Introdução à Estatística: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 12 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

Estatística descritiva

Média
x̄ = Σx/n
Desvio-padrão amostral
s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1))
Mediana
valor do meio dos dados ordenados
Pontuação z
z = (x − μ)/σ
Distribuição normal
68% dentro de ±1σ, 95% dentro de ±2σ

Probabilidades

Complementar
P(not A) = 1 − P(A)
Regra da adição
P(A ∪ B) = P(A) + P(B) − P(A ∩ B)
Eventos independentes
P(A ∩ B) = P(A)·P(B)
Probabilidade condicional
P(A|B) = P(A ∩ B)/P(B)
Binomial
P(X = k) = C(n,k)·pk(1 − p)n−k

Distribuição normal

Pontuação z
z = (x − μ)/σ
Abaixo de x
P(X < x) = Φ(z)
Acima de x
P(X > x) = 1 − Φ(z)
Entre
Φ(z2) − Φ(z1)
Percentil
x = μ + z·σ

Método

  1. Converta o valor em um escore z: z = (x − μ)/σ.
  2. Procure Φ(z), a área à esquerda de z.
  3. Para a área à direita use 1 − Φ(z); para um intervalo subtraia as duas áreas à esquerda.
  4. Para um percentil, faça o caminho inverso: encontre z para a área e depois x = μ + z·σ.

Intervalos de confiança

σ conhecido
x̄ ± z·σ/√n
σ desconhecido
x̄ ± t·s/√n, df = n − 1
z crítico
90%: 1,645, 95%: 1,96, 99%: 2,576
Tamanho da amostra
n = (z·σ/E)², rounded up

Método

  1. Escolha entre z (σ populacional conhecido) e t (só o s amostral, com n − 1 graus de liberdade).
  2. Encontre o valor crítico para o nível de confiança.
  3. Margem de erro: E = valor crítico × desvio-padrão/√n.
  4. Intervalo: x̄ ± E.

Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Teste z para uma média
z = (x̄ − μ0)/(σ/√n)
Teste t para uma média
t = (x̄ − μ0)/(s/√n), df = n − 1
Bilateral a 5%
rejeite H0 se |z| > 1,96
Intervalo de confiança
x̄ ± z·σ/√n

Método

  1. Enuncie H₀ e H₁ e decida se o teste é unilateral ou bilateral.
  2. Calcule a estatística de teste: (x̄ − μ₀)/(σ/√n), ou com s e t.
  3. Compare com o valor crítico, ou encontre o valor-p.
  4. Rejeite H₀ se a estatística estiver além do valor crítico (p abaixo de α) e enuncie a conclusão em palavras.

Regressão linear e correlação

Somas de quadrados
Sxx = Σ(x − x̄)² = Σx² − (Σx)²/n, Sxy = Σxy − ΣxΣy/n
Inclinação
b = Sxy/Sxx
Intercepto
a = ȳ − b·x̄
Correlação
r = Sxy/√(SxxSyy)
Resíduo
e = y − ŷ

2Exercícios

1.Estatística descritivaMédia
20253035404550

Calcule o desvio-padrão amostral s dos dados: 35, 17, 33, 52, 28, 44, 48.

n = 7
s =
2.Estatística descritivaDifícil
z −2−1012

As notas de um exame seguem uma distribuição normal com média 170 e desvio-padrão 10. Calcule a pontuação z z de uma nota de 150.

μ = 170σ = 10x = 150
z =
3.ProbabilidadesMédia
xp(x)00,3510,320,35μ = 1

Para a distribuição mostrada, encontre a variância Var(X) de X.

x: 0, 1, 2p(x): 0,35, 0,3, 0,35
Var(X) =
4.ProbabilidadesDifícil
€p(x)−50,78200,2950,02

Um jogo custa €5 para jogar. Você ganha €25 com probabilidade 0,2 e €100 com probabilidade 0,02; caso contrário, não ganha nada. A aposta não é devolvida. Encontre o ganho líquido esperado E(G) por jogo.

aposta = €5€25: p = 0,2€100: p = 0,02
E(G) = €
5.Distribuição normalMédia
−3−2−10123zárea sombreada à direita de z = 0,2033

Arraste z para que a área sombreada sob a curva normal padrão, à direita de z, seja 0,2033. Encontre z com duas casas decimais.

