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
152025303540455055

Trouve l'écart-type d'échantillon s des données : 25, 56, 13, 34, 40, 48.

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

Une grandeur suit une loi normale de moyenne 170 et d'écart-type 10. Quelle proportion P des valeurs est supérieure à 155 ?

μ = 170σ = 10x = 155
P =
3.ProbabilitésMoyen
xp(x)100,35200,35300,25400,05μ = 20

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

x: 10, 20, 30, 40p(x): 0,35, 0,35, 0,25, 0,05
Var(X) =
4.ProbabilitésDifficile
n = 5, p = 0,5: P(X = 3) = ?k012345

Un test comporte 5 QCM. Une étudiante qui répond au hasard a chaque réponse juste avec une probabilité 0,5, indépendamment. Quelle est la probabilité P d'avoir exactement 3 bonnes réponses ?

n = 5p = 0,5k = 3
P =
5.Loi normaleMoyen
−3−2−10123zaire colorée à droite de z = 0,0548

Faites glisser z pour que l’aire colorée sous la courbe normale centrée réduite, à droite de z, soit 0,0548. Trouvez z avec deux décimales.

A = 0,0548
z =
6.Loi normaleDifficile
μ = 500x = ?75%

On suppose que les durées de vie des piles suivent une loi normale de moyenne 500 h et d’écart-type 40 h. Trouvez la valeur x en dessous de laquelle se situent 75 % des valeurs (le 75e centile).

μ = 500σ = 40P = 75%
x = h
7.Intervalles de confianceMoyen
n = 8, sd​ = 4,10LU = ?d̄ = 5E95%

On mesure la tension artérielle de 8 patients avant et après un traitement. Les différences d = avant − après (mmHg) ont une moyenne de 5 et un écart-type de 4,1. Trouvez la borne supérieure de l’intervalle de confiance à 95 % pour la différence moyenne.

n = 8d̄ = 5sd = 4,195%t(7) = 2,365
borne supérieure = mmHg
8.Intervalles de confianceDifficile
σ = 32, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 495%

L’écart-type de la population est 32. Quelle taille d’échantillon n faut-il pour qu’un intervalle de confiance à 95 % pour la moyenne ait une marge d’erreur d’au plus 4 ?

σ = 32E = 495%
n =
9.Tests d'hypothèse et intervalles de confianceMoyen
−2,0452,045t = ?df = 29

On compare deux méthodes d’enseignement. Groupe 1 : 13 étudiants, note moyenne 99, écart-type 11. Groupe 2 : 18 étudiants, note moyenne 93,5, écart-type 2. 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 = 13x̄₁ = 99s₁ = 11n₂ = 18x̄₂ = 93,5s₂ = 2
t =
10.Tests d'hypothèse et intervalles de confianceDifficile
−1,961,96z = ?

Dans un essai, 12 patients sur 80 sous traitement A guérissent, et 18 sur 300 sous traitement B. En utilisant la proportion commune, trouvez la statistique de test z pour H₀ : p₁ = p₂.

x₁ = 12n₁ = 80x₂ = 18n₂ = 300
z =
11.Régression linéaire et corrélationMoyen
xy3415487619721179xy510406080

Le tableau donne 5 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 = 5
r² =
12.Régression linéaire et corrélationDifficile
xy343447556657762xy465060x = 5,5

Le tableau donne 5 observations appariées de x = dépenses publicitaires en k€ et y = ventes en k€. Utilisez la droite des moindres carrés ŷ = a + b·x. On fait une nouvelle observation (5,5, 52). Trouvez son résidu e = y − ŷ.

n = 5(5,5, 52)
e =

3Solutions

1.Statistique descriptive

Réponse: s = 15,58

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 = 216/6 = 36

Écarts au carré

Σ(x − x̄)² = (−11)² + 20² + (−23)² + (−2)² + 4² + 12² = 1214

Écart-type

s = √(1214/5) = 15,58

Réponse

s = 15,58
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) = 0,06681
P = 1 − 0,06681 = 0,9332

Réponse

P = 0,9332
3.Probabilités

Réponse: Var(X) = 80

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

Moyenne des carrés

E(X²) = 100·0,35 + 400·0,35 + 900·0,25 + 1600·0,05 = 480

Variance

Var(X) = 480 − 20² = 80

Réponse

Var(X) = 80
4.Probabilités

Réponse: P = 0,3125

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.

Formule binomiale

P(X = 3) = 10·0,53·0,52 = 10·0,125·0,25 = 0,3125

Réponse

P = 0,3125
5.Loi normale

Réponse: z = 1,6

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 − 0,0548 = 0,9452

Lire la table de z à l’envers

Trouvez 0,9452 dans la table et lisez z.

z = 1,60

Réponse

z = 1,60
6.Loi normale

Réponse: x = 527 h

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.

z du centile

Φ(z) = 0,75 → z = 0,6745

Retour à x

x = 500 + 0,6745·40 = 526,98 h

Réponse

x = 526,98 h
7.Intervalles de confiance

Réponse: borne supérieure = 8,428 mmHg

Interval for a difference: estimate ± critical value × standard error. For two independent means with known σ: SE = √(σ₁²/n₁ + σ₂²/n₂) and z. With equal unknown variances: pooled s_p and t with n₁ + n₂ − 2 degrees of freedom. For paired data, work with the differences: d̄ ± t·s_d/√n.

Valeur critique

df = 7, t = 2,365

Marge d'erreur

E = 2,365·4,1/√8 = 3,428

Intervalle

5 ± 3,428 → [1,572, 8,428]

Réponse

borne supérieure = 8,428 mmHg
8.Intervalles de confiance

Réponse: n = 246

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 = (1,96·32/4)² = 245,9

Arrondir vers le haut

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

n = 246

Réponse

n = 246
9.Tests d'hypothèse et intervalles de confiance

Réponse: t = 2,087

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 = (12·11² + 17·2²)/29 = 52,41
sp = 7,24

Erreur type

SE = 7,24·√(1/13 + 1/18) = 2,635

Statistique de test

t = (99 − 93,5)/2,635 = 2,087

Réponse

t = 2,087

Avec df = 29, la valeur critique bilatérale à 5 % vaut 2,045 ; |t| est plus grand, donc H₀ est rejetée.

10.Tests d'hypothèse et intervalles de confiance

Réponse: z = 2,652

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 = 12/80 = 0,15
p̂₂ = 18/300 = 0,06
p̂ = 30/380 = 0,07895

Erreur type sous H₀

SE = √(0,07895·0,9211·(1/80 + 1/300)) = 0,03393

Statistique de test

z = (0,15 − 0,06)/0,03393 = 2,652

Réponse

z = 2,652

|z| > 1,96, donc H₀ est rejetée au seuil de 5 % (bilatéral).

11.Régression linéaire et corrélation

Réponse: r² = 0,9893

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 = 301/5 = 60,2

Sommes des carrés et des produits

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 200
Syy = Σ(y − ȳ)² = 1011

Coefficient de détermination

r² = 200²/(40·1011) = 0,9893

Réponse

r² = 0,9893

Environ 98,93 % de la variation de y est expliquée par la droite.

12.Régression linéaire et corrélation

Réponse: e = −3,4

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 = 25/5 = 5
ȳ = 265/5 = 53

Sommes des carrés et des produits

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 48

Droite de régression

b = 48/10 = 4,8
a = 53 − 4,8·5 = 29
ŷ = 29 + 4,8·x

Valeur prédite

ŷ = 29 + 4,8·5,5 = 55,4

Résidu

e = 52 − 55,4 = −3,4

Réponse

e = −3,4

Le point se trouve en dessous de la droite.

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