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
202530354045

Trova la deviazione standard campionaria s dei dati: 43, 28, 29, 17, 47, 35.

n = 6
s =
2.Statistica descrittivaDifficile
z −2−1012

I voti di un esame hanno distribuzione normale con media 60 e deviazione standard 12. Trova il punteggio z z di un voto pari a 75.

μ = 60σ = 12x = 75
z =
3.ProbabilitàMedia
xp(x)00,3510,320,35μ = 1

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

x: 0, 1, 2p(x): 0,35, 0,3, 0,35
Var(X) =
4.ProbabilitàDifficile
€p(x)−10,8820,190,02

Giocare a un gioco costa 1 €. Si vincono 3 € con probabilità 0,1 e 10 € con probabilità 0,02; altrimenti non si vince nulla. La posta non viene restituita. Trova il guadagno netto atteso E(G) per partita.

posta = €1€3: p = 0,1€10: p = 0,02
E(G) = €
5.Distribuzione normaleMedia
200 mm200,6 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 200,6 mm. Arrotonda z a due decimali.

μX = 120, σX = 0,3μY = 80, σY = 0,4X + Y > 200,6 mm
P =
6.Distribuzione normaleDifficile
μ = 100x = ?10%

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 10 % dei dati (il 10° percentile).

μ = 100σ = 15P = 10%
x = punti
7.Intervalli di confidenzaMedia
n = 11, sd​ = 1,10LU = ?d̄ = 9,7E99%

La pressione arteriosa di 11 pazienti viene misurata prima e dopo un trattamento. Le differenze d = prima − dopo (mmHg) hanno media 9,7 e deviazione standard 1,1. Trova il limite superiore dell’intervallo di confidenza al 99% per la differenza media.

n = 11d̄ = 9,7sd = 1,199%t(10) = 3,169
limite superiore = mmHg
8.Intervalli di confidenzaDifficile
n = 15Lσ = ?s = 10,595%

I diametri di 15 alberi lavorati alla macchina hanno una deviazione standard campionaria di 10,5 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 = 14, il 2,5% della distribuzione χ² si trova sotto 5,629 e il 2,5% sopra 26,119.

n = 15s = 10,5 µmχ² = 5,629, 26,119
σ = µm
9.Test d'ipotesi e intervalli di confidenzaMedia
−1,961,96z = ?

Due linee di produzione fabbricano lo stesso pezzo. Linea 1: un campione di 40 pezzi ha lunghezza media 143,5 mm, e la deviazione standard nota della linea è 4 mm. Linea 2: un campione di 100 pezzi ha media 138,3 mm, deviazione standard nota 15 mm. Trova la statistica test z per H₀: μ₁ = μ₂, prendendo la differenza come x̄₁ − x̄₂ (linea 1 meno linea 2).

n₁ = 40x̄₁ = 143,5 mmσ₁ = 4 mmn₂ = 100x̄₂ = 138,3 mmσ₂ = 15 mm
z =
10.Test d'ipotesi e intervalli di confidenzaDifficile
z −2,57602,576

Un campione di 49 misure ha media 120,4. La deviazione standard della popolazione è 10. Trova il limite inferiore L dell'intervallo di confidenza al 99 % per la media.

x̄ = 120,4σ = 10n = 4999%
L =
11.Regressione lineare e correlazioneMedia
xy1679189520114221252413326146xy2025100150

La tabella riporta 6 osservazioni appaiate di x = temperatura in °C e y = gelati venduti. Trova il coefficiente di determinazione r² della retta dei minimi quadrati.

n = 6
r² =
12.Regressione lineare e correlazioneDifficile
xy155418722176249327100xy1520256080100x = 16,5

La tabella riporta 5 osservazioni appaiate di x = temperatura in °C e y = gelati venduti. Usa la retta dei minimi quadrati ŷ = a + b·x. Prevedi ŷ per x = 16,5.

