Statistica: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 12 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Statistica descrittiva

Media
x̄ = Σx/n
Deviazione standard campionaria
s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))
Mediana
valore centrale dei dati ordinati
Punteggio z
z = (x − μ)/σ
Distribuzione normale
68% entro ±1σ, 95% entro ±2σ

Probabilità

Complementare
P(not A) = 1 − P(A)
Regola della somma
P(A ∪ B) = P(A) + P(B) − P(A ∩ B)
Eventi indipendenti
P(A ∩ B) = P(A)·P(B)
Probabilità condizionata
P(A|B) = P(A ∩ B)/P(B)
Binomiale
P(X = k) = C(n,k)·pk(1 − p)n−k

Distribuzione normale

Punteggio z
z = (x − μ)/σ
Sotto x
P(X < x) = Φ(z)
Sopra x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
Tra due valori
Φ(z2) − Φ(z1)
Percentile
x = μ + z·σ

Metodo

  1. Converti il valore in un punteggio z: z = (x − μ)/σ.
  2. Cerca Φ(z), l’area a sinistra di z.
  3. Per l’area a destra usa 1 − Φ(z); per un intervallo sottrai le due aree a sinistra.
  4. Per un percentile procedi a ritroso: trova z per l’area, poi x = μ + z·σ.

Intervalli di confidenza

σ nota
x̄ ± z·σ/√n
σ incognita
x̄ ± t·s/√n, df = n − 1
z critico
90%: 1,645, 95%: 1,96, 99%: 2,576
Numerosità campionaria
n = (z·σ/E)², rounded up

Metodo

  1. Scegli tra z (σ della popolazione nota) e t (solo la s del campione, con n − 1 gradi di libertà).
  2. Trova il valore critico per il livello di confidenza.
  3. Margine di errore: E = valore critico × deviazione standard/√n.
  4. Intervallo: x̄ ± E.

Test d'ipotesi e intervalli di confidenza

Test z per una media
z = (x̄ − μ0)/(σ/√n)
Test t per una media
t = (x̄ − μ0)/(s/√n), df = n − 1
Bilaterale al 5%
rifiuta H0 se |z| > 1,96
Intervallo di confidenza
x̄ ± z·σ/√n

Metodo

  1. Formula H₀ e H₁ e stabilisci se il test è unilaterale o bilaterale.
  2. Calcola la statistica test: (x̄ − μ₀)/(σ/√n), oppure con s e t.
  3. Confrontala con il valore critico, oppure trova il p-value.
  4. Rifiuta H₀ se la statistica supera il valore critico (p inferiore ad α) ed esprimi la conclusione a parole.

Regressione lineare e correlazione

Somme dei quadrati
Sxx = Σ(x − x̄)² = Σx² − (Σx)²/n, Sxy = Σxy − ΣxΣy/n
Pendenza
b = Sxy/Sxx
Intercetta
a = ȳ − b·x̄
Correlazione
r = Sxy/√(SxxSyy)
Residuo
e = y − ŷ

2Esercizi

1.Statistica descrittivaMedia
15202530354045

Trova la deviazione standard campionaria s dei dati: 20, 15, 16, 28, 13, 14, 45.

n = 7
s =
2.Statistica descrittivaDifficile
z −2−1012

I voti di un esame hanno distribuzione normale con media 170 e deviazione standard 8. Trova il punteggio z z di un voto pari a 162.

μ = 170σ = 8x = 162
z =
3.ProbabilitàMedia
xp(x)10,320,3530,0540,3μ = 2,35

Per la distribuzione mostrata, trova la deviazione standard σ di X.

x: 1, 2, 3, 4p(x): 0,3, 0,35, 0,05, 0,3
σ =
4.ProbabilitàDifficile
n = 9, p = 0,5: P(X ≤ 1) = ?k0123456789

Si collaudano 9 componenti, e ciascuno si guasta con probabilità 0,5, in modo indipendente. Qual è la probabilità P che se ne guasti al massimo uno?

n = 9p = 0,5
P =
5.Distribuzione normaleMedia
452562P = ?

Supponi che le durate delle batterie abbiano una distribuzione normale con media 500 h e deviazione standard 40 h. Quale frazione è compresa tra 452 e 562 h? Dai P come numero decimale.

μ = 500σ = 40x1 = 452x2 = 562
P =
6.Distribuzione normaleDifficile
μ = 100x = ?75%

Supponi che i punteggi del QI abbiano una distribuzione normale con media 100 punti e deviazione standard 15 punti. Trova il valore x sotto il quale si trova il 75 % dei dati (il 75° percentile).

μ = 100σ = 15P = 75%
x = punti
7.Intervalli di confidenzaMedia
x̄E₁ = 8,690%, n = 64x̄E₂ = ?90%, n = 16

Un intervallo di confidenza al 90% per una media, basato su 64 osservazioni e σ nota, ha un margine di errore di 8,6. Qual è il margine di errore E₂ se lo stesso studio usa invece 16 osservazioni?

