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
303540455055

Calcule o desvio-padrão amostral s dos dados: 54, 27, 49, 45, 47, 58.

n = 6
s =
2.Estatística descritivaDifícil
z −2−1012

Uma grandeza segue uma distribuição normal com média 50 e desvio-padrão 5. Que proporção P dos valores está acima de 45?

μ = 50σ = 5x = 45
P =
3.ProbabilidadesMédia
P(pelo menos um seis) = ??1?2?3P(seis) = 1/6 em cada lançamento

Lança-se um dado equilibrado 3 vezes. Qual é a probabilidade P de sair pelo menos um seis?

n = 3
P =
4.ProbabilidadesDifícil
€p(x)−50,79100,22450,01

Um jogo custa €5 para jogar. Você ganha €15 com probabilidade 0,2 e €250 com probabilidade 0,01; caso contrário, não ganha nada. A aposta não é devolvida. Encontre o ganho líquido esperado E(G) por jogo.

aposta = €5€15: p = 0,2€250: p = 0,01
E(G) = €
5.Distribuição normalMédia
25,135,3P = ?

As durações de entregas seguem uma distribuição normal com média 32 min e desvio-padrão 6 min. Que fração está entre 25,1 e 35,3 min? Dê P em forma decimal.

μ = 32σ = 6x1 = 25,1x2 = 35,3
P =
6.Distribuição normalDifícil
0,05 mm0D − d?

Os diâmetros D dos furos são normais com média 25,05 mm e desvio padrão 0,015 mm. Os diâmetros d dos eixos são independentes e normais com média 25 mm e desvio padrão 0,02 mm. Um eixo escolhido ao acaso encaixa quando D − d > 0. Encontre a probabilidade P de ele encaixar. Arredonde z para duas casas decimais.

furo: μ = 25,05 mm, σ = 0,015 mmeixo: μ = 25 mm, σ = 0,02 mm
P =
7.Intervalos de confiançaMédia
n = 11, sd​ = 3,60LUd̄ = 2,4E = ?99%

A pressão arterial de 11 pacientes é medida antes e depois de um tratamento. As diferenças d = antes − depois (mmHg) têm média 2,4 e desvio-padrão 3,6. Encontre a margem de erro E do intervalo de confiança de 99% para a diferença média.

n = 11d̄ = 2,4sd = 3,699%t(10) = 3,169
E = mmHg
8.Intervalos de confiançaDifícil
σ = 36, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 0,595%

O desvio-padrão da população é 36. Qual o tamanho de amostra n necessário para que um intervalo de confiança de 95% para a média tenha margem de erro de no máximo 0,5?

σ = 36E = 0,595%
n =
9.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaMédia
t −2,01102,011

Uma amostra de 49 estudantes tem nota média 502,4 e desvio-padrão amostral 10. Calcule a estatística de teste t para H₀: μ = 500.

μ₀ = 500x̄ = 502,4s = 10n = 49
t =
10.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaDifícil
−1,961,96z = ?

Em um ensaio, 135 de 300 pacientes com o tratamento A se recuperam, e 56 de 100 pacientes com o tratamento B. Usando a proporção combinada, encontre a estatística de teste z para H₀: p₁ = p₂.

x₁ = 135n₁ = 300x₂ = 56n₂ = 100
z =
11.Regressão linear e correlaçãoMédia
xy145250347448561xy2445505560

A tabela dá 5 observações pareadas de x = horas de estudo e y = nota na prova. Encontre o coeficiente de determinação r² da reta de mínimos quadrados.

n = 5
r² =
12.Regressão linear e correlaçãoDifícil
xy24845766887410721281xy5106080x = 3

A tabela dá 6 observações pareadas de x = horas de estudo e y = nota na prova. Use a reta de mínimos quadrados ŷ = a + b·x. É feita uma nova observação (3, 56). Encontre o seu resíduo e = y − ŷ.

n = 6(3, 56)
e =

3Soluções

1.Estatística descritiva

Resposta: s = 10,75

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 = 280/6 = 46,67

Desvios ao quadrado

Σ(x − x̄)² = 7,333² + (−19,67)² + 2,333² + (−1,667)² + 0,3333² + 11,33² = 577,3

Desvio-padrão

s = √(577,3/5) = 10,75

Resposta

s = 10,75
2.Estatística descritiva

Resposta: P = 0,8413

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 = −1

Tabela da normal padrão

Φ(−1) = 0,1587
P = 1 − 0,1587 = 0,8413

Resposta

P = 0,8413
3.Probabilidades

Resposta: P = 0,4213

Probabilidades: com resultados equiprováveis, P(A) = favoráveis/possíveis. Para acontecimentos independentes multiplica-se: P(A e B) = P(A)·P(B). O complementar ajuda muitas vezes: P(pelo menos um) = 1 − P(nenhum). Binomial: em n provas independentes com probabilidade de sucesso p, P(X = k) = C(n, k)·pᵏ·(1 − p)ⁿ⁻ᵏ.