n = 5x = 16,5
ŷ =

3Soluzioni

1.Statistica descrittiva

Risposta: s = 10,93

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 = 199/6 = 33,17

Scarti al quadrato

Σ(x − x̄)² = 9,833² + (−5,167)² + (−4,167)² + (−16,17)² + 13,83² + 1,833² = 596,8

Deviazione standard

s = √(596,8/5) = 10,93

Risposta

s = 10,93
2.Statistica descrittiva

Risposta: z = 1,25

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 = (75 − 60)/12 = 1,25

Risposta

z = 1,25
3.Probabilità

Risposta: Var(X) = 0,7

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 = 0·0,35 + 1·0,3 + 2·0,35 = 1

Media dei quadrati

E(X²) = 0·0,35 + 1·0,3 + 4·0,35 = 1,7

Varianza

Var(X) = 1,7 − 1² = 0,7

Risposta

Var(X) = 0,7
4.Probabilità

Risposta: E(G) = −0,5 €

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.

Esiti netti

G: 2 (p = 0,1), 9 (p = 0,02), −1 (p = 0,88)

Valore atteso

E(G) = 2·0,1 + 9·0,02 − 1·0,88 = −0,5 €

Risposta

E(G) = −0,5 €

Un valore negativo significa che in media perdi denaro.

5.Distribuzione normale

Risposta: P = 0,1151

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 = (200,6 − 200)/0,5 = 1,2

Coda superiore

P = 1 − Φ(1,2) = 1 − 0,8849 = 0,1151

Risposta

P = 0,1151
6.Distribuzione normale

Risposta: x = 80,78 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) = 0,1 → z = −1,282

Ritorno a x

x = 100 + −1,282·15 = 80,78 punti

Risposta

x = 80,78 punti
7.Intervalli di confidenza

Risposta: limite superiore = 10,75 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 = 10, t = 3,169

Margine di errore

E = 3,169·1,1/√11 = 1,051

Intervallo

9,7 ± 1,051 → [8,649, 10,75]

Risposta

limite superiore = 10,75 mmHg
8.Intervalli di confidenza

Risposta: σ = 16,56 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 = 14·10,5² = 1544

Limiti per σ²

1544/26,119 = 59,09
1544/5,629 = 274,2

Limite per σ

σ = √274,2 = 16,56 µm

Risposta

σ = 16,56 µm

Intervallo al 95% per σ: [7,687, 16,56] µm.

9.Test d'ipotesi e intervalli di confidenza

Risposta: z = 3,194

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.

Errore standard della differenza

SE = √(4²/40 + 15²/100) = √2,65 = 1,628

Statistica test

z = (143,5 − 138,3)/1,628 = 3,194

Risposta

z = 3,194

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

10.Test d'ipotesi e intervalli di confidenza

Risposta: L = 116,7

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 = 2,576·10/√49 = 3,68

Limite dell'intervallo

L = 120,4 − 3,68 = 116,7

Risposta

L = 116,7
11.Regressione lineare e correlazione

Risposta: r² = 0,981

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 = 126/6 = 21
ȳ = 692/6 = 115,3

Somme dei quadrati e dei prodotti

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 460
Syy = Σ(y − ȳ)² = 3081

Coefficiente di determinazione

r² = 460²/(70·3081) = 0,981

Risposta

r² = 0,981

Circa il 98,1% della variabilità di y è spiegato dalla retta.

12.Regressione lineare e correlazione

Risposta: ŷ = 62,05

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 = 105/5 = 21
ȳ = 395/5 = 79

Somme dei quadrati e dei prodotti

Sxx = Σ(x − x̄)² = 90
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 339

Retta di regressione

b = 339/90 = 3,767
a = 79 − 3,767·21 = −0,1
ŷ = −0,1 + 3,767·x

Previsione

ŷ = −0,1 + 3,767·16,5 = 62,05

Risposta

ŷ = 62,05

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