90%n₁ = 64E₁ = 8,6n₂ = 16
E₂ =
8.Intervalli di confidenzaDifficile
σ = 11, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 1,590%

La deviazione standard della popolazione è 11. Quanto deve essere grande il campione n perché un intervallo di confidenza al 90 % per la media abbia un margine di errore non superiore a 1,5?

σ = 11E = 1,590%
n =
9.Test d'ipotesi e intervalli di confidenzaMedia
−2,2622,262t = ?df = 9

10 dipendenti svolgono un test di dattilografia prima e dopo un corso di formazione. Per ogni persona si registra la differenza d = dopo − prima (parole al minuto). La differenza media è 6,7 e la deviazione standard delle differenze è 10,6. Trova la statistica test per dati appaiati t per H₀: μd = 0.

n = 10d̄ = 6,7sd = 10,6
t =
10.Test d'ipotesi e intervalli di confidenzaDifficile
−1,961,96z = ?

In una sperimentazione, 38 pazienti su 150 con il trattamento A guariscono, e 23 su 150 con il trattamento B. Usando la proporzione combinata, trova la statistica test z per H₀: p₁ = p₂.

x₁ = 38n₁ = 150x₂ = 23n₂ = 150
z =
11.Regressione lineare e correlazioneMedia
xy229338434543648746xy246304050

La tabella riporta 6 osservazioni appaiate di x = spesa pubblicitaria in k€ e y = vendite in k€. Le loro somme sono date. Trova il coefficiente di correlazione di Pearson r a partire da queste somme.

n = 6Σx = 27Σy = 238Σx² = 139Σy² = 9710Σxy = 1133
r =
12.Regressione lineare e correlazioneDifficile
xy12121931541451068xy246101520x = 5,5

La tabella riporta 6 osservazioni appaiate di x = età dell’auto in anni e y = prezzo in k€. Usa la retta dei minimi quadrati ŷ = a + b·x. Prevedi ŷ per x = 5,5.

n = 6x = 5,5
ŷ =

3Soluzioni

1.Statistica descrittiva

Risposta: s = 11,53

Statistica descrittiva: la media è la somma divisa per n; la mediana è il valore centrale dei dati ordinati (la media dei due centrali se n è pari). La deviazione standard campionaria è s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)). Un punteggio z = (x − μ)/σ dice a quante deviazioni standard dalla media si trova un valore.

Media

x̄ = 151/7 = 21,57

Scarti al quadrato

Σ(x − x̄)² = (−1,571)² + (−6,571)² + (−5,571)² + 6,429² + (−8,571)² + (−7,571)² + 23,43² = 797,7

Deviazione standard

s = √(797,7/6) = 11,53

Risposta

s = 11,53
2.Statistica descrittiva

Risposta: z = −1

Statistica descrittiva: la media è la somma divisa per n; la mediana è il valore centrale dei dati ordinati (la media dei due centrali se n è pari). La deviazione standard campionaria è s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)). Un punteggio z = (x − μ)/σ dice a quante deviazioni standard dalla media si trova un valore.

Standardizza

z = (162 − 170)/8 = −1

Risposta

z = −1
3.Probabilità

Risposta: σ = 1,195

Variabili aleatorie discrete: una distribuzione di probabilità elenca ogni valore x che una variabile può assumere con la sua probabilità p(x); le probabilità sono comprese tra 0 e 1 e sommano a 1. Il valore atteso (media) è E(X) = Σx·p(x), la media a lungo termine. La varianza è Var(X) = Σ(x − μ)²·p(x) = E(X²) − μ², e la deviazione standard è σ = √Var(X). Per una trasformazione lineare Y = aX + b: E(Y) = a·E(X) + b, Var(Y) = a²·Var(X) e σY = |a|·σX; aggiungere una costante non cambia la dispersione.

Media

μ = 1·0,3 + 2·0,35 + 3·0,05 + 4·0,3 = 2,35

Media dei quadrati

E(X²) = 1·0,3 + 4·0,35 + 9·0,05 + 16·0,3 = 6,95

Varianza

Var(X) = 6,95 − 2,35² = 1,428
σ = √1,428 = 1,195

Risposta

σ = 1,195
4.Probabilità

Risposta: P = 0,01953

Probabilità: con esiti equiprobabili, P(A) = casi favorevoli/casi possibili. Per eventi indipendenti si moltiplica: P(A e B) = P(A)·P(B). Il complementare aiuta spesso: P(almeno uno) = 1 − P(nessuno). Binomiale: in n prove indipendenti con probabilità di successo p, P(X = k) = C(n, k)·pᵏ·(1 − p)ⁿ⁻ᵏ.

Zero e un guasto

P(X = 0) = 0,59 = 0,001953
P(X = 1) = 9·0,5·0,58 = 0,01758

Sommale

P = 0,001953 + 0,01758 = 0,01953

Risposta

P = 0,01953
5.Distribuzione normale

Risposta: P = 0,8244

Distribuzione normale: trasforma un valore x in un punteggio z, z = (x − μ)/σ, che indica a quante deviazioni standard dalla media si trova. Una tavola z (o Φ(z)) dà l’area a sinistra di z, cioè P(X < x). L’area a destra è 1 − Φ(z), e l’area tra due valori è la differenza delle loro due aree.

