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
253035404550

Calcule o desvio-padrão amostral s dos dados: 41, 45, 27, 32, 21, 51, 22.

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

Uma grandeza segue uma distribuição normal com média 70 e desvio-padrão 10. Que proporção P dos valores está abaixo de 58?

μ = 70σ = 10x = 58
P =
3.ProbabilidadesMédia
n = 8k = 5N = ?

De quantas maneiras N se pode escolher uma comissão de 5 pessoas num grupo de 8? A ordem não interessa.

n = 8k = 5
N =
4.ProbabilidadesDifícil
n = 7, p = 0,25: P(X = 5) = ?k01234567

Um teste tem 7 perguntas de escolha múltipla. Uma estudante que responde ao acaso acerta cada uma com probabilidade 0,25, de forma independente. Qual é a probabilidade P de acertar exatamente 5?

n = 7p = 0,25k = 5
P =
5.Distribuição normalMédia
242,5255,25P = ?

As massas de sacos seguem uma distribuição normal com média 250 g e desvio-padrão 5 g. Que fração está entre 242,5 e 255,25 g? Dê P em forma decimal.

μ = 250σ = 5x1 = 242,5x2 = 255,25
P =
6.Distribuição normalDifícil
10 g0X − Y?

A massa X de um produto da linha 1 e Y da linha 2 são independentes e normais: X tem média 500 g e desvio padrão 8 g, Y tem média 490 g e desvio padrão 6 g. Encontre a probabilidade P de X ser maior que Y. Arredonde z para duas casas decimais.

μX = 500 g, σX = 8 gμY = 490 g, σY = 6 g
P =
7.Intervalos de confiançaMédia
n = 12, s = 5,5LU = ?x̄ = 24E95%

Uma amostra de 12 itens tem média 24 e desvio-padrão s = 5,5. A população é aproximadamente normal. Calcule o limite superior do intervalo de confiança de 95% para a média.

n = 12x̄ = 24s = 5,595%t(11) = 2,201
limite superior =
8.Intervalos de confiançaDifícil
μ₁ − μ₂, t(19) = 1,7290LU = ?x̄₁ − x̄₂E90%

Dois fertilizantes são testados. Grupo de parcelas 1: 11 parcelas, produção média 16 kg, desvio-padrão 9 kg. Grupo de parcelas 2: 10 parcelas, média 9,5 kg, desvio-padrão 2,5 kg. Suponha variâncias iguais (t combinado, gl = n₁ + n₂ − 2). Encontre o limite superior do intervalo de confiança de 90% para μ₁ − μ₂.

n₁ = 11x̄₁ = 16s₁ = 9n₂ = 10x̄₂ = 9,5s₂ = 2,590%t(19) = 1,729
limite superior = kg
9.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaMédia
t −2,13102,131

Uma amostra de 16 estudantes tem nota média 111,8 e desvio-padrão amostral 15. Calcule a estatística de teste t para H₀: μ = 120.

μ₀ = 120x̄ = 111,8s = 15n = 16
t =
10.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaDifícil
σ = 15, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 1,595%

Que tamanho deve ter uma amostra para que o intervalo de confiança a 95 % para uma média tenha uma margem de erro de no máximo 1,5? O desvio-padrão é 15. Calcule o menor tamanho de amostra n.

σ = 15E = 1,595%
n =
11.Regressão linear e correlaçãoMédia
xy24745765587010741275xy510506070

A tabela dá 6 observações pareadas de x = horas de estudo e y = nota na prova. As suas somas são dadas. Encontre o coeficiente de correlação de Pearson r a partir dessas somas.

n = 6Σx = 42Σy = 378Σx² = 364Σy² = 24484Σxy = 2852
r =
12.Regressão linear e correlaçãoDifícil
xy12321831541351267xy246101520x = 1,5

