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
2530354045505560

Trouve l'écart-type d'échantillon s des données : 33, 46, 26, 60, 21.

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

Une grandeur suit une loi normale de moyenne 500 et d'écart-type 60. Quelle proportion P des valeurs est inférieure à 524 ?

μ = 500σ = 60x = 524
P =
3.ProbabilitésMoyen
rouges: 3bleues: 5

Un sac contient 3 boules rouges et 5 bleues. Tu tires deux boules sans remettre la première. Quelle est la probabilité P que les deux soient rouges ?

3 / 5
P =
4.ProbabilitésDifficile
xp(x)00,3510,3520,3μ

X a la loi indiquée, et Y = 0,5X + 1. Trouvez l’écart-type σY de Y.

x: 0, 1, 2p(x): 0,35, 0,35, 0,3Y = 0,5X + 1
σY =
5.Loi normaleMoyen
200 mm199,6 mmX + Y?

X est normale de moyenne 120 mm et d’écart-type 0,3 mm ; Y est indépendante et normale de moyenne 80 mm et d’écart-type 0,4 mm. Trouvez la probabilité P que X + Y dépasse 199,6 mm. Arrondissez z à deux décimales.

μX = 120, σX = 0,3μY = 80, σY = 0,4X + Y > 199,6 mm
P =
6.Loi normaleDifficile
557085100115130145pointshaut 95%

Les les scores de QI suivent une loi normale de moyenne 100 points et d’écart type 15 points. Faites glisser le seuil pour que les 95 % les plus élevés (zone colorée) soient à sa droite. Trouvez le seuil x.

μ = 100 pointsσ = 15 points95%
x = points
7.Intervalles de confianceMoyen
n = 7, s = 15LUx̄ = 16,5E = ?99%

Un échantillon de 7 éléments a une moyenne de 16,5 et un écart-type s = 15. La population est approximativement normale. Trouvez la marge d’erreur E d’un intervalle de confiance à 99 % pour la moyenne.

n = 7x̄ = 16,5s = 1599%t(6) = 3,707
E =
8.Intervalles de confianceDifficile
σ = 28, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 299%

L’écart-type de la population est 28. 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 2 ?

σ = 28E = 299%
n =
9.Tests d'hypothèse et intervalles de confianceMoyen
−2,2282,228t = ?df = 10

On compare deux méthodes d’enseignement. Groupe 1 : 7 étudiants, note moyenne 102, écart-type 10. Groupe 2 : 5 étudiants, note moyenne 83,6, écart-type 12. 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 = 7x̄₁ = 102s₁ = 10n₂ = 5x̄₂ = 83,6s₂ = 12
t =
10.Tests d'hypothèse et intervalles de confianceDifficile
z −2,57602,576

Un échantillon de 36 mesures a une moyenne de 56,7. L'écart-type de la population est 20. Trouve la borne supérieure U de l'intervalle de confiance à 99 % pour la moyenne.

x̄ = 56,7σ = 20n = 3699%
U =
11.Régression linéaire et corrélationMoyen
xy150353565767979xy550607080

Le tableau donne 5 observations appariées de x = heures de révision et y = note à l’examen. Leurs sommes sont données. Trouvez le coefficient de corrélation de Pearson r à partir de ces sommes.

n = 5Σx = 25Σy = 314Σx² = 165Σy² = 20264Σxy = 1714
r =
12.Régression linéaire et corrélationDifficile
xy26486108111017xy5101015x = 9

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. On fait une nouvelle observation (9, 10). Trouvez son résidu e = y − ŷ.

n = 5(9, 10)
e =

3Solutions

1.Statistique descriptive

Réponse: s = 15,83

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 = 186/5 = 37,2

Écarts au carré

Σ(x − x̄)² = (−4,2)² + 8,8² + (−11,2)² + 22,8² + (−16,2)² = 1003

Écart-type

s = √(1003/4) = 15,83

Réponse

s = 15,83
2.Statistique descriptive

Réponse: P = 0,6554

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 = 0,4

Table de la loi normale

Φ(0,4) = 0,6554
P = 0,6554

Réponse

P = 0,6554
3.Probabilités

Réponse: P = 0,1071

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.

Premier et second tirage

P = 3/8 · 2/7 = 6/56 = 0,1071

Réponse

P = 0,1071
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 = 0,95, 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) = 0,5·0,95 + 1 = 1,475.

5.Loi normale

Réponse: P = 0,7881

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 somme

μ = 200 mm, σ = √(0,3² + 0,4²) = 0,5 mm

Centrer-réduire

z = (199,6 − 200)/0,5 = −0,8

Queue supérieure

P = 1 − Φ(−0,8) = 1 − 0,2119 = 0,7881

Réponse

P = 0,7881
6.Loi normale

Réponse: x = 75,4 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) = 0,05

z d’après la table

z ≈ −1,64

Retour aux unités d’origine

x = 100 − 1,64·15 = 75,4 points

Réponse

x = 75,4 points
7.Intervalles de confiance

Réponse: E = 21,02

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 = 3,707

Marge d'erreur

E = 3,707·15/√7 = 21,02

Réponse

E = 21,02
8.Intervalles de confiance

Réponse: n = 1301

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 = (2,576·28/2)² = 1301

Arrondir vers le haut

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

n = 1301

Réponse

n = 1301
9.Tests d'hypothèse et intervalles de confiance

Réponse: t = 2,898

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 = (6·10² + 4·12²)/10 = 117,6
sp = 10,84

Erreur type

SE = 10,84·√(1/7 + 1/5) = 6,35

Statistique de test

t = (102 − 83,6)/6,35 = 2,898

Réponse

t = 2,898

Avec df = 10, la valeur critique bilatérale à 5 % vaut 2,228 ; |t| est plus grand, donc H₀ est rejetée.

10.Tests d'hypothèse et intervalles de confiance

Réponse: U = 65,29

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).

Marge d'erreur

E = 2,576·20/√36 = 8,587

Borne de l'intervalle

U = 56,7 + 8,587 = 65,29

Réponse

U = 65,29
11.Régression linéaire et corrélation

Réponse: r = 0,9755

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 = 1714 − 25·314/5 = 144
Sxx = 165 − 25²/5 = 40
Syy = 20264 − 314²/5 = 544,8

Coefficient de corrélation

r = 144/√(40·544,8) = 0,9755

Réponse

r = 0,9755
12.Régression linéaire et corrélation

Réponse: e = −4,15

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 = 52/5 = 10,4

Sommes des carrés et des produits

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 50

Droite de régression

b = 50/40 = 1,25
a = 10,4 − 1,25·6 = 2,9
ŷ = 2,9 + 1,25·x

Valeur prédite

ŷ = 2,9 + 1,25·9 = 14,15

Résidu

e = 10 − 14,15 = −4,15

Réponse

e = −4,15

Le point se trouve en dessous de la droite.

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