Wstęp do statystyki: zestaw na powtórkę

Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 12 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.

Nowe zadaniaWróć do przedmiotu

W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.

1Wzory i metody

Statystyka opisowa

Średnia
x̄ = Σx/n
Odchylenie standardowe z próby
s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))
Mediana
środkowa wartość uporządkowanych danych
Wynik z
z = (x − μ)/σ
Rozkład normalny
68% w zakresie ±1σ, 95% w zakresie ±2σ

Prawdopodobieństwo

Zdarzenie przeciwne
P(not A) = 1 − P(A)
Reguła dodawania
P(A ∪ B) = P(A) + P(B) − P(A ∩ B)
Zdarzenia niezależne
P(A ∩ B) = P(A)·P(B)
Prawdopodobieństwo warunkowe
P(A|B) = P(A ∩ B)/P(B)
Rozkład dwumianowy
P(X = k) = C(n,k)·pk(1 − p)n−k

Rozkład normalny

Wynik z
z = (x − μ)/σ
Poniżej x
P(X < x) = Φ(z)
Powyżej x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
Pomiędzy
Φ(z2) − Φ(z1)
Percentyl
x = μ + z·σ

Metoda

  1. Zamień wartość na wynik standaryzowany: z = (x − μ)/σ.
  2. Odczytaj Φ(z), pole na lewo od z.
  3. Dla pola na prawo użyj 1 − Φ(z); dla przedziału odejmij dwa pola lewostronne.
  4. Dla percentyla licz wstecz: wyznacz z dla pola, a potem x = μ + z·σ.

Przedziały ufności

σ znane
x̄ ± z·σ/√n
σ nieznane
x̄ ± t·s/√n, df = n − 1
Wartość krytyczna z
90%: 1,645, 95%: 1,96, 99%: 2,576
Liczebność próby
n = (z·σ/E)², rounded up

Metoda

  1. Wybierz między z (znane σ populacji) a t (tylko s z próby, z n − 1 stopniami swobody).
  2. Wyznacz wartość krytyczną dla poziomu ufności.
  3. Margines błędu: E = wartość krytyczna × odchylenie standardowe/√n.
  4. Przedział: x̄ ± E.

Testy hipotez i przedziały ufności

Test z dla średniej
z = (x̄ − μ0)/(σ/√n)
Test t dla średniej
t = (x̄ − μ0)/(s/√n), df = n − 1
Dwustronny na poziomie 5%
odrzuć H0, jeśli |z| > 1,96
Przedział ufności
x̄ ± z·σ/√n

Metoda

  1. Sformułuj H₀ i H₁ i ustal, czy test jest jednostronny, czy dwustronny.
  2. Oblicz statystykę testową: (x̄ − μ₀)/(σ/√n) albo z s i t.
  3. Porównaj z wartością krytyczną albo wyznacz wartość p.
  4. Odrzuć H₀, jeśli statystyka przekracza wartość krytyczną (p poniżej α), i sformułuj wniosek słowami.

Regresja liniowa i korelacja

Sumy kwadratów
Sxx = Σ(x − x̄)² = Σx² − (Σx)²/n, Sxy = Σxy − ΣxΣy/n
Współczynnik kierunkowy
b = Sxy/Sxx
Wyraz wolny
a = ȳ − b·x̄
Korelacja
r = Sxy/√(SxxSyy)
Reszta
e = y − ŷ

2Zadania do ćwiczenia

1.Statystyka opisowaŚredni
2830323436384042

Wyznacz odchylenie standardowe z próby s dla danych: 39, 42, 30, 34, 41, 28.

n = 6
s =
2.Statystyka opisowaTrudny
z −2−1012

Wielkość ma rozkład normalny ze średnią 100 i odchyleniem standardowym 5. Jaka część P wartości leży powyżej 105?

μ = 100σ = 5x = 105
P =
3.PrawdopodobieństwoŚredni
n = 11k = 4N = ?

Na ile sposobów N można wybrać komisję 4 osób z grupy 11 osób? Kolejność nie ma znaczenia.

n = 11k = 4
N =
4.PrawdopodobieństwoTrudny
€p(x)−30,7330,251470,02

Gra kosztuje €3. Wygrywasz €6 z prawdopodobieństwem 0,25 i €150 z prawdopodobieństwem 0,02; w pozostałych przypadkach nic nie wygrywasz. Stawka nie jest zwracana. Wyznacz oczekiwany zysk netto E(G) na jedną grę.

stawka = €3€6: p = 0,25€150: p = 0,02
E(G) = €
5.Rozkład normalnyŚredni
24,844,3P = ?

