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: 12, 46, 19, 21, 33.

n = 5
s =
2.Statistica descrittivaDifficile
z −2−1012

Una grandezza ha distribuzione normale con media 500 e deviazione standard 60. Quale proporzione P dei valori è inferiore a 452?

μ = 500σ = 60x = 452
P =
3.ProbabilitàMedia
P(almeno un sei) = ??1?2?3?4?5?6P(sei) = 1/6 a ogni lancio

Si lancia un dado equo 6 volte. Qual è la probabilità P di ottenere almeno un sei?

n = 6
P =
4.ProbabilitàDifficile
n = 10, p = 0,7: P(X ≤ 1) = ?k012345678910

Si collaudano 10 componenti, e ciascuno si guasta con probabilità 0,7, in modo indipendente. Qual è la probabilità P che se ne guasti al massimo uno?

n = 10p = 0,7
P =
5.Distribuzione normaleMedia
200 mm199,6 mmX + Y?

X è normale con media 120 mm e deviazione standard 0,3 mm; Y è indipendente e normale con media 80 mm e deviazione standard 0,4 mm. Trova la probabilità P che X + Y sia maggiore di 199,6 mm. Arrotonda z a due decimali.

μX = 120, σX = 0,3μY = 80, σY = 0,4X + Y > 199,6 mm
P =
6.Distribuzione normaleDifficile
10 cm0X − Y?

Le altezze X degli uomini e Y delle donne di un gruppo sono indipendenti e normali: X ha media 180 cm e deviazione standard 10 cm, Y ha media 170 cm e deviazione standard 12 cm. Trova la probabilità P che X sia maggiore di Y. Arrotonda z a due decimali.

μX = 180 cm, σX = 10 cmμY = 170 cm, σY = 12 cm
P =
7.Intervalli di confidenzaMedia
μ₁ − μ₂0LU = ?x̄₁ − x̄₂E90%

Si confronta la durata della batteria di due modelli di telefono. Modello 1: 80 telefoni, media 145,5 h, deviazione standard nota 18 h. Modello 2: 50 telefoni, media 160 h, deviazione standard nota 9 h. Trova il limite superiore dell’intervallo di confidenza al 90% per μ₁ − μ₂.

n₁ = 80x̄₁ = 145,5 hσ₁ = 18 hn₂ = 50x̄₂ = 160 hσ₂ = 9 h90%
limite superiore = h
8.Intervalli di confidenzaDifficile
n = 16Lσ = ?s = 7,395%

I diametri di 16 alberi lavorati alla macchina hanno una deviazione standard campionaria di 7,3 µm. Supponendo che i diametri siano distribuiti normalmente, trova il limite superiore σ dell’intervallo di confidenza al 95% per la deviazione standard della popolazione. Con df = 15, il 2,5% della distribuzione χ² si trova sotto 6,262 e il 2,5% sopra 27,488.

n = 16s = 7,3 µmχ² = 6,262, 27,488
σ = µm
9.Test d'ipotesi e intervalli di confidenzaMedia
−2,3652,365t = ?df = 7

8 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 2,55 e la deviazione standard delle differenze è 1,9. Trova la statistica test per dati appaiati t per H₀: μd = 0.

n = 8d̄ = 2,55sd = 1,9
t =
10.Test d'ipotesi e intervalli di confidenzaDifficile
H₀H₁μ₀x̄cμ₀ + 5α = 0,05βσ = 18, potenza 90%, n = ?

Un test z unilaterale con α = 0,05 deve rilevare uno spostamento della media di 5 unità con una potenza del 90%. La deviazione standard è 18. Trova la dimensione minima del campione n.

α = 0,05potenza = 90%δ = 5σ = 18zα = 1,645zβ = 1,282
n =
11.Regressione lineare e correlazioneMedia
xy294146198291033xy510102030

La tabella riporta 5 osservazioni appaiate di x = carico in kN e y = allungamento in mm. Trova il coefficiente di correlazione di Pearson r.

n = 5
r =
12.Regressione lineare e correlazioneDifficile
xy33954574795411611365xy510405060x = 12

La tabella riporta 6 osservazioni appaiate di x = spesa pubblicitaria in k€ e y = vendite in k€. Usa la retta dei minimi quadrati ŷ = a + b·x. Prevedi ŷ per x = 12.

n = 6x = 12
ŷ =

3Soluzioni

1.Statistica descrittiva

Risposta: s = 13,41

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 = 131/5 = 26,2

Scarti al quadrato

Σ(x − x̄)² = (−14,2)² + 19,8² + (−7,2)² + (−5,2)² + 6,8² = 718,8

Deviazione standard

s = √(718,8/4) = 13,41

Risposta

s = 13,41
2.Statistica descrittiva

Risposta: P = 0,2119

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 = −0,8

Tavola della normale standard

Φ(−0,8) = 0,2119
P = 0,2119

Risposta

P = 0,2119
3.Probabilità

Risposta: P = 0,6651

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.