A = 0,2033
z =
6.Distribuição normalDifícil
μ = 65x = ?25%

As notas de prova seguem uma distribuição normal com média 65 pontos e desvio-padrão 10 pontos. Calcule o valor x abaixo do qual estão 25% delas (o percentil 25).

μ = 65σ = 10P = 25%
x = pontos
7.Intervalos de confiançaMédia
μ₁ − μ₂0LUx̄₁ − x̄₂E = ?95%

A duração da bateria de dois modelos de celular é comparada. Modelo 1: 40 celulares, média 115,5 h, desvio-padrão conhecido 17 h. Modelo 2: 80 celulares, média 127 h, desvio-padrão conhecido 20 h. Encontre a margem de erro E do intervalo de confiança de 95% para μ₁ − μ₂.

n₁ = 40x̄₁ = 115,5 hσ₁ = 17 hn₂ = 80x̄₂ = 127 hσ₂ = 20 h95%
E = h
8.Intervalos de confiançaDifícil
n = 21σ = ?Us = 3,995%

Os diâmetros de 21 eixos usinados têm desvio-padrão amostral de 3,9 µm. Supondo que os diâmetros tenham distribuição normal, encontre o limite inferior σ do intervalo de confiança de 95% para o desvio-padrão populacional. Com gl = 20, 2,5% da distribuição χ² fica abaixo de 9,591 e 2,5% fica acima de 34,17.

n = 21s = 3,9 µmχ² = 9,591, 34,17
σ = µm
9.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaMédia
t −2,01102,011

Uma amostra de 49 estudantes tem nota média 101,2 e desvio-padrão amostral 12. Calcule a estatística de teste t para H₀: μ = 100.

μ₀ = 100x̄ = 101,2s = 12n = 49
t =
10.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaDifícil
z −1,64501,645

Uma amostra de 16 medições tem média 79,4. O desvio-padrão da população é 8. Calcule o limite superior U do intervalo de confiança a 90 % para a média.

x̄ = 79,4σ = 8n = 1690%
U =
11.Regressão linear e correlaçãoMédia
xy284186258281035xy510102030

A tabela dá 5 observações pareadas de x = carga em kN e y = alongamento em mm. As suas somas são dadas. Encontre o coeficiente de correlação de Pearson r a partir dessas somas.

n = 5Σx = 30Σy = 114Σx² = 220Σy² = 3022Σxy = 812
r =
12.Regressão linear e correlaçãoDifícil
xy1393495557669751183xy510406080x = 2

A tabela dá 6 observações pareadas de x = gasto com publicidade em k€ e y = vendas em k€. Use a reta de mínimos quadrados ŷ = a + b·x. Preveja ŷ para x = 2.

n = 6x = 2
ŷ =

3Soluções

1.Estatística descritiva

Resposta: s = 12,22

Estatística descritiva: a média é a soma a dividir por n; a mediana é o valor central dos dados ordenados (a média dos dois centrais se n for par). O desvio-padrão amostral é s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)). Uma pontuação z = (x − μ)/σ diz a quantos desvios-padrão da média está um valor.

Média

x̄ = 257/7 = 36,71

Desvios ao quadrado

Σ(x − x̄)² = (−1,714)² + (−19,71)² + (−3,714)² + 15,29² + (−8,714)² + 7,286² + 11,29² = 895,4

Desvio-padrão

s = √(895,4/6) = 12,22

Resposta

s = 12,22
2.Estatística descritiva

Resposta: z = −2

Estatística descritiva: a média é a soma a dividir por n; a mediana é o valor central dos dados ordenados (a média dos dois centrais se n for par). O desvio-padrão amostral é s = √(Σ(x − x̄)²/(n − 1)). Uma pontuação z = (x − μ)/σ diz a quantos desvios-padrão da média está um valor.

