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
283032343638404244

Trova la deviazione standard campionaria s dei dati: 44, 45, 30, 28, 27.

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

I voti di un esame hanno distribuzione normale con media 70 e deviazione standard 12. Trova il punteggio z z di un voto pari a 74,8.

μ = 70σ = 12x = 74,8
z =
3.ProbabilitàMedia
xp(x)00,310,220,2530,1540,1μ = 1,55

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

x: 0, 1, 2, 3, 4p(x): 0,3, 0,2, 0,25, 0,15, 0,1
σ =
4.ProbabilitàDifficile
n = 9, p = 0,6: P(X ≤ 1) = ?k0123456789

Si collaudano 9 componenti, e ciascuno si guasta con probabilità 0,6, in modo indipendente. Qual è la probabilità P che se ne guasti al massimo uno?

n = 9p = 0,6
P =
5.Distribuzione normaleMedia
−3−2−10123zarea ombreggiata tra −z e z = 0,3182

Trascina z in modo che l’area ombreggiata tra −z e z sotto la curva normale standard sia 0,3182. Trova z con due decimali.

A = 0,3182
z =
6.Distribuzione normaleDifficile
μ = 32x = ?10%

Supponi che i tempi di consegna abbiano una distribuzione normale con media 32 min e deviazione standard 6 min. Trova il valore x sotto il quale si trova il 10 % dei dati (il 10° percentile).

μ = 32σ = 6P = 10%
x = min
7.Intervalli di confidenzaMedia
n = 15, sd​ = 1,70LU = ?d̄ = 4,1E99%

La pressione arteriosa di 15 pazienti viene misurata prima e dopo un trattamento. Le differenze d = prima − dopo (mmHg) hanno media 4,1 e deviazione standard 1,7. Trova il limite superiore dell’intervallo di confidenza al 99% per la differenza media.

n = 15d̄ = 4,1sd = 1,799%t(14) = 2,977
limite superiore = mmHg
8.Intervalli di confidenzaDifficile
p ≈ 0,7, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0,0299%

Uno studio pilota indica che circa 0,7 dei prodotti sono difettosi. Quanti prodotti n si devono ispezionare perché un intervallo di confidenza al 99% per la proporzione abbia un margine di errore di al massimo 0,02?

p ≈ 0,7E = 0,0299%
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 2,69 e la deviazione standard delle differenze è 2,5. Trova la statistica test per dati appaiati t per H₀: μd = 0.

n = 10d̄ = 2,69sd = 2,5
t =
10.Test d'ipotesi e intervalli di confidenzaDifficile
z −1,64501,645

Un campione di 49 misure ha media 115,2. La deviazione standard della popolazione è 12. Trova il limite superiore U dell'intervallo di confidenza al 90 % per la media.

x̄ = 115,2σ = 12n = 4990%
U =
11.Regressione lineare e correlazioneMedia
xy2114186268341043xy51010203040

La tabella riporta 5 osservazioni appaiate di x = carico in kN e y = allungamento in mm. Trova il coefficiente di determinazione r² della retta dei minimi quadrati.

n = 5
r² =
12.Regressione lineare e correlazioneDifficile
xy26486108141017xy5101015x = 9

La tabella riporta 5 osservazioni appaiate di x = carico in kN e y = allungamento in mm. Usa la retta dei minimi quadrati ŷ = a + b·x. Si effettua una nuova osservazione (9, 13). Trova il suo residuo e = y − ŷ.

n = 5(9, 13)
e =

3Soluzioni

1.Statistica descrittiva

Risposta: s = 8,927

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 = 174/5 = 34,8

Scarti al quadrato

Σ(x − x̄)² = 9,2² + 10,2² + (−4,8)² + (−6,8)² + (−7,8)² = 318,8

Deviazione standard

s = √(318,8/4) = 8,927

Risposta

s = 8,927
2.Statistica descrittiva

Risposta: z = 0,4

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 = (74,8 − 70)/12 = 0,4

Risposta

z = 0,4
3.Probabilità

Risposta: σ = 1,322

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 = 0·0,3 + 1·0,2 + 2·0,25 + 3·0,15 + 4·0,1 = 1,55

Media dei quadrati

E(X²) = 0·0,3 + 1·0,2 + 4·0,25 + 9·0,15 + 16·0,1 = 4,15

Varianza

Var(X) = 4,15 − 1,55² = 1,748
σ = √1,748 = 1,322

Risposta

σ = 1,322
4.Probabilità

Risposta: P = 0,003801

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) = 0,49 = 0,0002621
P(X = 1) = 9·0,6·0,48 = 0,003539

Sommale

P = 0,0002621 + 0,003539 = 0,003801

Risposta

P = 0,003801
5.Distribuzione normale

Risposta: z = 0,41

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 di z

Φ(z) = (1 + 0,3182)/2 = 0,6591

Leggi la tabella z al contrario

Trova 0,6591 dentro la tabella e leggi z.

z = 0,41

Risposta

z = 0,41
6.Distribuzione normale

Risposta: x = 24,31 min

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) = 0,1 → z = −1,282

Ritorno a x

x = 32 + −1,282·6 = 24,31 min

Risposta

x = 24,31 min
7.Intervalli di confidenza

Risposta: limite superiore = 5,407 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 = 14, t = 2,977

Margine di errore

E = 2,977·1,7/√15 = 1,307

Intervallo

4,1 ± 1,307 → [2,793, 5,407]

Risposta

limite superiore = 5,407 mmHg
8.Intervalli di confidenza

Risposta: n = 3484

Confidence interval for a proportion: p̂ ± z·√(p̂(1 − p̂)/n), where p̂ = x/n. To reach a margin E you need n ≥ z²·p(1 − p)/E², rounded up; without a prior estimate use p = 0,5, which gives the largest n.

Ricava n

n = 2,576²·0,7·0,3/0,02² = 3484

Arrotonda per eccesso

n = 3484

Risposta

n = 3484
9.Test d'ipotesi e intervalli di confidenza

Risposta: t = 3,403

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 = 2,5/√10 = 0,7906

Statistica test

t = 2,69/0,7906 = 3,403

Risposta

t = 3,403

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

10.Test d'ipotesi e intervalli di confidenza

Risposta: U = 118

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).

Margine di errore

E = 1,645·12/√49 = 2,82

Limite dell'intervallo

U = 115,2 + 2,82 = 118

Risposta

U = 118
11.Regressione lineare e correlazione

Risposta: r² = 0,9981

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 = 132/5 = 26,4

Somme dei quadrati e dei prodotti

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 160
Syy = Σ(y − ȳ)² = 641,2

Coefficiente di determinazione

r² = 160²/(40·641,2) = 0,9981

Risposta

r² = 0,9981

Circa il 99,81% della variabilità di y è spiegato dalla retta.

12.Regressione lineare e correlazione

Risposta: e = −2,2

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 = 55/5 = 11

Somme dei quadrati e dei prodotti

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 56

Retta di regressione

b = 56/40 = 1,4
a = 11 − 1,4·6 = 2,6
ŷ = 2,6 + 1,4·x

Valore previsto

ŷ = 2,6 + 1,4·9 = 15,2

Residuo

e = 13 − 15,2 = −2,2

Risposta

e = −2,2

Il punto si trova sotto la retta.

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