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
2025303540455055

Calcule o desvio-padrão amostral s dos dados: 19, 29, 26, 24, 56, 44.

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

As notas de um exame seguem uma distribuição normal com média 170 e desvio-padrão 15. Calcule a pontuação z z de uma nota de 155.

μ = 170σ = 15x = 155
z =
3.ProbabilidadesMédia
P(pelo menos um seis) = ??1?2P(seis) = 1/6 em cada lançamento

Lança-se um dado equilibrado 2 vezes. Qual é a probabilidade P de sair pelo menos um seis?

n = 2
P =
4.ProbabilidadesDifícil
xp(x)00,2520,2540,3560,15μ

X tem a distribuição mostrada e Y = 2X + 10. Encontre o desvio padrão σY de Y.

x: 0, 2, 4, 6p(x): 0,25, 0,25, 0,35, 0,15Y = 2X + 10
σY =
5.Distribuição normalMédia
680 kg747,9 kgT = X₁ + … + X₈?

As massas de passageiros com bagagem são independentes e normais com média 85 kg e desvio padrão 12 kg. Encontre a probabilidade P de a massa total de 8 deles exceder 747,9 kg. Arredonde z para duas casas decimais.

μ = 85 kgσ = 12 kgn = 8> 747,9 kg
P =
6.Distribuição normalDifícil
380420460500540580620htopo 40%

Os durações de baterias têm distribuição normal com média 500 h e desvio padrão 40 h. Arraste o ponto de corte para que os 40% superiores sombreados fiquem à direita dele. Encontre o ponto de corte x.

μ = 500 hσ = 40 h40%
x = h
7.Intervalos de confiançaMédia
n = 15, s = 1,5LU = ?x̄ = 32E95%

Uma amostra de 15 itens tem média 32 e desvio-padrão s = 1,5. A população é aproximadamente normal. Calcule o limite superior do intervalo de confiança de 95% para a média.

n = 15x̄ = 32s = 1,595%t(14) = 2,145
limite superior =
8.Intervalos de confiançaDifícil
σ = 38, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 2,590%

O desvio-padrão da população é 38. Qual o tamanho de amostra n necessário para que um intervalo de confiança de 90% para a média tenha margem de erro de no máximo 2,5?

σ = 38E = 2,590%
n =
9.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaMédia
−1,961,96z = ?

Duas linhas de produção fabricam a mesma peça. Linha 1: uma amostra de 40 peças tem comprimento médio de 87 mm, e o desvio-padrão conhecido da linha é 14 mm. Linha 2: uma amostra de 100 peças tem média de 92,8 mm, desvio-padrão conhecido de 4 mm. Encontre a estatística de teste z para H₀: μ₁ = μ₂, tomando a diferença como x̄₁ − x̄₂ (linha 1 menos linha 2).

n₁ = 40x̄₁ = 87 mmσ₁ = 14 mmn₂ = 100x̄₂ = 92,8 mmσ₂ = 4 mm
z =
10.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaDifícil
z −1,9601,96

Uma amostra de 100 medições tem média 53. O desvio-padrão da população é 20. Calcule o limite superior U do intervalo de confiança a 95 % para a média.

x̄ = 53σ = 20n = 10095%
U =
11.Regressão linear e correlaçãoMédia
xy126224319421516xy242025

A tabela dá 5 observações pareadas de x = idade do carro em anos e y = preço em k€. Encontre o coeficiente de correlação de Pearson r.

n = 5
r =
12.Regressão linear e correlaçãoDifícil
xy130228327422522xy242530x = 4,5

A tabela dá 5 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 (4,5, 21). Encontre o seu resíduo e = y − ŷ.

n = 5(4,5, 21)
e =

3Soluções

1.Estatística descritiva

Resposta: s = 14,09

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 = 198/6 = 33

Desvios ao quadrado

Σ(x − x̄)² = (−14)² + (−4)² + (−7)² + (−9)² + 23² + 11² = 992

Desvio-padrão

s = √(992/5) = 14,09

Resposta

s = 14,09
2.Estatística descritiva

Resposta: z = −1

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 = (155 − 170)/15 = −1

Resposta

z = −1
3.Probabilidades

Resposta: P = 0,3056

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)2 = 0,6944
P = 1 − 0,6944 = 0,3056

Resposta

P = 0,3056
4.Probabilidades

Resposta: σY = 4,079

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.

Dispersão de X

μ = 2,8, Var(X) = 4,16, σX = 2,04

Mudança linear

σY = |2|·2,04 = 4,079

Resposta

σY = 4,079

A média de fato se desloca: E(Y) = 2·2,8 + 10 = 15,6.

5.Distribuição normal

Resposta: P = 0,02275

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 do total

μT = 680 kg, σT = 12·√8 = 33,94 kg

Padronizar

z = (747,9 − 680)/33,94 = 2

Probabilidades

P = 1 − Φ(2) = 0,02275

Resposta

P = 0,02275
6.Distribuição normal

Resposta: x = 510 h

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

Φ(z) = 0,6

z da tabela

z ≈ 0,25

De volta às unidades originais

x = 500 + 0,25·40 = 510 h

Resposta

x = 510 h
7.Intervalos de confiança

Resposta: limite superior = 32,83

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 = 14, t = 2,145

Margem de erro

E = 2,145·1,5/√15 = 0,8308

Intervalo

32 ± 0,8308 → [31,17, 32,83]

Resposta

limite superior = 32,83
8.Intervalos de confiança

Resposta: n = 626

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 = (1,645·38/2,5)² = 625,2

Arredondar para cima

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

n = 626

Resposta

n = 626
9.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: z = −2,578

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.

Erro-padrão da diferença

SE = √(14²/40 + 4²/100) = √5,06 = 2,249

Estatística de teste

z = (87 − 92,8)/2,249 = −2,578

Resposta

z = −2,578

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

10.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: U = 56,92

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 = 1,96·20/√100 = 3,92

Limite do intervalo

U = 53 + 3,92 = 56,92

Resposta

U = 56,92
11.Regressão linear e correlação

Resposta: r = −0,9178

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 = 106/5 = 21,2

Somas de quadrados e de produtos

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −23
Syy = Σ(y − ȳ)² = 62,8

Coeficiente de correlação

r = −23/√(10·62,8) = −0,9178

Resposta

r = −0,9178
12.Regressão linear e correlação

Resposta: e = −1,5

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 = 129/5 = 25,8

Somas de quadrados e de produtos

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −22

Reta de regressão

b = −22/10 = −2,2
a = 25,8 − (−2,2)·3 = 32,4
ŷ = 32,4 − 2,2·x

Valor previsto

ŷ = 32,4 + (−2,2)·4,5 = 22,5

Resíduo

e = 21 − 22,5 = −1,5

Resposta

e = −1,5

O ponto está abaixo da reta.

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