기초통계학: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 12개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

기술통계

평균
x̄ = Σx/n
표본 표준편차
s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))
중앙값
정렬한 데이터의 가운데 값
z 점수
z = (x − μ)/σ
정규분포
±1σ 안에 68%, ±2σ 안에 95%

확률

여사건
P(not A) = 1 − P(A)
덧셈 정리
P(A ∪ B) = P(A) + P(B) − P(A ∩ B)
독립 사건
P(A ∩ B) = P(A)·P(B)
조건부 확률
P(A|B) = P(A ∩ B)/P(B)
이항분포
P(X = k) = C(n,k)·pk(1 − p)n−k

정규분포

z 점수
z = (x − μ)/σ
x 미만
P(X < x) = Φ(z)
x 초과
P(X > x) = 1 − Φ(z)
두 값 사이
Φ(z2) − Φ(z1)
백분위수
x = μ + z·σ

방법

  1. 값을 z 점수로 바꾸세요: z = (x − μ)/σ.
  2. z 왼쪽의 넓이인 Φ(z)를 표에서 찾으세요.
  3. 오른쪽 넓이는 1 − Φ(z)를 쓰고, 구간은 두 왼쪽 넓이를 빼세요.
  4. 백분위수는 거꾸로 구하세요: 넓이에 해당하는 z를 찾은 다음 x = μ + z·σ.

신뢰구간

σ를 알 때
x̄ ± z·σ/√n
σ를 모를 때
x̄ ± t·s/√n, df = n − 1
임계 z값
90%: 1.645, 95%: 1.96, 99%: 2.576
표본 크기
n = (z·σ/E)², rounded up

방법

  1. z(모집단 σ를 앎)와 t(표본 s만 알고, 자유도 n − 1) 중에서 고르세요.
  2. 신뢰수준에 해당하는 임곗값을 찾으세요.
  3. 오차 한계: E = 임곗값 × 표준편차/√n.
  4. 구간: x̄ ± E.

가설 검정과 신뢰구간

평균에 대한 z 검정
z = (x̄ − μ0)/(σ/√n)
평균에 대한 t 검정
t = (x̄ − μ0)/(s/√n), df = n − 1
유의수준 5% 양측 검정
|z| > 1.96이면 H0 기각
신뢰구간
x̄ ± z·σ/√n

방법

  1. H₀과 H₁을 세우고 단측 검정인지 양측 검정인지 정하세요.
  2. 검정 통계량을 계산하세요: (x̄ − μ₀)/(σ/√n), 또는 s와 t를 사용.
  3. 임곗값과 비교하거나 p값을 구하세요.
  4. 통계량이 임곗값을 넘으면(p가 α보다 작으면) H₀을 기각하고, 결론을 문장으로 쓰세요.

선형 회귀와 상관

제곱합
Sxx = Σ(x − x̄)² = Σx² − (Σx)²/n, Sxy = Σxy − ΣxΣy/n
기울기
b = Sxy/Sxx
절편
a = ȳ − b·x̄
상관계수
r = Sxy/√(SxxSyy)
잔차
e = y − ŷ

2연습 문제

1.기술통계보통
303540455055

자료의 표본 표준편차 s를 구하세요: 55, 45, 59, 58, 29, 49, 45.

n = 7
s =
2.기술통계어려움
z −2−1012

시험 점수는 평균 500, 표준편차 75인 정규분포를 따릅니다. 462.5점의 z점수 z를 구하세요.

μ = 500σ = 75x = 462.5
z =
3.확률보통
xp(x)100.15200.35300.3400.2μ = 25.5

표의 분포에 대해 X의 분산 Var(X)을(를) 구하시오.

x: 10, 20, 30, 40p(x): 0.15, 0.35, 0.3, 0.2
Var(X) =
4.확률어려움
n = 11, p = 0.4: P(X = 2) = ?k01234567891011

어떤 시험에 객관식 문제가 11개 있습니다. 찍어서 푸는 학생은 각 문제를 독립적으로 확률 0.4로 맞힙니다. 정확히 2개를 맞힐 확률 P는 얼마일까요?

n = 11p = 0.4k = 2
P =
5.정규분포보통
−3−2−10123z−z와 z 사이의 색칠한 넓이 = 0.9500

표준 정규 곡선 아래에서 −z와 z 사이의 색칠한 넓이가 0.9500이 되도록 z를 끌어 놓으세요. z을 소수 둘째 자리까지 구하세요.

