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.

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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
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 =
2.Loi normaleDifficile
35455565758595pointshaut 25%

Les les notes d’un examen suivent une loi normale de moyenne 65 points et d’écart type 10 points. Faites glisser le seuil pour que les 25 % les plus élevés (zone colorée) soient à sa droite. Trouvez le seuil x.

μ = 65 pointsσ = 10 points25%
x = points
3.Intervalles de confianceMoyen
n = 16, sd​ = 5,90L = ?Ud̄ = 8,1E95%

On mesure la tension artérielle de 16 patients avant et après un traitement. Les différences d = avant − après (mmHg) ont une moyenne de 8,1 et un écart-type de 5,9. Trouvez la borne inférieure de l’intervalle de confiance à 95 % pour la différence moyenne.

n = 16d̄ = 8,1sd = 5,995%t(15) = 2,131
borne inférieure = mmHg
4.Intervalles de confianceDifficile
μ₁ − μ₂, t(29) = 2,7560L = ?Ux̄₁ − x̄₂E99%

On teste deux engrais. Groupe de parcelles 1 : 12 parcelles, rendement moyen 96,5 kg, écart-type 8 kg. Groupe de parcelles 2 : 19 parcelles, moyenne 99,5 kg, écart-type 3,5 kg. Supposez les variances égales (t avec variance commune, df = n₁ + n₂ − 2). Trouvez la borne inférieure de l’intervalle de confiance à 99 % pour μ₁ − μ₂.

n₁ = 12x̄₁ = 96,5s₁ = 8n₂ = 19x̄₂ = 99,5s₂ = 3,599%t(29) = 2,756
borne inférieure = kg
5.Tests d'hypothèse et intervalles de confianceMoyen
−1,48p = ?

La moyenne d’une population est censée valoir 120 ; l’écart-type de la population est connu et vaut 2,5. Un échantillon aléatoire de 25 observations a une moyenne de 119,26. Testez H₀ : μ = 120 contre H₁ : μ < 120. Trouvez la valeur p p.

μ₀ = 120σ = 2,5n = 25x̄ = 119,26H₁: μ < μ₀
p =
6.Tests d'hypothèse et intervalles de confianceDifficile
σ = 5, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 2,599%

Quelle taille doit avoir un échantillon pour que l'intervalle de confiance à 99 % d'une moyenne ait une marge d'erreur d'au plus 2,5 ? L'écart-type est 5. Trouve la plus petite taille d'échantillon n.

σ = 5E = 2,599%
n =
7.Régression linéaire et corrélationMoyen
xy165419782284251042810831127xy1520253050100

Le tableau donne 6 observations appariées de x = température en °C et y = glaces vendues. Trouvez le coefficient de détermination r² de la droite des moindres carrés.

n = 6
r² =
8.Régression linéaire et corrélationDifficile
xy132336542750952xy54050x = 2

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 (2, 30). Trouvez son résidu e = y − ŷ.

n = 5(2, 30)
e =
9.Tests du khi-deuxMoyen
sans défautmineurmajeurTotaléquipe de jour27362083équipe de nuit14384193Total417461176

Le tableau de contingence indique les effectifs observés. Pour un test d’indépendance du khi-deux, trouvez l’effectif attendu E de la case « équipe de nuit, majeur ».

total de la ligne = 93total de la colonne = 61N = 176
E =
10.Tests du khi-deuxDifficile
dfα = 0,05α = 0,0113,8416,63525,9919,21037,81511,34549,48813,277511,07015,086612,59216,812714,06718,475815,50720,090916,91921,6661018,30723,209

Un test d’indépendance du khi-deux est effectué sur un tableau de contingence de 3 lignes et 6 colonnes (sans compter les totaux). À l’aide de la table, trouvez la valeur critique χ²crit au seuil de signification α = 0,05.

α = 0,05
χ²crit =

3Solutions

1.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
2.Loi normale

Réponse: x = 71,7 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) = 0,75

z d’après la table

z ≈ 0,67

Retour aux unités d’origine

x = 65 + 0,67·10 = 71,7 points

Réponse

x = 71,7 points
3.Intervalles de confiance

Réponse: borne inférieure = 4,957 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 = 15, t = 2,131

Marge d'erreur

E = 2,131·5,9/√16 = 3,143

Intervalle

8,1 ± 3,143 → [4,957, 11,24]

Réponse

borne inférieure = 4,957 mmHg
4.Intervalles de confiance

Réponse: borne inférieure = −8,738 kg

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.

Écart-type commun

sp² = (11·8² + 18·3,5²)/29 = 31,88
sp = 5,646

Marge d'erreur

E = 2,756·5,646·√(1/12 + 1/19) = 5,738

Intervalle

−3 ± 5,738 → [−8,738, 2,738]

Réponse

borne inférieure = −8,738 kg
5.Tests d'hypothèse et intervalles de confiance

Réponse: p = 0,06944

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 = 2,5/√25 = 0,5
z = (119,26 − 120)/0,5 = −1,48

Aire de la queue

Φ(1,48) = 0,9306
1 − Φ(1,48) = 0,0694

Valeur p

p = 0,06944

Réponse

p = 0,06944

p > 0,05, donc H₀ n’est pas rejetée au seuil de 5 %.

6.Tests d'hypothèse et intervalles de confiance

Réponse: n = 27

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 = (2,576·5/2,5)² = 26,54

Arrondir vers le haut

n = 27

Réponse

n = 27
7.Régression linéaire et corrélation

Réponse: r² = 0,9687

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 = 141/6 = 23,5
ȳ = 555/6 = 92,5

Sommes des carrés et des produits

Sxx = Σ(x − x̄)² = 157,5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 712,5
Syy = Σ(y − ȳ)² = 3328

Coefficient de détermination

r² = 712,5²/(157,5·3328) = 0,9687

Réponse

r² = 0,9687

Environ 96,87 % de la variation de y est expliquée par la droite.

8.Régression linéaire et corrélation

Réponse: e = −4,3

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 = 212/5 = 42,4

Sommes des carrés et des produits

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 108

Droite de régression

b = 108/40 = 2,7
a = 42,4 − 2,7·5 = 28,9
ŷ = 28,9 + 2,7·x

Valeur prédite

ŷ = 28,9 + 2,7·2 = 34,3

Résidu

e = 30 − 34,3 = −4,3

Réponse

e = −4,3

Le point se trouve en dessous de la droite.

9.Tests du khi-deux

Réponse: E = 32,23

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.

Effectif attendu

E = 93·61/176 = 32,23

Réponse

E = 32,23
10.Tests du khi-deux

Réponse: χ²crit = 18,31

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.

Degrés de liberté

df = (3 − 1)·(6 − 1) = 10

Table

χ²crit(df = 10, α = 0,05) = 18,307

Réponse

χ²crit = 18,307

Rejetez H₀ si le χ² calculé est supérieur à cette valeur.

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