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
2530354045505560

Calcule o desvio-padrão amostral s dos dados: 37, 49, 21, 24, 60, 31, 40.

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

Uma grandeza segue uma distribuição normal com média 60 e desvio-padrão 5. Que proporção P dos valores está abaixo de 55?

μ = 60σ = 5x = 55
P =
3.ProbabilidadesMédia
n = 11k = 5N = ?

De quantas maneiras N se pode escolher uma comissão de 5 pessoas num grupo de 11? A ordem não interessa.

n = 11k = 5
N =
4.ProbabilidadesDifícil
n = 9, p = 0,25: P(X ≤ 1) = ?k0123456789

Testam-se 9 componentes e cada um avaria com probabilidade 0,25, de forma independente. Qual é a probabilidade P de avariar no máximo um?

n = 9p = 0,25
P =
5.Distribuição normalMédia
−3−2−10123zárea sombreada à direita de z = 0,3483

Arraste z para que a área sombreada sob a curva normal padrão, à direita de z, seja 0,3483. Encontre z com duas casas decimais.

A = 0,3483
z =
6.Distribuição normalDifícil
μ = 32x = ?99%

As durações de entregas seguem uma distribuição normal com média 32 min e desvio-padrão 6 min. Calcule o valor x abaixo do qual estão 99% delas (o percentil 99).

μ = 32σ = 6P = 99%
x = min
7.Intervalos de confiançaMédia
μ₁ − μ₂0LU = ?x̄₁ − x̄₂E90%

A duração da bateria de dois modelos de celular é comparada. Modelo 1: 40 celulares, média 44 h, desvio-padrão conhecido 18 h. Modelo 2: 30 celulares, média 34,5 h, desvio-padrão conhecido 18 h. Encontre o limite superior do intervalo de confiança de 90% para μ₁ − μ₂.

n₁ = 40x̄₁ = 44 hσ₁ = 18 hn₂ = 30x̄₂ = 34,5 hσ₂ = 18 h90%
limite superior = h
8.Intervalos de confiançaDifícil
n = 20σ = ?Us = 10,595%

Os diâmetros de 20 eixos usinados têm desvio-padrão amostral de 10,5 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 = 19, 2,5% da distribuição χ² fica abaixo de 8,907 e 2,5% fica acima de 32,852.

n = 20s = 10,5 µmχ² = 8,907, 32,852
σ = µm
9.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaMédia
−2,3062,306t = ?df = 8

9 funcionários fazem um teste de digitação antes e depois de um curso de treinamento. Para cada pessoa é registrada a diferença d = depois − antes (palavras por minuto). A diferença média é 5,97 e o desvio-padrão das diferenças é 6,4. Encontre a estatística do teste pareado t para H₀: μd = 0.

n = 9d̄ = 5,97sd = 6,4
t =
10.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaDifícil
μ₀x̄c

Um teste z unilateral de H₀: μ = 100 contra H₁: μ > 100 é feito com α = 0,01 e uma amostra de 25; o desvio-padrão é conhecido e vale 10. Na realidade a média é 104. Encontre o poder 1 − β do teste em porcentagem.

μ₀ = 100μ = 104σ = 10n = 25α = 0,01
1 − β = %
11.Regressão linear e correlaçãoMédia
xy234335448547658xy246405060

A tabela dá 5 observações pareadas de x = gasto com publicidade em k€ e y = vendas em k€. Encontre o coeficiente de determinação r² da reta de mínimos quadrados.

n = 5
r² =
12.Regressão linear e correlaçãoDifícil
xy18912111224131271493016033179xy202530100150x = 22,5

A tabela dá 6 observações pareadas de x = temperatura em °C e y = sorvetes vendidos. Use a reta de mínimos quadrados ŷ = a + b·x. Preveja ŷ para x = 22,5.

n = 6x = 22,5
ŷ =

3Soluções

1.Estatística descritiva

Resposta: s = 13,79

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 = 262/7 = 37,43

Desvios ao quadrado

Σ(x − x̄)² = (−0,4286)² + 11,57² + (−16,43)² + (−13,43)² + 22,57² + (−6,429)² + 2,571² = 1142

Desvio-padrão

s = √(1142/6) = 13,79

Resposta

s = 13,79
2.Estatística descritiva

Resposta: P = 0,1587

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 = 0,1587

Resposta

P = 0,1587
3.Probabilidades

Resposta: N = 462

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(11, 5) = (11·10·9·8·7)/(5·4·3·2·1) = 462

Resposta

N = 462
4.Probabilidades

Resposta: P = 0,3003

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.