Punteggi z

z₁ = (452 − 500)/40 = −1,2
z₂ = (562 − 500)/40 = 1,55

Area compresa

P = Φ(1,55) − Φ(−1,2) = 0,9394 − 0,1151 = 0,8244

Risposta

P = 0,8244
6.Distribuzione normale

Risposta: x = 110,1 punti

Distribuzione normale: trasforma un valore x in un punteggio z, z = (x − μ)/σ, che indica a quante deviazioni standard dalla media si trova. Una tavola z (o Φ(z)) dà l’area a sinistra di z, cioè P(X < x). L’area a destra è 1 − Φ(z), e l’area tra due valori è la differenza delle loro due aree.

z del percentile

Φ(z) = 0,75 → z = 0,6745

Ritorno a x

x = 100 + 0,6745·15 = 110,12 punti

Risposta

x = 110,12 punti
7.Intervalli di confidenza

Risposta: E₂ = 17,2

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.

Rapporto dei margini

E₂/E₁ = (1,645/1,645)·√(64/16) = 2

Nuovo margine

E₂ = 8,6·2 = 17,2

Risposta

E₂ = 17,2
8.Intervalli di confidenza

Risposta: n = 146

Intervallo di confidenza per una media: x̄ ± margine di errore. Con σ della popolazione nota il margine è z·σ/√n; se hai solo la deviazione standard campionaria s, usa t con n − 1 gradi di libertà: t·s/√n. Valori critici: z = 1,645 (90 %), 1,96 (95 %), 2,576 (99 %). Per ottenere un margine pari a E o inferiore serve n ≥ (z·σ/E)², arrotondato per eccesso.

Ricava n

n = (1,645·11/1,5)² = 145,5

Arrotonda per eccesso

La numerosità campionaria è un numero intero, e arrotondare per difetto renderebbe il margine troppo grande.

n = 146

Risposta

n = 146
9.Test d'ipotesi e intervalli di confidenza

Risposta: t = 1,999

Testing a mean: the test statistic measures how many standard errors the sample mean lies from the value claimed in H₀: z = (x̄ − μ₀)/(σ/√n) when σ is known, t = (x̄ − μ₀)/(s/√n) when it is estimated from the sample. A confidence interval is x̄ ± (critical value)·(standard error).

Errore standard della differenza media

SE = 10,6/√10 = 3,352

Statistica test

t = 6,7/3,352 = 1,999

Risposta

t = 1,999

Con df = 9, il valore critico bilaterale al 5% è 2,262; |t| è minore, quindi H₀ non viene rifiutata.

10.Test d'ipotesi e intervalli di confidenza

Risposta: z = 2,152

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.

Proporzioni campionarie

p̂₁ = 38/150 = 0,2533
p̂₂ = 23/150 = 0,1533
p̂ = 61/300 = 0,2033

Errore standard sotto H₀

SE = √(0,2033·0,7967·(1/150 + 1/150)) = 0,04647

Statistica test

z = (0,2533 − 0,1533)/0,04647 = 2,152

Risposta

z = 2,152

|z| > 1,96, quindi H₀ viene rifiutata al livello del 5% (bilaterale).

11.Regressione lineare e correlazione

Risposta: r = 0,9031

Regressione ai minimi quadrati: con x̄ e ȳ le medie, Sxx = Σ(x − x̄)², Syy = Σ(y − ȳ)² e Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ), la retta ŷ = a + b·x ha pendenza b = Sxy/Sxx e intercetta a = ȳ − b·x̄, quindi passa sempre per (x̄, ȳ). Il coefficiente di correlazione di Pearson r = Sxy/√(Sxx·Syy) è compreso tra −1 e 1; r² è la frazione della variabilità di y spiegata dalla retta.

Somme centrate

Sxy = 1133 − 27·238/6 = 62
Sxx = 139 − 27²/6 = 17,5
Syy = 9710 − 238²/6 = 269,3

Coefficiente di correlazione

r = 62/√(17,5·269,3) = 0,9031

Risposta

r = 0,9031
12.Regressione lineare e correlazione

Risposta: ŷ = 9,186

Regressione ai minimi quadrati: con x̄ e ȳ le medie, Sxx = Σ(x − x̄)², Syy = Σ(y − ȳ)² e Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ), la retta ŷ = a + b·x ha pendenza b = Sxy/Sxx e intercetta a = ȳ − b·x̄, quindi passa sempre per (x̄, ȳ). Il coefficiente di correlazione di Pearson r = Sxy/√(Sxx·Syy) è compreso tra −1 e 1; r² è la frazione della variabilità di y spiegata dalla retta.

Medie

x̄ = 21/6 = 3,5
ȳ = 87/6 = 14,5

Somme dei quadrati e dei prodotti

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17,5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −46,5

Retta di regressione

b = −46,5/17,5 = −2,657
a = 14,5 − (−2,657)·3,5 = 23,8
ŷ = 23,8 − 2,657·x

Previsione

ŷ = 23,8 + (−2,657)·5,5 = 9,186

Risposta

ŷ = 9,186

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