Statistique 2 : inférence statistique : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 10 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

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

Tests du khi-deux

Statistique de test
χ² = Σ(O − E)²/E
Ajustement
E = n·p, df = k − 1 − (estimated parameters)
Indépendance
E = row total × column total / grand total, df = (r − 1)(c − 1)
Valeurs critiques (α = 0,05)
df 1: 3,841, 2: 5,991, 3: 7,815, 4: 9,488
Décision
rejeter H0 si χ² > χ²crit

2Exercices

1.Loi normaleMoyen
−3−2−10123zaire colorée entre −z et z = 0,8969

Faites glisser z pour que l’aire colorée entre −z et z sous la courbe normale centrée réduite soit 0,8969. Trouvez z avec deux décimales.

A = 0,8969
z =
2.Loi normaleDifficile
10 cm0X − Y?

Les tailles X des hommes et Y des femmes d’un groupe sont indépendantes et normales : X a pour moyenne 180 cm et pour écart-type 10 cm, Y a pour moyenne 170 cm et pour écart-type 12 cm. Trouvez la probabilité P que X soit supérieure à Y. Arrondissez z à deux décimales.

μX = 180 cm, σX = 10 cmμY = 170 cm, σY = 12 cm
P =
3.Intervalles de confianceMoyen
n = 8, s = 20L = ?Ux̄ = 69,5E90%

Un échantillon de 8 éléments a une moyenne de 69,5 et un écart-type s = 20. La population est approximativement normale. Trouvez la borne inférieure de l’intervalle de confiance à 90 % pour la moyenne.

n = 8x̄ = 69,5s = 2090%t(7) = 1,895
borne inférieure =
4.Intervalles de confianceDifficile
σ = 23, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 290%

L’écart-type de la population est 23. Quelle taille d’échantillon n faut-il pour qu’un intervalle de confiance à 90 % pour la moyenne ait une marge d’erreur d’au plus 2 ?

σ = 23E = 290%
n =
5.Tests d'hypothèse et intervalles de confianceMoyen
−1,9p = ?

La moyenne d’une population est censée valoir 500 ; l’écart-type de la population est connu et vaut 10. Un échantillon aléatoire de 100 observations a une moyenne de 498,1. Testez H₀ : μ = 500 contre H₁ : μ < 500. Trouvez la valeur p p.

μ₀ = 500σ = 10n = 100x̄ = 498,1H₁: μ < μ₀
p =
6.Tests d'hypothèse et intervalles de confianceDifficile
σ = 20, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 390%

Quelle taille doit avoir un échantillon pour que l'intervalle de confiance à 90 % d'une moyenne ait une marge d'erreur d'au plus 3 ? L'écart-type est 20. Trouve la plus petite taille d'échantillon n.

σ = 20E = 390%
n =
7.Régression linéaire et corrélationMoyen
xy12221731741551167xy246101520

Le tableau donne 6 observations appariées de x = âge de la voiture en années et y = prix en k€. Trouvez le coefficient de corrélation de Pearson r.

n = 6
r =
8.Régression linéaire et corrélationDifficile
xy2941662483410401251xy5102040x = 5

Le tableau donne 6 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 (5, 17). Trouvez son résidu e = y − ŷ.

n = 6(5, 17)
e =
9.Tests du khi-deuxMoyen
ouinonTotalhommes273360femmes213960Total4872120

Le tableau de contingence indique les effectifs observés. Calculez la statistique du khi-deux χ² du test d’indépendance entre la variable en ligne et la variable en colonne. N’utilisez pas de correction de continuité.

N = 1202 × 2
χ² =
10.Tests du khi-deuxDifficile
réussiteéchecTotalusine A661480usine B5941100usine C991100Total22456280dfα = 0,05α = 0,0113,8416,63525,9919,21037,81511,34549,48813,277511,07015,086612,59216,812714,06718,475815,50720,090916,91921,6661018,30723,209

Le tableau indique les effectifs observés. Testez au seuil α = 0,01 si les deux variables sont indépendantes (sans correction de continuité). Calculez la statistique de test χ², puis comparez-la à la valeur critique de la table.