Complementar

P(nenhum seis) = (5/6)3 = 0,5787
P = 1 − 0,5787 = 0,4213

Resposta

P = 0,4213
4.Probabilidades

Resposta: E(G) = 0,5 €

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: 10 (p = 0,2), 245 (p = 0,01), −5 (p = 0,79)

Valor esperado

E(G) = 10·0,2 + 245·0,01 − 5·0,79 = 0,5 €

Resposta

E(G) = 0,5 €

Um valor positivo significa que você ganha dinheiro em média.

5.Distribuição normal

Resposta: P = 0,5838

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.

Pontuações z

z₁ = (25,1 − 32)/6 = −1,15
z₂ = (35,3 − 32)/6 = 0,55

Área entre os valores

P = Φ(0,55) − Φ(−1,15) = 0,7088 − 0,1251 = 0,5838

Resposta

P = 0,5838
6.Distribuição normal

Resposta: P = 0,9772

Somas e diferenças de variáveis normais: se X e Y são independentes e normais, X + Y e X − Y também são normais. As médias se somam ou se subtraem: E(X ± Y) = μX ± μY. As variâncias sempre se somam, também em uma diferença: Var(X ± Y) = σX² + σY², portanto σ = √(σX² + σY²). Os desvios padrão nunca se somam diretamente. O total de n itens independentes com a mesma distribuição tem média n·μ e desvio padrão σ·√n. Depois padronize como de costume: z = (x − média)/σ e leia Φ(z).

Distribuição da diferença

μ = 25,05 − 25 = 0,05 mm, σ = 0,025 mm

Padronizar

z = (0 − 0,05)/0,025 = −2

Probabilidades

P = 1 − Φ(−2) = 0,9772

Resposta

P = 0,9772
7.Intervalos de confiança

Resposta: E = 3,44 mmHg

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.

Valor crítico

df = 10, t = 3,169

Margem de erro

E = 3,169·3,6/√11 = 3,44

Resposta

E = 3,44 mmHg
8.Intervalos de confiança

Resposta: n = 19915

Intervalo de confiança para uma média: x̄ ± margem de erro. Com σ populacional conhecido, a margem é z·σ/√n; tendo apenas o desvio-padrão amostral s, use t com n − 1 graus de liberdade: t·s/√n. Valores críticos: z = 1,645 (90%), 1,96 (95%), 2,576 (99%). Para obter uma margem E ou menor, você precisa de n ≥ (z·σ/E)², arredondado para cima.

Resolver em ordem a n

n = (1,96·36/0,5)² = 19915

Arredondar para cima

O tamanho da amostra é um número inteiro, e arredondar para baixo deixaria a margem grande demais.

n = 19915

Resposta

n = 19915
9.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: t = 1,68

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 = 10/√49 = 10/7 = 1,429

Estatística de teste

t = (502,4 − 500)/1,429 = 1,68

Resposta

t = 1,68
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: z = −1,907

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.

Proporções amostrais

p̂₁ = 135/300 = 0,45
p̂₂ = 56/100 = 0,56
p̂ = 191/400 = 0,4775

Erro-padrão sob H₀

SE = √(0,4775·0,5225·(1/300 + 1/100)) = 0,05768

Estatística de teste

z = (0,45 − 0,56)/0,05768 = −1,907

Resposta

z = −1,907

|z| < 1,96, então H₀ não é rejeitada ao nível de 5% (bilateral).

11.Regressão linear e correlação

Resposta: r² = 0,5668

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 = 15/5 = 3
ȳ = 251/5 = 50,2

Somas de quadrados e de produtos

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 30
Syy = Σ(y − ȳ)² = 158,8

Coeficiente de determinação

r² = 30²/(10·158,8) = 0,5668

Resposta

r² = 0,5668

Cerca de 56,68% da variação de y é explicada pela reta.

12.Regressão linear e correlação

Resposta: e = 1,676

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 = 42/6 = 7
ȳ = 400/6 = 66,67

Somas de quadrados e de produtos

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 216

Reta de regressão

b = 216/70 = 3,086
a = 66,67 − 3,086·7 = 45,07
ŷ = 45,07 + 3,086·x

Valor previsto

ŷ = 45,07 + 3,086·3 = 54,32

Resíduo

e = 56 − 54,32 = 1,676

Resposta

e = 1,676

O ponto está acima da reta.

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