A tabela dá 6 observações pareadas de x = idade do carro em anos e y = preço em k€. Use a reta de mínimos quadrados ŷ = a + b·x. É feita uma nova observação (1,5, 24). Encontre o seu resíduo e = y − ŷ.

n = 6(1,5, 24)
e =

3Soluções

1.Estatística descritiva

Resposta: s = 11,73

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 = 239/7 = 34,14

Desvios ao quadrado

Σ(x − x̄)² = 6,857² + 10,86² + (−7,143)² + (−2,143)² + (−13,14)² + 16,86² + (−12,14)² = 824,9

Desvio-padrão

s = √(824,9/6) = 11,73

Resposta

s = 11,73
2.Estatística descritiva

Resposta: P = 0,1151

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 = −1,2

Tabela da normal padrão

Φ(−1,2) = 0,1151
P = 0,1151

Resposta

P = 0,1151
3.Probabilidades

Resposta: N = 56

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.

Combinações

C(8, 5) = (8·7·6·5·4)/(5·4·3·2·1) = 56

Resposta

N = 56
4.Probabilidades

Resposta: P = 0,01154

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.

Fórmula binomial

P(X = 5) = 21·0,255·0,752 = 21·0,0009766·0,5625 = 0,01154

Resposta

P = 0,01154
5.Distribuição normal

Resposta: P = 0,7863

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 = (242,5 − 250)/5 = −1,5
z₂ = (255,25 − 250)/5 = 1,05

Área entre os valores

P = Φ(1,05) − Φ(−1,5) = 0,8531 − 0,06681 = 0,7863

Resposta

P = 0,7863
6.Distribuição normal

Resposta: P = 0,8413

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 = 500 − 490 = 10 g, σ = 10 g

Padronizar

z = (0 − 10)/10 = −1

Probabilidades

P = 1 − Φ(−1) = 0,8413

Resposta

P = 0,8413
7.Intervalos de confiança

Resposta: limite superior = 27,49

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.

Valor crítico

df = n − 1 = 11, t = 2,201

Margem de erro

E = 2,201·5,5/√12 = 3,495

Intervalo

24 ± 3,495 → [20,51, 27,49]

Resposta

limite superior = 27,49
8.Intervalos de confiança

Resposta: limite superior = 11,6 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.

Desvio-padrão combinado

sp² = (10·9² + 9·2,5²)/19 = 45,59
sp = 6,752

Margem de erro

E = 1,729·6,752·√(1/11 + 1/10) = 5,101

Intervalo

6,5 ± 5,101 → [1,399, 11,6]

Resposta

limite superior = 11,6 kg
9.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: t = −2,187

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 = 15/√16 = 15/4 = 3,75

Estatística de teste

t = (111,8 − 120)/3,75 = −2,187

Resposta

t = −2,187
t0,025; df = 15 = 2,131

|t| > 2,131, então H₀ é rejeitada ao nível de 5% (bilateral).

10.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: n = 385

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).

Resolver em ordem a n

n = (1,96·15/1,5)² = 384,2

Arredondar para cima

n = 385

Resposta

n = 385
11.Regressão linear e correlação

Resposta: r = 0,9512

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 = 2852 − 42·378/6 = 206
Sxx = 364 − 42²/6 = 70
Syy = 24484 − 378²/6 = 670

Coeficiente de correlação

r = 206/√(70·670) = 0,9512

Resposta

r = 0,9512
12.Regressão linear e correlação

Resposta: e = 3,619

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 = 21/6 = 3,5
ȳ = 88/6 = 14,67

Somas de quadrados e de produtos

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17,5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −50

Reta de regressão

b = −50/17,5 = −2,857
a = 14,67 − (−2,857)·3,5 = 24,67
ŷ = 24,67 − 2,857·x

Valor previsto

ŷ = 24,67 + (−2,857)·1,5 = 20,38

Resíduo

e = 24 − 20,38 = 3,619

Resposta

e = 3,619

O ponto está acima da reta.

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