N = 2803 × 2α = 0,01
χ² =

3Solutions

1.Loi normale

Réponse: z = 1,63

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 + 0,8969)/2 = 0,9484

Lire la table de z à l’envers

Trouvez 0,9484 dans la table et lisez z.

z = 1,63

Réponse

z = 1,63
2.Loi normale

Réponse: P = 0,7389

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 = 180 − 170 = 10 cm, σ = 15,62 cm

Centrer-réduire

z = (0 − 10)/15,62 = −0,64

Probabilités

P = 1 − Φ(−0,64) = 0,7389

Réponse

P = 0,7389
3.Intervalles de confiance

Réponse: borne inférieure = 56,1

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 = 7, t = 1,895

Marge d'erreur

E = 1,895·20/√8 = 13,4

Intervalle

69,5 ± 13,4 → [56,1, 82,9]

Réponse

borne inférieure = 56,1
4.Intervalles de confiance

Réponse: n = 358

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 = (1,645·23/2)² = 357,9

Arrondir vers le haut

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

n = 358

Réponse

n = 358
5.Tests d'hypothèse et intervalles de confiance

Réponse: p = 0,02872

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 = 10/√100 = 1
z = (498,1 − 500)/1 = −1,9

Aire de la queue

Φ(1,9) = 0,9713
1 − Φ(1,9) = 0,0287

Valeur p

p = 0,02872

Réponse

p = 0,02872

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

6.Tests d'hypothèse et intervalles de confiance

Réponse: n = 121

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).

Résoudre pour n

n = (1,645·20/3)² = 120,3

Arrondir vers le haut

n = 121

Réponse

n = 121
7.Régression linéaire et corrélation

Réponse: r = −0,9707

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 = 21/6 = 3,5
ȳ = 89/6 = 14,83

Sommes des carrés et des produits

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17,5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −47,5
Syy = Σ(y − ȳ)² = 136,8

Coefficient de corrélation

r = −47,5/√(17,5·136,8) = −0,9707

Réponse

r = −0,9707
8.Régression linéaire et corrélation

Réponse: e = −3,657

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 = 174/6 = 29

Sommes des carrés et des produits

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 292

Droite de régression

b = 292/70 = 4,171
a = 29 − 4,171·7 = −0,2
ŷ = −0,2 + 4,171·x

Valeur prédite

ŷ = −0,2 + 4,171·5 = 20,66

Résidu

e = 17 − 20,66 = −3,657

Réponse

e = −3,657

Le point se trouve en dessous de la droite.

9.Tests du khi-deux

Réponse: χ² = 1,25

Tests du khi-deux : comparez les effectifs observés O aux effectifs E attendus sous H₀ avec χ² = Σ(O − E)²/E. Ajustement : E = n·p pour chaque catégorie, df = k − 1 (moins un de plus pour chaque paramètre estimé à partir des données). Indépendance dans un tableau r × c : E = total de la ligne × total de la colonne / total général, df = (r − 1)(c − 1). Rejetez H₀ lorsque χ² dépasse la valeur critique pour le α choisi.

Effectifs attendus

hommes: 60·48/120 = 24, 60·72/120 = 36
femmes: 60·48/120 = 24, 60·72/120 = 36

Statistique du khi-deux

χ² = (27 − 24)²/24 + (33 − 36)²/36 + (21 − 24)²/24 + (39 − 36)²/36
χ² = 1,25

Réponse

χ² = 1,25

df = 1. Pour α = 0,05, la valeur critique vaut 3,841 ; H₀ (indépendance) est donc non rejetée.

10.Tests du khi-deux

Réponse: χ² = 50,44

Tests du khi-deux : comparez les effectifs observés O aux effectifs E attendus sous H₀ avec χ² = Σ(O − E)²/E. Ajustement : E = n·p pour chaque catégorie, df = k − 1 (moins un de plus pour chaque paramètre estimé à partir des données). Indépendance dans un tableau r × c : E = total de la ligne × total de la colonne / total général, df = (r − 1)(c − 1). Rejetez H₀ lorsque χ² dépasse la valeur critique pour le α choisi.

Effectifs attendus

usine A: 64, 16
usine B: 80, 20
usine C: 80, 20

Statistique du khi-deux

χ² = (66 − 64)²/64 + (14 − 16)²/16 + (59 − 80)²/80 + (41 − 20)²/20 + (99 − 80)²/80 + (1 − 20)²/20
χ² = 50,44

Décision

df = 2, χ²crit = 9,210
50,44 > 9,210

Réponse

χ² = 50,44

χ² est supérieur à la valeur critique, donc H₀ est rejetée : les variables semblent liées.

ExamProblems · examproblems.com/courses/statistics-2-inference