A = 0.9500
z =
6.정규분포어려움
157164171178185192199cm위 60%

성인 남성의 키은(는) 평균 178 cm, 표준편차 7 cm인 정규분포를 따릅니다. 색칠한 상위 60%가 오른쪽에 오도록 기준값을 끌어 놓으세요. 기준값 x을 구하세요.

μ = 178 cmσ = 7 cm60%
x = cm
7.신뢰구간보통
μ₁ − μ₂0L = ?Ux̄₁ − x̄₂E95%

두 휴대전화 모델의 배터리 수명을 비교한다. 모델 1: 휴대전화 40대, 평균 98 h, 알려진 표준 편차 18 h. 모델 2: 휴대전화 40대, 평균 95 h, 알려진 표준 편차 4 h. μ₁ − μ₂에 대한 95% 신뢰구간의 하한을 구하시오.

n₁ = 40x̄₁ = 98 hσ₁ = 18 hn₂ = 40x̄₂ = 95 hσ₂ = 4 h95%
하한 = h
8.신뢰구간어려움
n = 25σ = ?Us = 11.295%

기계 가공한 축 25개의 지름의 표본 표준 편차는 11.2 µm이다. 지름이 정규 분포를 따른다고 가정하고, 모집단 표준 편차에 대한 95% 신뢰구간의 하한 σ을(를) 구하시오. df = 24에서 χ² 분포의 2.5%는 12.401 아래에, 2.5%는 39.364 위에 있다.

n = 25s = 11.2 µmχ² = 12.401, 39.364
σ = µm
9.가설 검정과 신뢰구간보통
−1.961.96z = ?

두 생산 라인이 같은 부품을 만든다. 라인 1: 부품 80개 표본의 평균 길이는 55.5 mm이고, 라인의 알려진 표준 편차는 14 mm이다. 라인 2: 부품 50개 표본의 평균은 57.5 mm, 알려진 표준 편차는 11 mm이다. 차이를 x̄₁ − x̄₂(라인 1 빼기 라인 2)로 하여 H₀: μ₁ = μ₂에 대한 검정 통계량 z을(를) 구하시오.

n₁ = 80x̄₁ = 55.5 mmσ₁ = 14 mmn₂ = 50x̄₂ = 57.5 mmσ₂ = 11 mm
z =
10.가설 검정과 신뢰구간어려움
z −1.9601.96

측정값 64개의 표본 평균은 97.3입니다. 모표준편차는 12입니다. 평균에 대한 95% 신뢰구간의 상한 U를 구하세요.

x̄ = 97.3σ = 12n = 6495%
U =
11.선형 회귀와 상관보통
xy256364470578685xy246607080

표에는 x = 공부 시간, y = 시험 점수의 짝지은 관측값 5쌍이 있습니다. 최소제곱 직선의 결정계수 r²을(를) 구하세요.

n = 5
r² =
12.선형 회귀와 상관어려움
xy2541361782110211225xy5101020x = 11

표에는 x = 하중(kN), y = 늘음량(mm)의 짝지은 관측값 6쌍이 있습니다. 최소제곱 직선 ŷ = a + b·x를 쓰세요. x = 11일 때 ŷ을(를) 예측하세요.

n = 6x = 11
ŷ =

3용액

1.기술통계

답: s = 10.39

기술통계: 평균은 합을 n으로 나눈 값이고, 중앙값은 정렬된 자료의 가운데 값입니다(n이 짝수면 가운데 두 값의 평균). 표본 표준편차는 s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)). z점수 z = (x − μ)/σ는 어떤 값이 평균에서 표준편차 몇 개만큼 떨어져 있는지를 나타냅니다.

