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
1520253035404550

자료의 표본 표준편차 s를 구하세요: 38, 15, 12, 31, 54.

n = 5
s =
2.기술통계어려움
z −2−1012

시험 점수는 평균 60, 표준편차 20인 정규분포를 따릅니다. 20점의 z점수 z를 구하세요.

μ = 60σ = 20x = 20
z =
3.확률보통
xp(x)10.220.3530.240.25μ = 2.5

표의 분포에 대해 X의 표준편차 σ을(를) 구하시오.

x: 1, 2, 3, 4p(x): 0.2, 0.35, 0.2, 0.25
σ =
4.확률어려움
n = 7, p = 0.25: P(X = 2) = ?k01234567

어떤 시험에 객관식 문제가 7개 있습니다. 찍어서 푸는 학생은 각 문제를 독립적으로 확률 0.25로 맞힙니다. 정확히 2개를 맞힐 확률 P는 얼마일까요?

n = 7p = 0.25k = 2
P =
5.정규분포보통
−3−2−10123zz의 오른쪽 색칠한 넓이 = 0.0694

표준 정규 곡선 아래에서 z의 오른쪽 색칠한 넓이가 0.0694이 되도록 z를 끌어 놓으세요. z을 소수 둘째 자리까지 구하세요.

A = 0.0694
z =
6.정규분포어려움
557085100115130145점위 60%

IQ 점수은(는) 평균 100 점, 표준편차 15 점인 정규분포를 따릅니다. 색칠한 상위 60%가 오른쪽에 오도록 기준값을 끌어 놓으세요. 기준값 x을 구하세요.

μ = 100 점σ = 15 점60%
x = 점
7.신뢰구간보통
μ₁ − μ₂0LUx̄₁ − x̄₂E = ?95%

두 휴대전화 모델의 배터리 수명을 비교한다. 모델 1: 휴대전화 40대, 평균 62 h, 알려진 표준 편차 17 h. 모델 2: 휴대전화 60대, 평균 65.5 h, 알려진 표준 편차 14 h. μ₁ − μ₂에 대한 95% 신뢰구간의 오차 한계 E을(를) 구하시오.

n₁ = 40x̄₁ = 62 hσ₁ = 17 hn₂ = 60x̄₂ = 65.5 hσ₂ = 14 h95%
E = h
8.신뢰구간어려움
n = 11Lσ = ?s = 0.895%

기계 가공한 축 11개의 지름의 표본 표준 편차는 0.8 µm이다. 지름이 정규 분포를 따른다고 가정하고, 모집단 표준 편차에 대한 95% 신뢰구간의 상한 σ을(를) 구하시오. df = 10에서 χ² 분포의 2.5%는 3.247 아래에, 2.5%는 20.483 위에 있다.

n = 11s = 0.8 µmχ² = 3.247, 20.483
σ = µm
9.가설 검정과 신뢰구간보통
−1.961.96z = ?

두 생산 라인이 같은 부품을 만든다. 라인 1: 부품 50개 표본의 평균 길이는 104.5 mm이고, 라인의 알려진 표준 편차는 18 mm이다. 라인 2: 부품 80개 표본의 평균은 97.5 mm, 알려진 표준 편차는 5 mm이다. 차이를 x̄₁ − x̄₂(라인 1 빼기 라인 2)로 하여 H₀: μ₁ = μ₂에 대한 검정 통계량 z을(를) 구하시오.

n₁ = 50x̄₁ = 104.5 mmσ₁ = 18 mmn₂ = 80x̄₂ = 97.5 mmσ₂ = 5 mm
z =
10.가설 검정과 신뢰구간어려움
σ = 8, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 190%

평균에 대한 90% 신뢰구간의 오차 한계가 1 이하가 되려면 표본이 얼마나 커야 할까요? 표준편차는 8입니다. 최소 표본 크기 n를 구하세요.

