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
10152025303540455055

Trova la deviazione standard campionaria s dei dati: 30, 10, 19, 57, 30.

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

I voti di un esame hanno distribuzione normale con media 70 e deviazione standard 15. Trova il punteggio z z di un voto pari a 55.

μ = 70σ = 15x = 55
z =
3.ProbabilitàMedia
xp(x)10,3520,230,3540,1μ = 2,2

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

x: 1, 2, 3, 4p(x): 0,35, 0,2, 0,35, 0,1
σ =
4.ProbabilitàDifficile
n = 6, p = 0,25: P(X ≤ 1) = ?k0123456

Si collaudano 6 componenti, e ciascuno si guasta con probabilità 0,25, in modo indipendente. Qual è la probabilità P che se ne guasti al massimo uno?

n = 6p = 0,25
P =
5.Distribuzione normaleMedia
480 g484,2 gT = X₁ + … + X₁₂?

Le masse di bulloni sono indipendenti e normali con media 40 g e deviazione standard 1,2 g. Trova la probabilità P che la massa totale di 12 di essi superi 484,2 g. Arrotonda z a due decimali.

μ = 40 gσ = 1,2 gn = 12> 484,2 g
P =
6.Distribuzione normaleDifficile
μ = 500x = ?95%

Supponi che le durate delle batterie abbiano una distribuzione normale con media 500 h e deviazione standard 40 h. Trova il valore x sotto il quale si trova il 95 % dei dati (il 95° percentile).

μ = 500σ = 40P = 95%
x = h
7.Intervalli di confidenzaMedia
n = 7, sd​ = 0,90LUd̄ = −5E = ?90%

La pressione arteriosa di 7 pazienti viene misurata prima e dopo un trattamento. Le differenze d = prima − dopo (mmHg) hanno media −5 e deviazione standard 0,9. Trova il margine di errore E dell’intervallo di confidenza al 90% per la differenza media.

n = 7d̄ = −5sd = 0,990%t(6) = 1,943
E = mmHg
8.Intervalli di confidenzaDifficile
σ = 35, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 395%

La deviazione standard della popolazione è 35. Quanto deve essere grande il campione n perché un intervallo di confidenza al 95 % per la media abbia un margine di errore non superiore a 3?

σ = 35E = 395%
n =
9.Test d'ipotesi e intervalli di confidenzaMedia
1,82p = ?

Si afferma che la media di una popolazione sia 250; la deviazione standard della popolazione è nota e vale 10. Un campione casuale di 25 osservazioni ha media 253,64. Verifica H₀: μ = 250 contro H₁: μ > 250. Trova il p-value p.

μ₀ = 250σ = 10n = 25x̄ = 253,64H₁: μ > μ₀
p =
10.Test d'ipotesi e intervalli di confidenzaDifficile
−1,961,96z = ?

In una sperimentazione, 50 pazienti su 200 con il trattamento A guariscono, e 25 su 80 con il trattamento B. Usando la proporzione combinata, trova la statistica test z per H₀: p₁ = p₂.

x₁ = 50n₁ = 200x₂ = 25n₂ = 80
z =
11.Regressione lineare e correlazioneMedia
xy146816671886209522109xy152080100

La tabella riporta 5 osservazioni appaiate di x = temperatura in °C e y = gelati venduti. Trova il coefficiente di correlazione di Pearson r.

n = 5
r =
12.Regressione lineare e correlazioneDifficile
xy18892010222113241252612928150xy2025100120140x = 27

La tabella riporta 6 osservazioni appaiate di x = temperatura in °C e y = gelati venduti. Usa la retta dei minimi quadrati ŷ = a + b·x. Si effettua una nuova osservazione (27, 137). Trova il suo residuo e = y − ŷ.

n = 6(27, 137)
e =

3Soluzioni

1.Statistica descrittiva

Risposta: s = 17,66

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 = 146/5 = 29,2

Scarti al quadrato

Σ(x − x̄)² = 0,8² + (−19,2)² + (−10,2)² + 27,8² + 0,8² = 1247

Deviazione standard

s = √(1247/4) = 17,66

Risposta

s = 17,66
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 = (55 − 70)/15 = −1

Risposta

z = −1
3.Probabilità

Risposta: σ = 1,03

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

Media dei quadrati

E(X²) = 1·0,35 + 4·0,2 + 9·0,35 + 16·0,1 = 5,9

Varianza

Var(X) = 5,9 − 2,2² = 1,06
σ = √1,06 = 1,03

Risposta

σ = 1,03
4.Probabilità

Risposta: P = 0,5339

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) = 0,756 = 0,178
P(X = 1) = 6·0,25·0,755 = 0,356

Sommale

P = 0,178 + 0,356 = 0,5339

Risposta

P = 0,5339
5.Distribuzione normale

Risposta: P = 0,1562

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 del totale

μT = 480 g, σT = 1,2·√12 = 4,157 g

Standardizza

z = (484,2 − 480)/4,157 = 1,01

Probabilità

P = 1 − Φ(1,01) = 0,1562

Risposta

P = 0,1562
6.Distribuzione normale

Risposta: x = 565,8 h

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) = 0,95 → z = 1,645

Ritorno a x

x = 500 + 1,645·40 = 565,8 h

Risposta

x = 565,8 h
7.Intervalli di confidenza

Risposta: E = 0,6609 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.

Valore critico

df = 6, t = 1,943

Margine di errore

E = 1,943·0,9/√7 = 0,6609

Risposta

E = 0,6609 mmHg
8.Intervalli di confidenza

Risposta: n = 523

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 = (1,96·35/3)² = 522,9

Arrotonda per eccesso

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

n = 523

Risposta

n = 523
9.Test d'ipotesi e intervalli di confidenza

Risposta: p = 0,03438

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.

Statistica test

SE = σ/√n = 10/√25 = 2
z = (253,64 − 250)/2 = 1,82

Area della coda

Φ(1,82) = 0,9656
1 − Φ(1,82) = 0,0344

p-value

p = 0,03438

Risposta

p = 0,03438

p ≤ 0,05, quindi H₀ viene rifiutata al livello del 5%.

10.Test d'ipotesi e intervalli di confidenza

Risposta: z = −1,067

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 = 50/200 = 0,25
p̂₂ = 25/80 = 0,3125
p̂ = 75/280 = 0,2679

Errore standard sotto H₀

SE = √(0,2679·0,7321·(1/200 + 1/80)) = 0,05858

Statistica test

z = (0,25 − 0,3125)/0,05858 = −1,067

Risposta

z = −1,067

|z| < 1.96, quindi H₀ non viene rifiutata al livello del 5% (bilaterale).

11.Regressione lineare e correlazione

Risposta: r = 0,9685

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 = 90/5 = 18
ȳ = 425/5 = 85

Somme dei quadrati e dei prodotti

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 220
Syy = Σ(y − ȳ)² = 1290

Coefficiente di correlazione

r = 220/√(40·1290) = 0,9685

Risposta

r = 0,9685
12.Regressione lineare e correlazione

Risposta: e = −3,743

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 = 138/6 = 23
ȳ = 708/6 = 118

Somme dei quadrati e dei prodotti

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 398

Retta di regressione

b = 398/70 = 5,686
a = 118 − 5,686·23 = −12,77
ŷ = −12,77 + 5,686·x

Valore previsto

ŷ = −12,77 + 5,686·27 = 140,7

Residuo

e = 137 − 140,7 = −3,743

Risposta

e = −3,743

Il punto si trova sotto la retta.

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