평균

x̄ = 340/7 = 48.57

편차의 제곱

Σ(x − x̄)² = 6.429² + (−3.571)² + 10.43² + 9.429² + (−19.57)² + 0.4286² + (−3.571)² = 647.7

표준편차

s = √(647.7/6) = 10.39

답

s = 10.39
2.기술통계

답: z = −0.5

기술통계: 평균은 합을 n으로 나눈 값이고, 중앙값은 정렬된 자료의 가운데 값입니다(n이 짝수면 가운데 두 값의 평균). 표본 표준편차는 s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)). z점수 z = (x − μ)/σ는 어떤 값이 평균에서 표준편차 몇 개만큼 떨어져 있는지를 나타냅니다.

표준화하기

z = (462.5 − 500)/75 = −0.5

답

z = −0.5
3.확률

답: Var(X) = 94.75

이산 확률변수: 확률분포는 변수가 가질 수 있는 모든 값 x와 그 확률 p(x)를 나열합니다. 확률은 0과 1 사이이며 합이 1입니다. 기댓값(평균)은 E(X) = Σx·p(x)로, 장기적인 평균입니다. 분산은 Var(X) = Σ(x − μ)²·p(x) = E(X²) − μ²이고, 표준편차는 σ = √Var(X)입니다. 일차 변환 Y = aX + b에서는 E(Y) = a·E(X) + b, Var(Y) = a²·Var(X), σY = |a|·σX입니다. 상수를 더해도 퍼짐은 변하지 않습니다.

평균

μ = 10·0.15 + 20·0.35 + 30·0.3 + 40·0.2 = 25.5

제곱의 평균

E(X²) = 100·0.15 + 400·0.35 + 900·0.3 + 1600·0.2 = 745

분산

Var(X) = 745 − 25.5² = 94.75

답

Var(X) = 94.75
4.확률

답: P = 0.08868

확률: 결과가 모두 같은 정도로 일어날 때 P(A) = 유리한 경우의 수/전체 경우의 수. 독립 사건은 곱합니다: P(A 그리고 B) = P(A)·P(B). 여사건이 자주 도움이 됩니다: P(적어도 하나) = 1 − P(하나도 없음). 이항분포: 성공 확률 p인 독립 시행 n번에서 P(X = k) = C(n, k)·pᵏ·(1 − p)ⁿ⁻ᵏ.

이항분포 공식

P(X = 2) = 55·0.42·0.69 = 55·0.16·0.01008 = 0.08868

답

P = 0.08868
5.정규분포

답: z = 1.96

넓이에서 z로 되돌아가기: Φ(z)는 z의 왼쪽 넓이입니다. 왼쪽 꼬리 넓이 A이면 표에서 Φ(z) = A인 z를 찾습니다. 오른쪽 꼬리 넓이 A이면 Φ(z) = 1 − A입니다. −z와 z 사이의 가운데 넓이 A이면 양쪽 꼬리에 (1 − A)/2씩 남으므로 Φ(z) = (1 + A)/2입니다. 값 x에는 x = μ + zσ를 쓰세요.

z의 왼쪽 넓이

Φ(z) = (1 + 0.9500)/2 = 0.9750

z-표를 거꾸로 읽기

표 안에서 0.9750을 찾아 z를 읽으세요.

z = 1.96

답

z = 1.96
6.정규분포

답: x = 176.3 cm

넓이에서 z로 되돌아가기: Φ(z)는 z의 왼쪽 넓이입니다. 왼쪽 꼬리 넓이 A이면 표에서 Φ(z) = A인 z를 찾습니다. 오른쪽 꼬리 넓이 A이면 Φ(z) = 1 − A입니다. −z와 z 사이의 가운데 넓이 A이면 양쪽 꼬리에 (1 − A)/2씩 남으므로 Φ(z) = (1 + A)/2입니다. 값 x에는 x = μ + zσ를 쓰세요.

왼쪽 넓이

Φ(z) = 0.4

표에서 구한 z

z ≈ −0.25

원래 단위로 되돌리기

x = 178 − 0.25·7 = 176.3 cm

답

x = 176.3 cm
7.신뢰구간

답: 하한 = −2.714 h

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.