Padronizar

z = (150 − 170)/10 = −2

Resposta

z = −2
3.Probabilidades

Resposta: Var(X) = 0,7

Variáveis aleatórias discretas: uma distribuição de probabilidade lista cada valor x que uma variável pode assumir com sua probabilidade p(x); as probabilidades ficam entre 0 e 1 e somam 1. O valor esperado (média) é E(X) = Σx·p(x), a média de longo prazo. A variância é Var(X) = Σ(x − μ)²·p(x) = E(X²) − μ², e o desvio padrão é σ = √Var(X). Para uma mudança linear Y = aX + b: E(Y) = a·E(X) + b, Var(Y) = a²·Var(X) e σY = |a|·σX; somar uma constante não muda a dispersão.

Média

μ = 0·0,35 + 1·0,3 + 2·0,35 = 1

Média dos quadrados

E(X²) = 0·0,35 + 1·0,3 + 4·0,35 = 1,7

Variância

Var(X) = 1,7 − 1² = 0,7

Resposta

Var(X) = 0,7
4.Probabilidades

Resposta: E(G) = 2 €

Variáveis aleatórias discretas: uma distribuição de probabilidade lista cada valor x que uma variável pode assumir com sua probabilidade p(x); as probabilidades ficam entre 0 e 1 e somam 1. O valor esperado (média) é E(X) = Σx·p(x), a média de longo prazo. A variância é Var(X) = Σ(x − μ)²·p(x) = E(X²) − μ², e o desvio padrão é σ = √Var(X). Para uma mudança linear Y = aX + b: E(Y) = a·E(X) + b, Var(Y) = a²·Var(X) e σY = |a|·σX; somar uma constante não muda a dispersão.

Resultados líquidos

G: 20 (p = 0,2), 95 (p = 0,02), −5 (p = 0,78)

Valor esperado

E(G) = 20·0,2 + 95·0,02 − 5·0,78 = 2 €

Resposta

E(G) = 2 €

Um valor positivo significa que você ganha dinheiro em média.

5.Distribuição normal

Resposta: z = 0,83

De uma área de volta a z: Φ(z) é a área à esquerda de z. Para uma área de cauda esquerda A, encontre na tabela o z com Φ(z) = A. Uma área de cauda direita A significa Φ(z) = 1 − A. Uma área central A entre −z e z deixa (1 − A)/2 em cada cauda, então Φ(z) = (1 + A)/2. Para um valor x, use x = μ + zσ.

Área à esquerda de z

Φ(z) = 1 − 0,2033 = 0,7967

Leia a tabela de z ao contrário

Encontre 0,7967 dentro da tabela e leia z.

z = 0,83

Resposta

z = 0,83
6.Distribuição normal

Resposta: x = 58,26 pontos

Distribuição normal: converta um valor x em uma pontuação z, z = (x − μ)/σ, que conta quantos desvios-padrão ele está da média. Uma tabela z (ou Φ(z)) dá a área à esquerda de z, que é P(X < x). A área à direita é 1 − Φ(z), e a área entre dois valores é a diferença entre as duas áreas.

z do percentil

Φ(z) = 0,25 → z = −0,6745

De volta a x

x = 65 + −0,6745·10 = 58,26 pontos

Resposta

x = 58,26 pontos
7.Intervalos de confiança

Resposta: E = 6,853 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.

Estimativa pontual

x̄₁ − x̄₂ = 115,5 − 127 = −11,5

Erro-padrão

SE = √(17²/40 + 20²/80) = 3,496

Margem de erro

E = 1,96·3,496 = 6,853

Resposta

E = 6,853 h

O intervalo não contém 0, então as médias diferem significativamente.

