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
253035404550

Trova la deviazione standard campionaria s dei dati: 48, 44, 25, 38, 24, 32, 50.

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

Una grandezza ha distribuzione normale con media 50 e deviazione standard 20. Quale proporzione P dei valori è inferiore a 75?

μ = 50σ = 20x = 75
P =
3.ProbabilitàMedia
xp(x)00,1520,2540,2560,35μ = 3,6

Per la distribuzione mostrata, trova la varianza Var(X) di X.

x: 0, 2, 4, 6p(x): 0,15, 0,25, 0,25, 0,35
Var(X) =
4.ProbabilitàDifficile
n = 12, p = 0,7: P(X = 1) = ?k0123456789101112

Un test ha 12 domande a risposta multipla. Una studentessa che tira a indovinare risponde correttamente a ciascuna con probabilità 0,7, in modo indipendente. Qual è la probabilità P di avere esattamente 1 risposte corrette?

n = 12p = 0,7k = 1
P =
5.Distribuzione normaleMedia
88123,25P = ?

Supponi che i punteggi del QI abbiano una distribuzione normale con media 100 punti e deviazione standard 15 punti. Quale frazione è compresa tra 88 e 123,25 punti? Dai P come numero decimale.

μ = 100σ = 15x1 = 88x2 = 123,25
P =
6.Distribuzione normaleDifficile
157164171178185192199cmin basso 30%

I valori di le altezze degli uomini adulti sono distribuiti normalmente con media 178 cm e deviazione standard 7 cm. Trascina la soglia in modo che il 30% più basso ombreggiato stia alla sua sinistra. Trova la soglia x.

μ = 178 cmσ = 7 cm30%
x = cm
7.Intervalli di confidenzaMedia
μ₁ − μ₂0LUx̄₁ − x̄₂E = ?90%

Si confronta la durata della batteria di due modelli di telefono. Modello 1: 100 telefoni, media 149 h, deviazione standard nota 15 h. Modello 2: 40 telefoni, media 151 h, deviazione standard nota 16 h. Trova il margine di errore E dell’intervallo di confidenza al 90% per μ₁ − μ₂.

n₁ = 100x̄₁ = 149 hσ₁ = 15 hn₂ = 40x̄₂ = 151 hσ₂ = 16 h90%
E = h
8.Intervalli di confidenzaDifficile
μ₁ − μ₂, t(14) = 2,9770LUx̄₁ − x̄₂E = ?99%

Si provano due fertilizzanti. Gruppo di parcelle 1: 8 parcelle, resa media 81,5 kg, deviazione standard 5 kg. Gruppo di parcelle 2: 8 parcelle, media 81 kg, deviazione standard 2,5 kg. Supponi varianze uguali (t combinato, df = n₁ + n₂ − 2). Trova il margine di errore E dell’intervallo di confidenza al 99% per μ₁ − μ₂.

n₁ = 8x̄₁ = 81,5s₁ = 5n₂ = 8x̄₂ = 81s₂ = 2,599%t(14) = 2,977
E = kg
9.Test d'ipotesi e intervalli di confidenzaMedia
−2,1312,131t = ?df = 15

Si confrontano due metodi didattici. Gruppo 1: 12 studenti, punteggio medio 65,5, deviazione standard 8,5. Gruppo 2: 5 studenti, punteggio medio 77,6, deviazione standard 4. Supponi varianze della popolazione uguali e usa il test t a due campioni con varianza combinata. Trova la statistica test t per H₀: μ₁ = μ₂, prendendo la differenza come x̄₁ − x̄₂ (gruppo 1 meno gruppo 2).

n₁ = 12x̄₁ = 65,5s₁ = 8,5n₂ = 5x̄₂ = 77,6s₂ = 4
t =
10.Test d'ipotesi e intervalli di confidenzaDifficile
σ = 10, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 399%

Quanto deve essere grande un campione perché l'intervallo di confidenza al 99 % per una media abbia un margine di errore di al massimo 3? La deviazione standard è 10. Trova la dimensione minima del campione n.

σ = 10E = 399%
n =
11.Regressione lineare e correlazioneMedia
xy235344441550653xy2464050

La tabella riporta 5 osservazioni appaiate di x = spesa pubblicitaria in k€ e y = vendite in k€. Trova il coefficiente di correlazione di Pearson r.

n = 5
r =
12.Regressione lineare e correlazioneDifficile
xy274961482210271231xy510102030x = 11

La tabella riporta 6 osservazioni appaiate di x = carico in kN e y = allungamento in mm. Usa la retta dei minimi quadrati ŷ = a + b·x. Prevedi ŷ per x = 11.