Rozkład czasów dostawy jest normalny ze średnią 32 min i odchyleniem standardowym 6 min. Jaka część wartości leży między 24,8 a 44,3 min? Podaj P w postaci dziesiętnej.

μ = 32σ = 6x1 = 24,8x2 = 44,3
P =
6.Rozkład normalnyTrudny
235240245250255260265gdół 70%

Rozkład mas worków jest normalny ze średnią 250 g i odchyleniem standardowym 5 g. Przeciągnij wartość graniczną tak, aby zacieniowane dolne 70% leżało na lewo od niej. Znajdź wartość graniczną x.

μ = 250 gσ = 5 g70%
x = g
7.Przedziały ufnościŚredni
n = 20, s = 20LU = ?x̄ = 30,5E95%

Próba 20 elementów ma średnią 30,5 i odchylenie standardowe s = 20. Populacja ma w przybliżeniu rozkład normalny. Wyznacz górną granicę przedziału ufności 95% dla średniej.

n = 20x̄ = 30,5s = 2095%t(19) = 2,093
górna granica =
8.Przedziały ufnościTrudny
μ₁ − μ₂, t(24) = 2,7970L = ?Ux̄₁ − x̄₂E99%

Testuje się dwa nawozy. Grupa poletek 1: 14 poletek, średni plon 69 kg, odchylenie standardowe 9 kg. Grupa poletek 2: 12 poletek, średnia 62 kg, odchylenie standardowe 6,5 kg. Załóż równe wariancje (łączne t, df = n₁ + n₂ − 2). Wyznacz dolną granicę przedziału ufności 99 % dla μ₁ − μ₂.

n₁ = 14x̄₁ = 69s₁ = 9n₂ = 12x̄₂ = 62s₂ = 6,599%t(24) = 2,797
dolna granica = kg
9.Testy hipotez i przedziały ufnościŚredni
−1,961,96z = ?

Dwie linie produkcyjne wytwarzają tę samą część. Linia 1: próba 40 części ma średnią długość 138,5 mm, a znane odchylenie standardowe linii wynosi 19 mm. Linia 2: próba 100 części ma średnią 144,9 mm, znane odchylenie standardowe 15 mm. Wyznacz statystykę testową z dla H₀: μ₁ = μ₂, przyjmując różnicę jako x̄₁ − x̄₂ (linia 1 minus linia 2).

n₁ = 40x̄₁ = 138,5 mmσ₁ = 19 mmn₂ = 100x̄₂ = 144,9 mmσ₂ = 15 mm
z =
10.Testy hipotez i przedziały ufnościTrudny
−1,961,96z = ?

W badaniu klinicznym wyzdrowiało 163 z 250 pacjentów leczonych metodą A i 107 z 150 pacjentów leczonych metodą B. Korzystając z frakcji łącznej, wyznacz statystykę testową z dla H₀: p₁ = p₂.

x₁ = 163n₁ = 250x₂ = 107n₂ = 150
z =
11.Regresja liniowa i korelacjaŚredni
xy1212203154105767xy246101520

Tabela podaje 6 par obserwacji x = wiek samochodu w latach i y = cena w tys. €. Podane są ich sumy. Wyznacz z tych sum współczynnik korelacji Pearsona r.

n = 6Σx = 21Σy = 80Σx² = 91Σy² = 1264Σxy = 223
r =
12.Regresja liniowa i korelacjaTrudny
xy128222320420518612xy246152025ŷ = 25

Tabela podaje 6 par obserwacji x = wiek samochodu w latach i y = cena w tys. €. Użyj prostej najmniejszych kwadratów ŷ = a + b·x. Dla jakiej wartości x prosta przewiduje ŷ = 25?

n = 6ŷ = 25
x =

3Roztwory

1.Statystyka opisowa

Odpowiedź: s = 5,888

Statystyka opisowa: średnia to suma podzielona przez n; mediana to środkowa wartość uporządkowanych danych (średnia dwóch środkowych, gdy n jest parzyste). Odchylenie standardowe z próby to s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)). Wynik z = (x − μ)/σ mówi, o ile odchyleń standardowych wartość leży od średniej.