σ = 8E = 190%
n =
11.선형 회귀와 상관보통
xy129227324423522xy2425

표에는 x = 자동차 연식(년), y = 가격(k€)의 짝지은 관측값 5쌍이 있습니다. 최소제곱 직선의 결정계수 r²을(를) 구하세요.

n = 5
r² =
12.선형 회귀와 상관어려움
xy124223320416514xy24152025x = 2.5

표에는 x = 자동차 연식(년), y = 가격(k€)의 짝지은 관측값 5쌍이 있습니다. 최소제곱 직선 ŷ = a + b·x를 쓰세요. x = 2.5일 때 ŷ을(를) 예측하세요.

n = 5x = 2.5
ŷ =

3용액

1.기술통계

답: s = 17.25

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 = 150/5 = 30

편차의 제곱

Σ(x − x̄)² = 8² + (−15)² + (−18)² + 1² + 24² = 1190

표준편차

s = √(1190/4) = 17.25

답

s = 17.25
2.기술통계

답: z = −2

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 = (20 − 60)/20 = −2

답

z = −2
3.확률

답: σ = 1.072

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 = 1·0.2 + 2·0.35 + 3·0.2 + 4·0.25 = 2.5

제곱의 평균

E(X²) = 1·0.2 + 4·0.35 + 9·0.2 + 16·0.25 = 7.4

분산

Var(X) = 7.4 − 2.5² = 1.15
σ = √1.15 = 1.072

답

σ = 1.072
4.확률

답: P = 0.3115

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) = 21·0.252·0.755 = 21·0.0625·0.2373 = 0.3115

답

P = 0.3115
5.정규분포

답: z = 1.48

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 − 0.0694 = 0.9306

z-표를 거꾸로 읽기

표 안에서 0.9306을 찾아 z를 읽으세요.

z = 1.48

답

z = 1.48
6.정규분포

답: x = 96.3 점

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 = 100 − 0.25·15 = 96.3 점

답

x = 96.3 점
7.신뢰구간

답: E = 6.349 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 = 62 − 65.5 = −3.5

표준오차

SE = √(17²/40 + 14²/60) = 3.239

오차 한계

E = 1.96·3.239 = 6.349

답

E = 6.349 h

구간이 0을 포함하므로 자료는 유의한 차이를 보여 주지 않습니다.

8.신뢰구간

답: σ = 1.404 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 = 10·0.8² = 6.4

σ²의 한계

6.4/20.483 = 0.3125
6.4/3.247 = 1.971

σ의 한계

σ = √1.971 = 1.404 µm

답

σ = 1.404 µm

σ의 95% 구간: [0.559, 1.404] µm.

9.가설 검정과 신뢰구간

답: z = 2.686

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 = √(18²/50 + 5²/80) = √6.793 = 2.606

검정통계량

z = (104.5 − 97.5)/2.606 = 2.686

답

z = 2.686

|z| > 1.96이므로 5% 수준(양측)에서 H₀를 기각합니다.

10.가설 검정과 신뢰구간

답: n = 174

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.

n에 대해 풀기

n = (1.645·8/1)² = 173.2

올림하기

n = 174

답

n = 174
11.선형 회귀와 상관

답: r² = 0.9529

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 = 15/5 = 3
ȳ = 125/5 = 25

제곱합과 곱의 합

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −18
Syy = Σ(y − ȳ)² = 34

결정계수

r² = −18²/(10·34) = 0.9529

답

r² = 0.9529

y의 변동 중 약 95.29%가 직선으로 설명됩니다.

12.선형 회귀와 상관

답: ŷ = 20.75

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 = 15/5 = 3
ȳ = 97/5 = 19.4

제곱합과 곱의 합

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −27

회귀직선

b = −27/10 = −2.7
a = 19.4 − (−2.7)·3 = 27.5
ŷ = 27.5 − 2.7·x

예측

ŷ = 27.5 + (−2.7)·2.5 = 20.75

답

ŷ = 20.75

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