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
152025303540455055

Trova la deviazione standard campionaria s dei dati: 19, 16, 40, 57, 59, 35, 11.

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

Una grandezza ha distribuzione normale con media 60 e deviazione standard 10. Quale proporzione P dei valori è superiore a 48?

μ = 60σ = 10x = 48
P =
3.ProbabilitàMedia
n = 8k = 3N = ?

In quanti modi N si può scegliere un comitato di 3 persone da un gruppo di 8? L'ordine non conta.

n = 8k = 3
N =
4.ProbabilitàDifficile
n = 9, p = 0,3: P(X ≤ 1) = ?k0123456789

Si collaudano 9 componenti, e ciascuno si guasta con probabilità 0,3, in modo indipendente. Qual è la probabilità P che se ne guasti al massimo uno?

n = 9p = 0,3
P =
5.Distribuzione normaleMedia
480534P = ?

Supponi che le durate delle batterie abbiano una distribuzione normale con media 500 h e deviazione standard 40 h. Quale frazione è compresa tra 480 e 534 h? Dai P come numero decimale.

μ = 500σ = 40x1 = 480x2 = 534
P =
6.Distribuzione normaleDifficile
0,02 mm0D − d?

I diametri D dei fori sono normali con media 25,02 mm e deviazione standard 0,01 mm. I diametri d degli alberi sono indipendenti e normali con media 25 mm e deviazione standard 0,02 mm. Un albero scelto a caso si accoppia quando D − d > 0. Trova la probabilità P che si accoppi. Arrotonda z a due decimali.

foro: μ = 25,02 mm, σ = 0,01 mmalbero: μ = 25 mm, σ = 0,02 mm
P =
7.Intervalli di confidenzaMedia
n = 9, sd​ = 6,80LU = ?d̄ = 5,8E95%

La pressione arteriosa di 9 pazienti viene misurata prima e dopo un trattamento. Le differenze d = prima − dopo (mmHg) hanno media 5,8 e deviazione standard 6,8. Trova il limite superiore dell’intervallo di confidenza al 95% per la differenza media.

n = 9d̄ = 5,8sd = 6,895%t(8) = 2,306
limite superiore = mmHg
8.Intervalli di confidenzaDifficile
σ = 28, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 199%

La deviazione standard della popolazione è 28. 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 1?

σ = 28E = 199%
n =
9.Test d'ipotesi e intervalli di confidenzaMedia
−0,860,86p = ?

Si afferma che la media di una popolazione sia 120; la deviazione standard della popolazione è nota e vale 3. Un campione casuale di 36 osservazioni ha media 119,57. Verifica H₀: μ = 120 contro H₁: μ ≠ 120. Trova il p-value p.

μ₀ = 120σ = 3n = 36x̄ = 119,57H₁: μ ≠ μ₀
p =
10.Test d'ipotesi e intervalli di confidenzaDifficile
z −1,64501,645

Un campione di 36 misure ha media 200,1. La deviazione standard della popolazione è 8. Trova il limite superiore U dell'intervallo di confidenza al 90 % per la media.

x̄ = 200,1σ = 8n = 3690%
U =
11.Regressione lineare e correlazioneMedia
xy171051911121130231392514227160xy2025120140160

La tabella riporta 6 osservazioni appaiate di x = temperatura in °C e y = gelati venduti. Trova il coefficiente di correlazione di Pearson r.

n = 6
r =
12.Regressione lineare e correlazioneDifficile
xy121219321415517612xy2461520x = 3,5

La tabella riporta 6 osservazioni appaiate di x = età dell’auto in anni e y = prezzo in k€. Usa la retta dei minimi quadrati ŷ = a + b·x. Si effettua una nuova osservazione (3,5, 22). Trova il suo residuo e = y − ŷ.

n = 6(3,5, 22)
e =

3Soluzioni

1.Statistica descrittiva

Risposta: s = 19,45

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 = 237/7 = 33,86

Scarti al quadrato

Σ(x − x̄)² = (−14,86)² + (−17,86)² + 6,143² + 23,14² + 25,14² + 1,143² + (−22,86)² = 2269

Deviazione standard

s = √(2269/6) = 19,45

Risposta

s = 19,45
2.Statistica descrittiva

Risposta: P = 0,8849

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 = −1,2

Tavola della normale standard

Φ(−1,2) = 0,1151
P = 1 − 0,1151 = 0,8849

Risposta

P = 0,8849
3.Probabilità

Risposta: N = 56

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.

Combinazioni

C(8, 3) = (8·7·6)/(3·2·1) = 56

Risposta

N = 56
4.Probabilità

Risposta: P = 0,196

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) = 0,79 = 0,04035
P(X = 1) = 9·0,3·0,78 = 0,1556

Sommale

P = 0,04035 + 0,1556 = 0,196

Risposta

P = 0,196
5.Distribuzione normale

Risposta: P = 0,4938

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 = (480 − 500)/40 = −0,5
z₂ = (534 − 500)/40 = 0,85

Area compresa

P = Φ(0,85) − Φ(−0,5) = 0,8023 − 0,3085 = 0,4938

Risposta

P = 0,4938
6.Distribuzione normale

Risposta: P = 0,8133

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 differenza

μ = 25,02 − 25 = 0,02 mm, σ = 0,02236 mm

Standardizza

z = (0 − 0,02)/0,02236 = −0,89

Probabilità

P = 1 − Φ(−0,89) = 0,8133

Risposta

P = 0,8133
7.Intervalli di confidenza

Risposta: limite superiore = 11,03 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 = 8, t = 2,306

Margine di errore

E = 2,306·6,8/√9 = 5,227

Intervallo

5,8 ± 5,227 → [0,5731, 11,03]

Risposta

limite superiore = 11,03 mmHg
8.Intervalli di confidenza

Risposta: n = 5203

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 = (2,576·28/1)² = 5202

Arrotonda per eccesso

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

n = 5203

Risposta

n = 5203
9.Test d'ipotesi e intervalli di confidenza

Risposta: p = 0,3898

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 = 3/√36 = 0,5
z = (119,57 − 120)/0,5 = −0,86

Area della coda

Φ(0,86) = 0,8051
1 − Φ(0,86) = 0,1949

p-value

p = 2·0,1949 = 0,3898

Risposta

p = 0,3898

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

10.Test d'ipotesi e intervalli di confidenza

Risposta: U = 202,3

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 = 1,645·8/√36 = 2,193

Limite dell'intervallo

U = 200,1 + 2,193 = 202,3

Risposta

U = 202,3
11.Regressione lineare e correlazione

Risposta: r = 0,9826

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 = 132/6 = 22
ȳ = 787/6 = 131,2

Somme dei quadrati e dei prodotti

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 377
Syy = Σ(y − ȳ)² = 2103

Coefficiente di correlazione

r = 377/√(70·2103) = 0,9826

Risposta

r = 0,9826
12.Regressione lineare e correlazione

Risposta: e = 4,5

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 = 21/6 = 3,5
ȳ = 105/6 = 17,5

Somme dei quadrati e dei prodotti

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17,5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −28,5

Retta di regressione

b = −28,5/17,5 = −1,629
a = 17,5 − (−1,629)·3,5 = 23,2
ŷ = 23,2 − 1,629·x

Valore previsto

ŷ = 23,2 + (−1,629)·3,5 = 17,5

Residuo

e = 22 − 17,5 = 4,5

Risposta

e = 4,5

Il punto si trova sopra la retta.

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