Średnia

x̄ = 214/6 = 35,67

Kwadraty odchyleń

Σ(x − x̄)² = 3,333² + 6,333² + (−5,667)² + (−1,667)² + 5,333² + (−7,667)² = 173,3

Odchylenie standardowe

s = √(173,3/5) = 5,888

Odpowiedź

s = 5,888
2.Statystyka opisowa

Odpowiedź: P = 0,1587

Statystyka opisowa: średnia to suma podzielona przez n; mediana to środkowa wartość uporządkowanych danych (średnia dwóch środkowych, gdy n jest parzyste). Odchylenie standardowe z próby to s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)). Wynik z = (x − μ)/σ mówi, o ile odchyleń standardowych wartość leży od średniej.

Standaryzuj

z = 1

Tablica rozkładu normalnego

Φ(1) = 0,8413
P = 1 − 0,8413 = 0,1587

Odpowiedź

P = 0,1587
3.Prawdopodobieństwo

Odpowiedź: N = 330

Prawdopodobieństwo: przy jednakowo prawdopodobnych wynikach P(A) = sprzyjające/wszystkie. Dla zdarzeń niezależnych mnożymy: P(A i B) = P(A)·P(B). Często pomaga zdarzenie przeciwne: P(co najmniej jedno) = 1 − P(żadne). Rozkład dwumianowy: w n niezależnych próbach z prawdopodobieństwem sukcesu p, P(X = k) = C(n, k)·pᵏ·(1 − p)ⁿ⁻ᵏ.

Kombinacje

C(11, 4) = (11·10·9·8)/(4·3·2·1) = 330

Odpowiedź

N = 330
4.Prawdopodobieństwo

Odpowiedź: E(G) = 1,5 €

Dyskretne zmienne losowe: rozkład prawdopodobieństwa wymienia każdą wartość x, jaką może przyjąć zmienna, wraz z jej prawdopodobieństwem p(x); prawdopodobieństwa mieszczą się między 0 a 1 i sumują się do 1. Wartość oczekiwana (średnia) to E(X) = Σx·p(x), średnia w długim okresie. Wariancja to Var(X) = Σ(x − μ)²·p(x) = E(X²) − μ², a odchylenie standardowe σ = √Var(X). Dla zmiany liniowej Y = aX + b: E(Y) = a·E(X) + b, Var(Y) = a²·Var(X) i σY = |a|·σX; dodanie stałej nie zmienia rozrzutu.

Wyniki netto

G: 3 (p = 0,25), 147 (p = 0,02), −3 (p = 0,73)

Wartość oczekiwana

E(G) = 3·0,25 + 147·0,02 − 3·0,73 = 1,5 €

Odpowiedź

E(G) = 1,5 €

Wartość dodatnia oznacza, że średnio wygrywasz pieniądze.

5.Rozkład normalny

Odpowiedź: P = 0,8647

Rozkład normalny: zamień wartość x na wynik z, z = (x − μ)/σ, który mówi, o ile odchyleń standardowych wartość leży od średniej. Tablica rozkładu normalnego (czyli Φ(z)) podaje pole na lewo od z, czyli P(X < x). Pole na prawo to 1 − Φ(z), a pole między dwiema wartościami to różnica ich dwóch pól.

Wyniki z

z₁ = (24,8 − 32)/6 = −1,2
z₂ = (44,3 − 32)/6 = 2,05

Pole pomiędzy

P = Φ(2,05) − Φ(−1,2) = 0,9798 − 0,1151 = 0,8647

Odpowiedź

P = 0,8647
6.Rozkład normalny

Odpowiedź: x = 252,6 g

Od pola z powrotem do z: Φ(z) to pole na lewo od z. Dla pola lewego ogona A znajdź w tablicy z, dla którego Φ(z) = A. Pole prawego ogona A oznacza Φ(z) = 1 − A. Pole środkowe A między −z a z zostawia (1 − A)/2 w każdym ogonie, więc Φ(z) = (1 + A)/2. Dla wartości x użyj x = μ + zσ.

