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)·p^k(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

값을 z 점수로 바꾸세요: z = (x − μ)/σ.
z 왼쪽의 넓이인 Φ(z)를 표에서 찾으세요.
오른쪽 넓이는 1 − Φ(z)를 쓰고, 구간은 두 왼쪽 넓이를 빼세요.
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

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

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

선형 회귀와 상관

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

2연습 문제

1.기술통계보통

자료의 표본 표준편차 s를 구하세요: 52, 19, 25, 13, 60, 58, 16.

n = 7

s =

2.기술통계어려움

어떤 양은 평균 60, 표준편차 12인 정규분포를 따릅니다. 42보다 큰 값의 비율 P는 얼마일까요?

μ = 60σ = 12x = 42

P =

3.확률보통

표의 분포에 대해 X의 분산 Var(X)을(를) 구하시오.

x: 10, 20, 30, 40p(x): 0.1, 0.25, 0.35, 0.3

Var(X) =

4.확률어려움

X의 분포가 표와 같고 Y = 10X − 3입니다. Y의 표준편차 σ_Y을(를) 구하시오.

x: 0, 2, 4, 6p(x): 0.3, 0.1, 0.3, 0.3Y = 10X − 3

σ_Y =

5.정규분포보통

표준 정규 곡선 아래에서 −z와 z 사이의 색칠한 넓이가 0.8230이 되도록 z를 끌어 놓으세요. z을 소수 둘째 자리까지 구하세요.

A = 0.8230

z =

6.정규분포어려움

IQ 점수은(는) 평균 100 점, 표준편차 15 점인 정규분포를 따릅니다. 전체의 80%가 그 아래에 있는 값 x(80 백분위수)을(를) 구하세요.

μ = 100σ = 15P = 80%

x = 점

7.신뢰구간보통

항목 25개의 표본 평균은 10.5, 표준편차는 s = 6입니다. 모집단은 대략 정규분포를 따릅니다. 평균에 대한 99% 신뢰구간의 하한을 구하세요.

n = 25x̄ = 10.5s = 699%t(24) = 2.797

하한 =

8.신뢰구간어려움

모표준편차는 28입니다. 평균에 대한 90% 신뢰구간의 오차 한계가 2.5 이하가 되려면 표본 크기 n이(가) 얼마나 커야 할까요?

σ = 28E = 2.590%

n =

9.가설 검정과 신뢰구간보통

학생 64명 표본의 평균 점수는 97.3, 표본 표준편차는 12입니다. H₀: μ = 100에 대한 검정통계량 t를 구하세요.

μ₀ = 100x̄ = 97.3s = 12n = 64

t =

10.가설 검정과 신뢰구간어려움

측정값 64개의 표본 평균은 101.5입니다. 모표준편차는 5입니다. 평균에 대한 99% 신뢰구간의 상한 U를 구하세요.

x̄ = 101.5σ = 5n = 6499%

U =

11.선형 회귀와 상관보통

표에는 x = 공부 시간, y = 시험 점수의 짝지은 관측값 6쌍이 있습니다. 최소제곱 직선의 결정계수 r²을(를) 구하세요.

n = 6

r² =

12.선형 회귀와 상관어려움

표에는 x = 광고비(k€), y = 매출(k€)의 짝지은 관측값 6쌍이 있습니다. 최소제곱 직선 ŷ = a + b·x를 쓰세요. x = 10일 때 ŷ을(를) 예측하세요.

n = 6x = 10

ŷ =

3용액

1.기술통계

답: s = 20.99

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 = 243/7 = 34.71

편차의 제곱

Σ(x − x̄)² = 17.29² + (−15.71)² + (−9.714)² + (−21.71)² + 25.29² + 23.29² + (−18.71)² = 2643

표준편차

s = √(2643/6) = 20.99

답

s = 20.99

2.기술통계

답: P = 0.9332

표준화하기

z = −1.5

표준정규분포표

Φ(−1.5) = 0.06681

P = 1 − 0.06681 = 0.9332

답

P = 0.9332

3.확률

답: Var(X) = 92.75

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), σ_Y = |a|·σ_X입니다. 상수를 더해도 퍼짐은 변하지 않습니다.

