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
1520253035404550

Trouve l'écart-type d'échantillon s des données : 48, 15, 52, 35, 18.

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

Une grandeur suit une loi normale de moyenne 50 et d'écart-type 12. Quelle proportion P des valeurs est inférieure à 44 ?

μ = 50σ = 12x = 44
P =
3.ProbabilitésMoyen
xp(x)100,3200,35300,25400,1μ = 21,5

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

x: 10, 20, 30, 40p(x): 0,3, 0,35, 0,25, 0,1
σ =
4.ProbabilitésDifficile
€p(x)−10,8410,15190,01

Un jeu coûte 1 € pour jouer. Vous gagnez 2 € avec la probabilité 0,15 et 20 € avec la probabilité 0,01 ; sinon vous ne gagnez rien. La mise n’est pas remboursée. Trouvez le gain net espéré E(G) par partie.

mise = €1€2: p = 0,15€20: p = 0,01
E(G) = €
5.Loi normaleMoyen
150 kg149,4 kgT = X₁ + … + X₆?

Les masses de sacs de ciment sont indépendantes et normales, de moyenne 25 kg et d’écart-type 0,5 kg. Trouvez la probabilité P que la masse totale de 6 d’entre eux dépasse 149,4 kg. Arrondissez z à deux décimales.

μ = 25 kgσ = 0,5 kgn = 6> 149,4 kg
P =
6.Loi normaleDifficile
0,02 mm0D − d?

Les diamètres D des alésages sont normaux de moyenne 25,02 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 0,015 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 = 25,02 mm, σ = 0,01 mmarbre: μ = 25 mm, σ = 0,015 mm
P =
7.Intervalles de confianceMoyen
x̄E₁ = 4,595%, n = 36x̄E₂ = ?99%, n = 9

Un intervalle de confiance à 95 % pour une moyenne, fondé sur 36 observations et un σ connu, a une marge d’erreur de 4,5. Quelle est la marge d’erreur E₂ d’un intervalle à 99 % fondé sur 9 observations ?

95%n₁ = 36E₁ = 4,599%n₂ = 9
E₂ =
8.Intervalles de confianceDifficile
n = 21Lσ = ?s = 5,595%

Les diamètres de 21 arbres usinés ont un écart-type d’échantillon de 5,5 µm. En supposant les diamètres normalement distribués, trouvez la borne supérieure σ de l’intervalle de confiance à 95 % pour l’écart-type de la population. Avec df = 20, 2,5 % de la loi du χ² se trouve en dessous de 9,591 et 2,5 % au-dessus de 34,17.

n = 21s = 5,5 µmχ² = 9,591, 34,17
σ = µm
9.Tests d'hypothèse et intervalles de confianceMoyen
2,4p = ?

La moyenne d’une population est censée valoir 250 ; l’écart-type de la population est connu et vaut 15. Un échantillon aléatoire de 100 observations a une moyenne de 253,6. Testez H₀ : μ = 250 contre H₁ : μ > 250. Trouvez la valeur p p.

μ₀ = 250σ = 15n = 100x̄ = 253,6H₁: μ > μ₀
p =
10.Tests d'hypothèse et intervalles de confianceDifficile
−1,961,96z = ?

Dans un essai, 75 patients sur 150 sous traitement A guérissent, et 123 sur 300 sous traitement B. En utilisant la proportion commune, trouvez la statistique de test z pour H₀ : p₁ = p₂.

x₁ = 75n₁ = 150x₂ = 123n₂ = 300
z =
11.Régression linéaire et corrélationMoyen
xy2641161381310161222xy5105101520

Le tableau donne 6 observations appariées de x = charge en kN et y = allongement en mm. Trouvez le coefficient de détermination r² de la droite des moindres carrés.

n = 6
r² =
12.Régression linéaire et corrélationDifficile
xy3485627709871188xy5106080x = 8

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 = 8.

n = 5x = 8
ŷ =

3Solutions

1.Statistique descriptive

Réponse: s = 16,86

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 = 168/5 = 33,6

Écarts au carré

Σ(x − x̄)² = 14,4² + (−18,6)² + 18,4² + 1,4² + (−15,6)² = 1137

Écart-type

s = √(1137/4) = 16,86

Réponse

s = 16,86
2.Statistique descriptive

Réponse: P = 0,3085

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 = −0,5

Table de la loi normale

Φ(−0,5) = 0,3085
P = 0,3085

Réponse

P = 0,3085
3.Probabilités

Réponse: σ = 9,631

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 = 10·0,3 + 20·0,35 + 30·0,25 + 40·0,1 = 21,5

Moyenne des carrés

E(X²) = 100·0,3 + 400·0,35 + 900·0,25 + 1600·0,1 = 555

Variance

Var(X) = 555 − 21,5² = 92,75
σ = √92,75 = 9,631

Réponse

σ = 9,631
4.Probabilités

Réponse: E(G) = −0,5 €

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.