점추정값

x̄₁ − x̄₂ = 98 − 95 = 3

표준오차

SE = √(18²/40 + 4²/40) = 2.915

오차 한계

E = 1.96·2.915 = 5.714

구간

3 ± 5.714 → [−2.714, 8.714]

답

하한 = −2.714 h

구간이 0을 포함하므로 자료는 유의한 차이를 보여 주지 않습니다.

8.신뢰구간

답: σ = 8.745 µm

분산의 구간: (n − 1)s²/σ²은 자유도 n − 1의 χ² 분포를 따릅니다. σ²의 95% 구간은 (n − 1)s²를 위쪽 χ² 값(그 위에 2.5%)으로 나눈 값에서 아래쪽 χ² 값(그 아래에 2.5%)으로 나눈 값까지이며, σ의 구간은 두 한계의 제곱근입니다. 이 구간은 s를 중심으로 대칭이 아닙니다.

제곱합

(n − 1)s² = 24·11.2² = 3011

σ²의 한계

3011/39.364 = 76.48
3011/12.401 = 242.8

σ의 한계

σ = √76.48 = 8.745 µm

답

σ = 8.745 µm

σ의 95% 구간: [8.745, 15.58] µm.

9.가설 검정과 신뢰구간

답: z = −0.9063

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.

차의 표준 오차

SE = √(14²/80 + 11²/50) = √4.87 = 2.207

검정통계량

z = (55.5 − 57.5)/2.207 = −0.9063

답

z = −0.9063

|z| < 1.96이므로 5% 수준(양측)에서 H₀를 기각하지 않습니다.

10.가설 검정과 신뢰구간

답: U = 100.2

평균 검정: 검정통계량은 표본평균이 H₀에서 주장하는 값과 표준오차 몇 개만큼 떨어져 있는지를 나타냅니다: σ를 알면 z = (x̄ − μ₀)/(σ/√n), 표본에서 추정하면 t = (x̄ − μ₀)/(s/√n). 신뢰구간은 x̄ ± (임계값)·(표준오차)입니다.

오차 한계

E = 1.96·12/√64 = 2.94

구간 끝값

U = 97.3 + 2.94 = 100.2

답

U = 100.2
11.선형 회귀와 상관

답: r² = 0.9985

최소제곱 회귀: 평균을 x̄, ȳ라 하고 Sxx = Σ(x − x̄)², Syy = Σ(y − ȳ)², Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ)라 하면, 직선 ŷ = a + b·x의 기울기는 b = Sxy/Sxx, 절편은 a = ȳ − b·x̄이므로 이 직선은 항상 (x̄, ȳ)를 지납니다. 피어슨 상관계수 r = Sxy/√(Sxx·Syy)는 −1과 1 사이에 있으며, r²은 y의 변동 중 직선으로 설명되는 비율입니다.

평균

x̄ = 20/5 = 4
ȳ = 353/5 = 70.6

제곱합과 곱의 합

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 72
Syy = Σ(y − ȳ)² = 519.2

결정계수

r² = 72²/(10·519.2) = 0.9985

답

r² = 0.9985

y의 변동 중 약 99.85%가 직선으로 설명됩니다.

12.선형 회귀와 상관

답: ŷ = 24.31

최소제곱 회귀: 평균을 x̄, ȳ라 하고 Sxx = Σ(x − x̄)², Syy = Σ(y − ȳ)², Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ)라 하면, 직선 ŷ = a + b·x의 기울기는 b = Sxy/Sxx, 절편은 a = ȳ − b·x̄이므로 이 직선은 항상 (x̄, ȳ)를 지납니다. 피어슨 상관계수 r = Sxy/√(Sxx·Syy)는 −1과 1 사이에 있으며, r²은 y의 변동 중 직선으로 설명되는 비율입니다.

평균

x̄ = 42/6 = 7
ȳ = 102/6 = 17

제곱합과 곱의 합

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 128

회귀직선

b = 128/70 = 1.829
a = 17 − 1.829·7 = 4.2
ŷ = 4.2 + 1.829·x

예측

ŷ = 4.2 + 1.829·11 = 24.31

답

ŷ = 24.31

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