평균

μ = 10·0.1 + 20·0.25 + 30·0.35 + 40·0.3 = 28.5

제곱의 평균

E(X²) = 100·0.1 + 400·0.25 + 900·0.35 + 1600·0.3 = 905

분산

Var(X) = 905 − 28.5² = 92.75

답

Var(X) = 92.75

4.확률

답: σ_Y = 24

X의 퍼짐

μ = 3.2, Var(X) = 5.76, σ_X = 2.4

일차 변환

σ_Y = |10|·2.4 = 24

답

σ_Y = 24

평균은 실제로 이동합니다: E(Y) = 10·3.2 − 3 = 29.

5.정규분포

답: z = 1.35

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 + 0.8230)/2 = 0.9115

z-표를 거꾸로 읽기

표 안에서 0.9115을 찾아 z를 읽으세요.

z = 1.35

답

z = 1.35

6.정규분포

답: x = 112.6 점

정규분포: 값 x를 z점수 z = (x − μ)/σ로 바꾸면 평균에서 표준편차 몇 개만큼 떨어져 있는지 알 수 있습니다. z표(또는 Φ(z))는 z 왼쪽의 넓이, 즉 P(X < x)를 줍니다. 오른쪽 넓이는 1 − Φ(z)이고, 두 값 사이의 넓이는 두 넓이의 차입니다.

백분위수에 해당하는 z

Φ(z) = 0.8 → z = 0.8416

다시 x로

x = 100 + 0.8416·15 = 112.62 점

답

x = 112.62 점

7.신뢰구간

답: 하한 = 7.144

평균에 대한 신뢰구간: x̄ ± 오차 한계. 모집단의 σ를 알면 오차 한계는 z·σ/√n이고, 표본 표준편차 s만 있으면 자유도 n − 1인 t를 써서 t·s/√n입니다. 임계값: z = 1.645 (90%), 1.96 (95%), 2.576 (99%). 오차 한계를 E 이하로 하려면 n ≥ (z·σ/E)²이 필요하며, 올림합니다.

임계값

df = n − 1 = 24, t = 2.797

오차 한계

E = 2.797·6/√25 = 3.356

구간

10.5 ± 3.356 → [7.144, 13.86]

답

하한 = 7.144

8.신뢰구간

답: n = 340

n에 대해 풀기

n = (1.645·28/2.5)² = 339.4

올림하기

표본 크기는 정수이고, 내림하면 오차 한계가 너무 커집니다.

n = 340

답

n = 340

9.가설 검정과 신뢰구간

답: t = −1.8

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.

표준오차

SE = 12/√64 = 12/8 = 1.5

검정통계량

t = (97.3 − 100)/1.5 = −1.8

답

t = −1.8

t_{0.025; df = 63} = 1.998

|t| < 1.998이므로 5% 수준(양측)에서 H₀를 기각하지 않습니다.

10.가설 검정과 신뢰구간

답: U = 103.1

오차 한계

E = 2.576·5/√64 = 1.61

구간 끝값

U = 101.5 + 1.61 = 103.1

답

U = 103.1

11.선형 회귀와 상관

답: r² = 0.8343

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 = 27/6 = 4.5

ȳ = 371/6 = 61.83

제곱합과 곱의 합

S_xx = Σ(x − x̄)² = 17.5

S_xy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 76.5

S_yy = Σ(y − ȳ)² = 400.8

결정계수

r² = 76.5²/(17.5·400.8) = 0.8343

답

r² = 0.8343

y의 변동 중 약 83.43%가 직선으로 설명됩니다.

12.선형 회귀와 상관

답: ŷ = 51.19

평균

x̄ = 36/6 = 6

ȳ = 242/6 = 40.33

제곱합과 곱의 합

S_xx = Σ(x − x̄)² = 70

S_xy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 190

회귀직선

b = 190/70 = 2.714

a = 40.33 − 2.714·6 = 24.05

ŷ = 24.05 + 2.714·x

예측

ŷ = 24.05 + 2.714·10 = 51.19

답

ŷ = 51.19

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