Complementare

P(nessun sei) = (5/6)6 = 0,3349
P = 1 − 0,3349 = 0,6651

Risposta

P = 0,6651
4.Probabilità

Risposta: P = 0,0001437

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) = 0,310 = 5,905 × 10⁻⁶
P(X = 1) = 10·0,7·0,39 = 0,0001378

Sommale

P = 5,905 × 10⁻⁶ + 0,0001378 = 0,0001437

Risposta

P = 0,0001437
5.Distribuzione normale

Risposta: P = 0,7881

Somme e differenze di variabili normali: se X e Y sono indipendenti e normali, anche X + Y e X − Y sono normali. Le medie si sommano o si sottraggono: E(X ± Y) = μX ± μY. Le varianze si sommano sempre, anche per una differenza: Var(X ± Y) = σX² + σY², quindi σ = √(σX² + σY²). Le deviazioni standard non si sommano mai direttamente. Il totale di n elementi indipendenti con la stessa distribuzione ha media n·μ e deviazione standard σ·√n. Poi standardizza come al solito: z = (x − media)/σ e leggi Φ(z).

Distribuzione della somma

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

Standardizza

z = (199,6 − 200)/0,5 = −0,8

Coda superiore

P = 1 − Φ(−0,8) = 1 − 0,2119 = 0,7881

Risposta

P = 0,7881
6.Distribuzione normale

Risposta: P = 0,7389

Somme e differenze di variabili normali: se X e Y sono indipendenti e normali, anche X + Y e X − Y sono normali. Le medie si sommano o si sottraggono: E(X ± Y) = μX ± μY. Le varianze si sommano sempre, anche per una differenza: Var(X ± Y) = σX² + σY², quindi σ = √(σX² + σY²). Le deviazioni standard non si sommano mai direttamente. Il totale di n elementi indipendenti con la stessa distribuzione ha media n·μ e deviazione standard σ·√n. Poi standardizza come al solito: z = (x − media)/σ e leggi Φ(z).

Distribuzione della differenza

μ = 180 − 170 = 10 cm, σ = 15,62 cm

Standardizza

z = (0 − 10)/15,62 = −0,64

Probabilità

P = 1 − Φ(−0,64) = 0,7389

Risposta

P = 0,7389
7.Intervalli di confidenza

Risposta: limite superiore = −10,58 h

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.

Stima puntuale

x̄₁ − x̄₂ = 145,5 − 160 = −14,5

Errore standard

SE = √(18²/80 + 9²/50) = 2,381

Margine di errore

E = 1,645·2,381 = 3,917

Intervallo

−14,5 ± 3,917 → [−18,42, −10,58]

Risposta

limite superiore = −10,58 h

L’intervallo non contiene 0, quindi le medie differiscono in modo significativo.

8.Intervalli di confidenza

Risposta: σ = 11,3 µm

Intervallo per una varianza: (n − 1)s²/σ² ha una distribuzione χ² con n − 1 gradi di libertà. L’intervallo al 95% per σ² va da (n − 1)s² diviso il valore χ² superiore (2,5% al di sopra) a (n − 1)s² diviso il valore χ² inferiore (2,5% al di sotto); l’intervallo per σ è la radice quadrata di entrambi i limiti. Non è simmetrico rispetto a s.

Somma dei quadrati

(n − 1)s² = 15·7,3² = 799,4

Limiti per σ²

799,4/27,488 = 29,08
799,4/6,262 = 127,7

Limite per σ

σ = √127,7 = 11,3 µm

Risposta

σ = 11,3 µm

Intervallo al 95% per σ: [5,393, 11,3] µm.

9.Test d'ipotesi e intervalli di confidenza

Risposta: t = 3,796

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 = 1,9/√8 = 0,6718

Statistica test

t = 2,55/0,6718 = 3,796

Risposta

t = 3,796

Con df = 7, il valore critico bilaterale al 5% è 2,365; |t| è maggiore, quindi H₀ viene rifiutata.

10.Test d'ipotesi e intervalli di confidenza

Risposta: n = 112

Dimensione del campione per un test: per rilevare uno spostamento reale δ con potenza 1 − β in un test z unilaterale al livello α, l’errore standard deve soddisfare δ = (z_α + z_β)·σ/√n, quindi n = ((z_α + z_β)·σ/δ)², arrotondato per eccesso.

Ricava n

n = ((1,645 + 1,282)·18/5)² = 111

Arrotonda per eccesso

n = 112

Risposta

n = 112
11.Regressione lineare e correlazione

Risposta: r = 0,9902

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 = 30/5 = 6
ȳ = 104/5 = 20,8

Somme dei quadrati e dei prodotti

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 126
Syy = Σ(y − ȳ)² = 404,8

Coefficiente di correlazione

r = 126/√(40·404,8) = 0,9902

Risposta

r = 0,9902
12.Regressione lineare e correlazione

Risposta: ŷ = 62,4

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 = 48/6 = 8
ȳ = 311/6 = 51,83

Somme dei quadrati e dei prodotti

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 185

Retta di regressione

b = 185/70 = 2,643
a = 51,83 − 2,643·8 = 30,69
ŷ = 30,69 + 2,643·x

Previsione

ŷ = 30,69 + 2,643·12 = 62,4

Risposta

ŷ = 62,4

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