n = 6x = 11
ŷ =

3Soluzioni

1.Statistica descrittiva

Risposta: s = 10,63

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 = 261/7 = 37,29

Scarti al quadrato

Σ(x − x̄)² = 10,71² + 6,714² + (−12,29)² + 0,7143² + (−13,29)² + (−5,286)² + 12,71² = 677,4

Deviazione standard

s = √(677,4/6) = 10,63

Risposta

s = 10,63
2.Statistica descrittiva

Risposta: P = 0,8944

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 = 1,25

Tavola della normale standard

Φ(1,25) = 0,8944
P = 0,8944

Risposta

P = 0,8944
3.Probabilità

Risposta: Var(X) = 4,64

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 = 0·0,15 + 2·0,25 + 4·0,25 + 6·0,35 = 3,6

Media dei quadrati

E(X²) = 0·0,15 + 4·0,25 + 16·0,25 + 36·0,35 = 17,6

Varianza

Var(X) = 17,6 − 3,6² = 4,64

Risposta

Var(X) = 4,64
4.Probabilità

Risposta: P = 1,488 × 10⁻⁵

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.

Formula binomiale

P(X = 1) = 12·0,71·0,311 = 12·0,7·1,771 × 10⁻⁶ = 1,488 × 10⁻⁵

Risposta

P = 1,488 × 10⁻⁵
5.Distribuzione normale

Risposta: P = 0,7276

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 = (88 − 100)/15 = −0,8
z₂ = (123,25 − 100)/15 = 1,55

Area compresa

P = Φ(1,55) − Φ(−0,8) = 0,9394 − 0,2119 = 0,7276

Risposta

P = 0,7276
6.Distribuzione normale

Risposta: x = 174,4 cm

Da un’area a z: Φ(z) è l’area a sinistra di z. Per un’area di coda sinistra A, trova z con Φ(z) = A nella tabella. Un’area di coda destra A significa Φ(z) = 1 − A. Un’area centrale A tra −z e z lascia (1 − A)/2 in ciascuna coda, quindi Φ(z) = (1 + A)/2. Per un valore x, usa x = μ + zσ.

Area a sinistra

Φ(z) = 0,3

z dalla tabella

z ≈ −0,52

Di nuovo nelle unità originali

x = 178 − 0,52·7 = 174,4 cm

Risposta

x = 174,4 cm
7.Intervalli di confidenza

Risposta: E = 4,838 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 = 149 − 151 = −2

Errore standard

SE = √(15²/100 + 16²/40) = 2,941

Margine di errore

E = 1,645·2,941 = 4,838

Risposta

E = 4,838 h

L’intervallo contiene 0, quindi i dati non mostrano una differenza significativa.

8.Intervalli di confidenza

Risposta: E = 5,884 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.

Deviazione standard combinata

sp² = (7·5² + 7·2,5²)/14 = 15,63
sp = 3,953

Margine di errore

E = 2,977·3,953·√(1/8 + 1/8) = 5,884

Risposta

E = 5,884 kg
9.Test d'ipotesi e intervalli di confidenza

Risposta: t = −3,004

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.

Varianza combinata

sp² = (11·8,5² + 4·4²)/15 = 57,25
sp = 7,566

Errore standard

SE = 7,566·√(1/12 + 1/5) = 4,028

Statistica test

t = (65,5 − 77,6)/4,028 = −3,004

Risposta

t = −3,004

Con df = 15, il valore critico bilaterale al 5% è 2,131; |t| è maggiore, quindi H₀ viene rifiutata.

10.Test d'ipotesi e intervalli di confidenza

Risposta: n = 74

Test su una media: la statistica test misura a quanti errori standard la media campionaria si trova dal valore dichiarato in H₀: z = (x̄ − μ₀)/(σ/√n) se σ è nota, t = (x̄ − μ₀)/(s/√n) se viene stimata dal campione. Un intervallo di confidenza è x̄ ± (valore critico)·(errore standard).

Ricava n

n = (2,576·10/3)² = 73,73

Arrotonda per eccesso

n = 74

Risposta

n = 74
11.Regressione lineare e correlazione

Risposta: r = 0,9272

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 = 20/5 = 4
ȳ = 223/5 = 44,6

Somme dei quadrati e dei prodotti

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 42
Syy = Σ(y − ȳ)² = 205,2

Coefficiente di correlazione

r = 42/√(10·205,2) = 0,9272

Risposta

r = 0,9272
12.Regressione lineare e correlazione

Risposta: ŷ = 28,73

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 = 42/6 = 7
ȳ = 110/6 = 18,33

Somme dei quadrati e dei prodotti

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 182

Retta di regressione

b = 182/70 = 2,6
a = 18,33 − 2,6·7 = 0,1333
ŷ = 0,1333 + 2,6·x

Previsione

ŷ = 0,1333 + 2,6·11 = 28,73

Risposta

ŷ = 28,73

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