01 mmarbre: μ = 25 mm, σ = 0,02 mm
P =
7.Intervalles de confianceMoyen
n = 21, s = 7L = ?Ux̄ = 11E95%

Un échantillon de 21 éléments a une moyenne de 11 et un écart-type s = 7. La population est approximativement normale. Trouvez la borne inférieure de l’intervalle de confiance à 95 % pour la moyenne.

n = 21x̄ = 11s = 795%t(20) = 2,086
borne inférieure =
8.Intervalles de confianceDifficile
σ = 15, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 399%

L’écart-type de la population est 15. 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 3 ?

σ = 15E = 399%
n =
9.Tests d'hypothèse et intervalles de confianceMoyen
−2,2p = ?

La moyenne d’une population est censée valoir 50 ; l’écart-type de la population est connu et vaut 12. Un échantillon aléatoire de 144 observations a une moyenne de 47,8. Testez H₀ : μ = 50 contre H₁ : μ < 50. Trouvez la valeur p p.

μ₀ = 50σ = 12n = 144x̄ = 47,8H₁: μ < μ₀
p =
10.Tests d'hypothèse et intervalles de confianceDifficile
−1,961,96z = ?

Dans un essai, 138 patients sur 250 sous traitement A guérissent, et 104 sur 200 sous traitement B. En utilisant la proportion commune, trouvez la statistique de test z pour H₀ : p₁ = p₂.

x₁ = 138n₁ = 250x₂ = 104n₂ = 200
z =
11.Régression linéaire et corrélationMoyen
xy14291644185020552271xy15204060

Le tableau donne 5 observations appariées de x = température en °C et y = glaces vendues. Trouvez le coefficient de détermination r² de la droite des moindres carrés.

n = 5
r² =
12.Régression linéaire et corrélationDifficile
xy146916751893209722108xy152080100ŷ = 73

Le tableau donne 5 observations appariées de x = température en °C et y = glaces vendues. Utilisez la droite des moindres carrés ŷ = a + b·x. Pour quelle valeur x la droite prédit-elle ŷ = 73 ?

n = 5ŷ = 73
x =

3Solutions

1.Statistique descriptive

Réponse: s = 11,55

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 = 140/5 = 28

Écarts au carré

Σ(x − x̄)² = (−18)² + 10² + 10² + (−3)² + 1² = 534

Écart-type

s = √(534/4) = 11,55

Réponse

s = 11,55
2.Statistique descriptive

Réponse: z = −1,2

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 = (152 − 170)/15 = −1,2

Réponse

z = −1,2
3.Probabilités

Réponse: Var(X) = 1,347

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 = 0·0,05 + 1·0,2 + 2·0,2 + 3·0,35 + 4·0,2 = 2,45

Moyenne des carrés

E(X²) = 0·0,05 + 1·0,2 + 4·0,2 + 9·0,35 + 16·0,2 = 7,35

Variance

Var(X) = 7,35 − 2,45² = 1,347

Réponse

Var(X) = 1,347
4.Probabilités

Réponse: σY = 0,4023

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 = 1,05, Var(X) = 0,6475, σX = 0,8047

Changement linéaire

σY = |0,5|·0,8047 = 0,4023

Réponse

σY = 0,4023

La moyenne, elle, se déplace : E(Y) = 0,5·1,05 − 3 = −2,475.

5.Loi normale

Réponse: z = 1,99

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 de z

Φ(z) = (1 + 0,9534)/2 = 0,9767

Lire la table de z à l’envers

Trouvez 0,9767 dans la table et lisez z.

z = 1,99

Réponse

z = 1,99
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 inférieure = 7,814

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 = 20, t = 2,086

Marge d'erreur

E = 2,086·7/√21 = 3,186

Intervalle

11 ± 3,186 → [7,814, 14,19]

Réponse

borne inférieure = 7,814
8.Intervalles de confiance

Réponse: n = 166

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 = (2,576·15/3)² = 165,9

Arrondir vers le haut

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

n = 166

Réponse

n = 166
9.Tests d'hypothèse et intervalles de confiance

Réponse: p = 0,0139

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.

Statistique de test

SE = σ/√n = 12/√144 = 1
z = (47,8 − 50)/1 = −2,2

Aire de la queue

Φ(2,2) = 0,9861
1 − Φ(2,2) = 0,0139

Valeur p

p = 0,0139

Réponse

p = 0,0139

p ≤ 0,05, donc H₀ est rejetée au seuil de 5 %.

10.Tests d'hypothèse et intervalles de confiance

Réponse: z = 0,6766

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 = 138/250 = 0,552
p̂₂ = 104/200 = 0,52
p̂ = 242/450 = 0,5378

Erreur type sous H₀

SE = √(0,5378·0,4622·(1/250 + 1/200)) = 0,0473

Statistique de test

z = (0,552 − 0,52)/0,0473 = 0,6766

Réponse

z = 0,6766

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

11.Régression linéaire et corrélation

Réponse: r² = 0,9573

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 = 90/5 = 18
ȳ = 249/5 = 49,8

Sommes des carrés et des produits

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 190
Syy = Σ(y − ȳ)² = 942,8

Coefficient de détermination

r² = 190²/(40·942,8) = 0,9573

Réponse

r² = 0,9573

Environ 95,73 % de la variation de y est expliquée par la droite.

12.Régression linéaire et corrélation

Réponse: x = 14,92

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 = 90/5 = 18
ȳ = 442/5 = 88,4

Sommes des carrés et des produits

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 200

Droite de régression

b = 200/40 = 5
a = 88,4 − 5·18 = −1,6
ŷ = −1,6 + 5·x

Résoudre pour x

x = (73 − (−1,6))/5 = 14,92

Réponse

x = 14,92

ExamProblems · examproblems.com/courses/statistics-1