Zero e uma avaria

P(X = 0) = 0,759 = 0,07508
P(X = 1) = 9·0,25·0,758 = 0,2253

Some

P = 0,07508 + 0,2253 = 0,3003

Resposta

P = 0,3003
5.Distribuição normal

Resposta: z = 0,39

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 − 0,3483 = 0,6517

Leia a tabela de z ao contrário

Encontre 0,6517 dentro da tabela e leia z.

z = 0,39

Resposta

z = 0,39
6.Distribuição normal

Resposta: x = 45,96 min

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) = 0,99 → z = 2,326

De volta a x

x = 32 + 2,326·6 = 45,96 min

Resposta

x = 45,96 min
7.Intervalos de confiança

Resposta: limite superior = 16,65 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 = 44 − 34,5 = 9,5

Erro-padrão

SE = √(18²/40 + 18²/30) = 4,347

Margem de erro

E = 1,645·4,347 = 7,151

Intervalo

9,5 ± 7,151 → [2,349, 16,65]

Resposta

limite superior = 16,65 h

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

8.Intervalos de confiança

Resposta: σ = 7,985 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 = 19·10,5² = 2095

Limites para σ²

2095/32,852 = 63,76
2095/8,907 = 235,2

Limite para σ

σ = √63,76 = 7,985 µm

Resposta

σ = 7,985 µm

Intervalo de 95% para σ: [7,985, 15,34] µm.

9.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: t = 2,798

Testing a mean: the test statistic measures how many standard errors the sample mean lies from the value claimed in H₀: z = (x̄ − μ₀)/(σ/√n) when σ is known, t = (x̄ − μ₀)/(s/√n) when it is estimated from the sample. A confidence interval is x̄ ± (critical value)·(standard error).

Erro-padrão da diferença média

SE = 6,4/√9 = 2,133

Estatística de teste

t = 5,97/2,133 = 2,798

Resposta

t = 2,798

Com gl = 8, o valor crítico bilateral a 5% é 2,306; |t| é maior, então H₀ é rejeitada.

10.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: 1 − β = 37,22 %

Poder de um teste: poder = 1 − β é a probabilidade de rejeitar H₀ quando ela é falsa. Encontre o limite x̄c a partir de μ₀ e z_α, depois calcule a probabilidade de cair além de x̄c usando a média verdadeira: z = (x̄c − μ)/(σ/√n).

Média amostral crítica

SE = 10/√25 = 2
x̄c = 100 + 2,326·2 = 104,7

z sob a média verdadeira

z = (104,7 − 104)/2 = 0,326

Potência

poder = P(Z > 0,326) = 37,22%
1 − β = 37,22%

Resposta

1 − β = 37,22%
11.Regressão linear e correlação

Resposta: r² = 0,8973

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 = 20/5 = 4
ȳ = 222/5 = 44,4

Somas de quadrados e de produtos

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 60
Syy = Σ(y − ȳ)² = 401,2

Coeficiente de determinação

r² = 60²/(10·401,2) = 0,8973

Resposta

r² = 0,8973

Cerca de 89,73% da variação de y é explicada pela reta.

12.Regressão linear e correlação

Resposta: ŷ = 119,8

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 = 153/6 = 25,5
ȳ = 822/6 = 137

Somas de quadrados e de produtos

Sxx = Σ(x − x̄)² = 157,5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 903

Reta de regressão

b = 903/157,5 = 5,733
a = 137 − 5,733·25,5 = −9,2
ŷ = −9,2 + 5,733·x

Previsão

ŷ = −9,2 + 5,733·22,5 = 119,8

Resposta

ŷ = 119,8

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