Résultats nets

G: 1 (p = 0,15), 19 (p = 0,01), −1 (p = 0,84)

Espérance

E(G) = 1·0,15 + 19·0,01 − 1·0,84 = −0,5 €

Réponse

E(G) = −0,5 €

Une valeur négative signifie que vous perdez de l’argent en moyenne.

5.Loi normale

Réponse: P = 0,6879

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 = 150 kg, σT = 0,5·√6 = 1,225 kg

Centrer-réduire

z = (149,4 − 150)/1,225 = −0,49

Probabilités

P = 1 − Φ(−0,49) = 0,6879

Réponse

P = 0,6879
6.Loi normale

Réponse: P = 0,8665

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 = 25,02 − 25 = 0,02 mm, σ = 0,01803 mm

Centrer-réduire

z = (0 − 0,02)/0,01803 = −1,11

Probabilités

P = 1 − Φ(−1,11) = 0,8665

Réponse

P = 0,8665
7.Intervalles de confiance

Réponse: E₂ = 11,83

Confidence interval for a mean: x̄ ± margin of error. With a known population σ the margin is z·σ/√n; with only the sample standard deviation s, use t with n − 1 degrees of freedom: t·s/√n. Critical values: z = 1,645 (90%), 1,96 (95%), 2,576 (99%). To get a margin E or smaller, you need n ≥ (z·σ/E)², rounded up.

Rapport des marges

E₂/E₁ = (2,576/1,96)·√(36/9) = 2,629

Nouvelle marge

E₂ = 4,5·2,629 = 11,83

Réponse

E₂ = 11,83
8.Intervalles de confiance

Réponse: σ = 7,942 µm

Intervalle pour une variance : (n − 1)s²/σ² suit une loi du χ² à n − 1 degrés de liberté. L’intervalle à 95 % pour σ² va de (n − 1)s² divisé par la valeur supérieure du χ² (2,5 % au-dessus) à (n − 1)s² divisé par la valeur inférieure du χ² (2,5 % en dessous) ; l’intervalle pour σ est la racine carrée des deux bornes. Il n’est pas symétrique autour de s.

Somme des carrés

(n − 1)s² = 20·5,5² = 605

Bornes pour σ²

605/34,17 = 17,71
605/9,591 = 63,08

Borne pour σ

σ = √63,08 = 7,942 µm

Réponse

σ = 7,942 µm

Intervalle à 95 % pour σ : [4,208, 7,942] µm.

9.Tests d'hypothèse et intervalles de confiance

Réponse: p = 0,008198

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 = 15/√100 = 1,5
z = (253,6 − 250)/1,5 = 2,4

Aire de la queue

Φ(2,4) = 0,9918
1 − Φ(2,4) = 0,0082

Valeur p

p = 0,008198

Réponse

p = 0,008198

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

10.Tests d'hypothèse et intervalles de confiance

Réponse: z = 1,813

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 = 75/150 = 0,5
p̂₂ = 123/300 = 0,41
p̂ = 198/450 = 0,44

Erreur type sous H₀

SE = √(0,44·0,56·(1/150 + 1/300)) = 0,04964

Statistique de test

z = (0,5 − 0,41)/0,04964 = 1,813

Réponse

z = 1,813

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

11.Régression linéaire et corrélation

Réponse: r² = 0,9112

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 = 42/6 = 7
ȳ = 81/6 = 13,5

Sommes des carrés et des produits

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 95
Syy = Σ(y − ȳ)² = 141,5

Coefficient de détermination

r² = 95²/(70·141,5) = 0,9112

Réponse

r² = 0,9112

Environ 91,12 % de la variation de y est expliquée par la droite.

12.Régression linéaire et corrélation

Réponse: ŷ = 76,25

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 = 35/5 = 7
ȳ = 355/5 = 71

Sommes des carrés et des produits

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 210

Droite de régression

b = 210/40 = 5,25
a = 71 − 5,25·7 = 34,25
ŷ = 34,25 + 5,25·x

Prédiction

ŷ = 34,25 + 5,25·8 = 76,25

Réponse

ŷ = 76,25

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