8.Intervalos de confiança

Resposta: σ = 2,984 µm

Intervalo para uma variância: (n − 1)s²/σ² tem distribuição χ² com n − 1 graus de liberdade. O intervalo de 95% para σ² vai de (n − 1)s² dividido pelo valor superior de χ² (2,5% acima dele) até (n − 1)s² dividido pelo valor inferior de χ² (2,5% abaixo dele); o intervalo para σ é a raiz quadrada dos dois limites. Ele não é simétrico em torno de s.

Soma de quadrados

(n − 1)s² = 20·3,9² = 304,2

Limites para σ²

304,2/34,17 = 8,903
304,2/9,591 = 31,72

Limite para σ

σ = √8,903 = 2,984 µm

Resposta

σ = 2,984 µm

Intervalo de 95% para σ: [2,984, 5,632] µm.

9.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: t = 0,7

Teste a uma média: a estatística de teste mede a quantos erros-padrão a média amostral está do valor afirmado em H₀: z = (x̄ − μ₀)/(σ/√n) quando σ é conhecido, t = (x̄ − μ₀)/(s/√n) quando é estimado pela amostra. Um intervalo de confiança é x̄ ± (valor crítico)·(erro-padrão).

Erro-padrão

SE = 12/√49 = 12/7 = 1,714

Estatística de teste

t = (101,2 − 100)/1,714 = 0,7

Resposta

t = 0,7
t0,025; df = 48 = 2,011

|t| < 2.011, então H₀ não é rejeitada ao nível de 5% (bilateral).

10.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: U = 82,69

Teste a uma média: a estatística de teste mede a quantos erros-padrão a média amostral está do valor afirmado em H₀: z = (x̄ − μ₀)/(σ/√n) quando σ é conhecido, t = (x̄ − μ₀)/(s/√n) quando é estimado pela amostra. Um intervalo de confiança é x̄ ± (valor crítico)·(erro-padrão).

Margem de erro

E = 1,645·8/√16 = 3,29

Limite do intervalo

U = 79,4 + 3,29 = 82,69

Resposta

U = 82,69
11.Regressão linear e correlação

Resposta: r = 0,9843

Regressão por mínimos quadrados: com x̄ e ȳ as médias, Sxx = Σ(x − x̄)², Syy = Σ(y − ȳ)² e Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ), a reta ŷ = a + b·x tem inclinação b = Sxy/Sxx e intercepto a = ȳ − b·x̄, então ela sempre passa por (x̄, ȳ). O coeficiente de correlação de Pearson r = Sxy/√(Sxx·Syy) fica entre −1 e 1; r² é a fração da variação de y explicada pela reta.

Somas centradas

Sxy = 812 − 30·114/5 = 128
Sxx = 220 − 30²/5 = 40
Syy = 3022 − 114²/5 = 422,8

Coeficiente de correlação

r = 128/√(40·422,8) = 0,9843

Resposta

r = 0,9843
12.Regressão linear e correlação

Resposta: ŷ = 43,51

Regressão por mínimos quadrados: com x̄ e ȳ as médias, Sxx = Σ(x − x̄)², Syy = Σ(y − ȳ)² e Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ), a reta ŷ = a + b·x tem inclinação b = Sxy/Sxx e intercepto a = ȳ − b·x̄, então ela sempre passa por (x̄, ȳ). O coeficiente de correlação de Pearson r = Sxy/√(Sxx·Syy) fica entre −1 e 1; r² é a fração da variação de y explicada pela reta.

Médias

x̄ = 36/6 = 6
ȳ = 367/6 = 61,17

Somas de quadrados e de produtos

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 309

Reta de regressão

b = 309/70 = 4,414
a = 61,17 − 4,414·6 = 34,68
ŷ = 34,68 + 4,414·x

Previsão

ŷ = 34,68 + 4,414·2 = 43,51

Resposta

ŷ = 43,51

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