Pole po lewej

Φ(z) = 0,7

z z tablicy

z ≈ 0,52

Z powrotem do pierwotnych jednostek

x = 250 + 0,52·5 = 252,6 g

Odpowiedź

x = 252,6 g
7.Przedziały ufności

Odpowiedź: górna granica = 39,86

Przedział ufności dla średniej: x̄ ± margines błędu. Przy znanym σ populacji margines wynosi z·σ/√n; gdy znasz tylko odchylenie standardowe z próby s, użyj t z n − 1 stopniami swobody: t·s/√n. Wartości krytyczne: z = 1,645 (90%), 1,96 (95%), 2,576 (99%). Aby uzyskać margines E lub mniejszy, potrzebujesz n ≥ (z·σ/E)², zaokrąglone w górę.

Wartość krytyczna

df = n − 1 = 19, t = 2,093

Margines błędu

E = 2,093·20/√20 = 9,36

Przedział

30,5 ± 9,36 → [21,14, 39,86]

Odpowiedź

górna granica = 39,86
8.Przedziały ufności

Odpowiedź: dolna granica = −1,75 kg

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.

Łączne odchylenie standardowe

sp² = (13·9² + 11·6,5²)/24 = 63,24
sp = 7,952

Margines błędu

E = 2,797·7,952·√(1/14 + 1/12) = 8,75

Przedział

7 ± 8,75 → [−1,75, 15,75]

Odpowiedź

dolna granica = −1,75 kg
9.Testy hipotez i przedziały ufności

Odpowiedź: z = −1,906

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.

Błąd standardowy różnicy

SE = √(19²/40 + 15²/100) = √11,28 = 3,358

Statystyka testowa

z = (138,5 − 144,9)/3,358 = −1,906

Odpowiedź

z = −1,906

|z| < 1.96, więc nie ma podstaw do odrzucenia H₀ na poziomie 5 % (test dwustronny).

10.Testy hipotez i przedziały ufności

Odpowiedź: z = −1,268

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.

Frakcje z prób

p̂₁ = 163/250 = 0,652
p̂₂ = 107/150 = 0,7133
p̂ = 270/400 = 0,675

Błąd standardowy przy H₀

SE = √(0,675·0,325·(1/250 + 1/150)) = 0,04837

Statystyka testowa

z = (0,652 − 0,7133)/0,04837 = −1,268

Odpowiedź

z = −1,268

|z| < 1.96, więc nie ma podstaw do odrzucenia H₀ na poziomie 5 % (test dwustronny).

11.Regresja liniowa i korelacja

Odpowiedź: r = −0,97

Regresja metodą najmniejszych kwadratów: przy średnich x̄ i ȳ oraz Sxx = Σ(x − x̄)², Syy = Σ(y − ȳ)² i Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) prosta ŷ = a + b·x ma współczynnik kierunkowy b = Sxy/Sxx i wyraz wolny a = ȳ − b·x̄, więc zawsze przechodzi przez punkt (x̄, ȳ). Współczynnik korelacji Pearsona r = Sxy/√(Sxx·Syy) leży między −1 a 1; r² to część zmienności y wyjaśniona przez prostą.

Sumy scentrowane

Sxy = 223 − 21·80/6 = −57
Sxx = 91 − 21²/6 = 17,5
Syy = 1264 − 80²/6 = 197,3

Współczynnik korelacji

r = −57/√(17,5·197,3) = −0,97

Odpowiedź

r = −0,97
12.Regresja liniowa i korelacja

Odpowiedź: x = 1,598

Regresja metodą najmniejszych kwadratów: przy średnich x̄ i ȳ oraz Sxx = Σ(x − x̄)², Syy = Σ(y − ȳ)² i Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) prosta ŷ = a + b·x ma współczynnik kierunkowy b = Sxy/Sxx i wyraz wolny a = ȳ − b·x̄, więc zawsze przechodzi przez punkt (x̄, ȳ). Współczynnik korelacji Pearsona r = Sxy/√(Sxx·Syy) leży między −1 a 1; r² to część zmienności y wyjaśniona przez prostą.

Średnie

x̄ = 21/6 = 3,5
ȳ = 120/6 = 20

Sumy kwadratów i iloczynów

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17,5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −46

Prosta regresji

b = −46/17,5 = −2,629
a = 20 − (−2,629)·3,5 = 29,2
ŷ = 29,2 − 2,629·x

Wyznacz x

x = (25 − 29,2)/(−2,629) = 1,598

Odpowiedź

x = 1,598

ExamProblems · examproblems.com/courses/statistics-1