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: 46, 22, 13, 16, 48, 45, 14.

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

I voti di un esame hanno distribuzione normale con media 500 e deviazione standard 25. Trova il punteggio z z di un voto pari a 550.

μ = 500σ = 25x = 550
z =
3.ProbabilitàMedia
xp(x)100,35200,1300,25400,3μ = 25

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

x: 10, 20, 30, 40p(x): 0,35, 0,1, 0,25, 0,3
Var(X) =
4.ProbabilitàDifficile
n = 10, p = 0,2: P(X ≤ 1) = ?k012345678910

Si collaudano 10 componenti, e ciascuno si guasta con probabilità 0,2, in modo indipendente. Qual è la probabilità P che se ne guasti al massimo uno?

n = 10p = 0,2
P =
5.Distribuzione normaleMedia
178,35183,6P = ?

Supponi che le altezze degli uomini adulti abbiano una distribuzione normale con media 178 cm e deviazione standard 7 cm. Quale frazione è compresa tra 178,35 e 183,6 cm? Dai P come numero decimale.

μ = 178σ = 7x1 = 178,35x2 = 183,6
P =
6.Distribuzione normaleDifficile
μ = 178x = ?25%

Supponi che le altezze degli uomini adulti abbiano una distribuzione normale con media 178 cm e deviazione standard 7 cm. Trova il valore x sotto il quale si trova il 25 % dei dati (il 25° percentile).

μ = 178σ = 7P = 25%
x = cm
7.Intervalli di confidenzaMedia
n = 13, s = 3,5LU = ?x̄ = 67,5E90%

Un campione di 13 elementi ha media 67,5 e deviazione standard s = 3,5. La popolazione è approssimativamente normale. Trova il limite superiore dell’intervallo di confidenza al 90 % per la media.

n = 13x̄ = 67,5s = 3,590%t(12) = 1,782
limite superiore =
8.Intervalli di confidenzaDifficile
σ = 18, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 599%

La deviazione standard della popolazione è 18. Quanto deve essere grande il campione n perché un intervallo di confidenza al 99 % per la media abbia un margine di errore non superiore a 5?

σ = 18E = 599%
n =
9.Test d'ipotesi e intervalli di confidenzaMedia
−1,241,24p = ?

Si afferma che la media di una popolazione sia 80; la deviazione standard della popolazione è nota e vale 12. Un campione casuale di 64 osservazioni ha media 81,86. Verifica H₀: μ = 80 contro H₁: μ ≠ 80. Trova il p-value p.

μ₀ = 80σ = 12n = 64x̄ = 81,86H₁: μ ≠ μ₀
p =
10.Test d'ipotesi e intervalli di confidenzaDifficile
z −1,64501,645

Un campione di 64 misure ha media 94,8. La deviazione standard della popolazione è 15. Trova il limite superiore U dell'intervallo di confidenza al 90 % per la media.

x̄ = 94,8σ = 15n = 6490%
U =
11.Regressione lineare e correlazioneMedia
xy128225327422522xy2422242628

La tabella riporta 5 osservazioni appaiate di x = età dell’auto in anni e y = prezzo in k€. Trova il coefficiente di determinazione r² della retta dei minimi quadrati.

n = 5
r² =
12.Regressione lineare e correlazioneDifficile
xy2541161181610201225xy5101020x = 9

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. Si effettua una nuova osservazione (9, 14). Trova il suo residuo e = y − ŷ.

n = 6(9, 14)
e =

3Soluzioni

1.Statistica descrittiva

Risposta: s = 16,35

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 = 204/7 = 29,14

Scarti al quadrato

Σ(x − x̄)² = 16,86² + (−7,143)² + (−16,14)² + (−13,14)² + 18,86² + 15,86² + (−15,14)² = 1605

Deviazione standard

s = √(1605/6) = 16,35

Risposta

s = 16,35
2.Statistica descrittiva

Risposta: z = 2

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 = (550 − 500)/25 = 2

Risposta

z = 2
3.Probabilità

Risposta: Var(X) = 155

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 = 10·0,35 + 20·0,1 + 30·0,25 + 40·0,3 = 25

Media dei quadrati

E(X²) = 100·0,35 + 400·0,1 + 900·0,25 + 1600·0,3 = 780

Varianza

Var(X) = 780 − 25² = 155

Risposta

Var(X) = 155
4.Probabilità

Risposta: P = 0,3758

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) = 0,810 = 0,1074
P(X = 1) = 10·0,2·0,89 = 0,2684

Sommale

P = 0,1074 + 0,2684 = 0,3758

Risposta

P = 0,3758
5.Distribuzione normale

Risposta: P = 0,2682

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 = (178,35 − 178)/7 = 0,05
z₂ = (183,6 − 178)/7 = 0,8

Area compresa

P = Φ(0,8) − Φ(0,05) = 0,7881 − 0,5199 = 0,2682

Risposta

P = 0,2682
6.Distribuzione normale

Risposta: x = 173,3 cm

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) = 0,25 → z = −0,6745

Ritorno a x

x = 178 + −0,6745·7 = 173,28 cm

Risposta

x = 173,28 cm
7.Intervalli di confidenza

Risposta: limite superiore = 69,23

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.

Valore critico

df = n − 1 = 12, t = 1,782

Margine di errore

E = 1,782·3,5/√13 = 1,73

Intervallo

67,5 ± 1,73 → [65,77, 69,23]

Risposta

limite superiore = 69,23
8.Intervalli di confidenza

Risposta: n = 86

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 = (2,576·18/5)² = 86

Arrotonda per eccesso

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

n = 86

Risposta

n = 86
9.Test d'ipotesi e intervalli di confidenza

Risposta: p = 0,215

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 = 12/√64 = 1,5
z = (81,86 − 80)/1,5 = 1,24

Area della coda

Φ(1,24) = 0,8925
1 − Φ(1,24) = 0,1075

p-value

p = 2·0,1075 = 0,215

Risposta

p = 0,215

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

10.Test d'ipotesi e intervalli di confidenza

Risposta: U = 97,88

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 = 1,645·15/√64 = 3,084

Limite dell'intervallo

U = 94,8 + 3,084 = 97,88

Risposta

U = 97,88
11.Regressione lineare e correlazione

Risposta: r² = 0,7305

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 = 15/5 = 3
ȳ = 124/5 = 24,8

Somme dei quadrati e dei prodotti

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −15
Syy = Σ(y − ȳ)² = 30,8

Coefficiente di determinazione

r² = −15²/(10·30,8) = 0,7305

Risposta

r² = 0,7305

Circa il 73,05% della variabilità di y è spiegato dalla retta.

12.Regressione lineare e correlazione

Risposta: e = −4,438

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 = 88/6 = 14,67

Somme dei quadrati e dei prodotti

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 132

Retta di regressione

b = 132/70 = 1,886
a = 14,67 − 1,886·7 = 1,467
ŷ = 1,467 + 1,886·x

Valore previsto

ŷ = 1,467 + 1,886·9 = 18,44

Residuo

e = 14 − 18,44 = −4,438

Risposta

e = −4,438

Il punto si trova sotto la retta.

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