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
1520253035404550

Calcule o desvio-padrão amostral s dos dados: 53, 33, 28, 31, 11, 25, 23.

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

Uma grandeza segue uma distribuição normal com média 100 e desvio-padrão 20. Que proporção P dos valores está acima de 140?

μ = 100σ = 20x = 140
P =
3.ProbabilidadesMédia
P(pelo menos um seis) = ??1?2?3?4P(seis) = 1/6 em cada lançamento

Lança-se um dado equilibrado 4 vezes. Qual é a probabilidade P de sair pelo menos um seis?

n = 4
P =
4.ProbabilidadesDifícil
€p(x)−30,8960,11470,01

Um jogo custa €3 para jogar. Você ganha €9 com probabilidade 0,1 e €150 com probabilidade 0,01; caso contrário, não ganha nada. A aposta não é devolvida. Encontre o ganho líquido esperado E(G) por jogo.

aposta = €3€9: p = 0,1€150: p = 0,01
E(G) = €
5.Distribuição normalMédia
480580P = ?

As durações de baterias seguem uma distribuição normal com média 500 h e desvio-padrão 40 h. Que fração está entre 480 e 580 h? Dê P em forma decimal.

μ = 500σ = 40x1 = 480x2 = 580
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, sd​ = 1,80L = ?Ud̄ = −8,5E95%

A pressão arterial de 12 pacientes é medida antes e depois de um tratamento. As diferenças d = antes − depois (mmHg) têm média −8,5 e desvio-padrão 1,8. Encontre o limite inferior do intervalo de confiança de 95% para a diferença média.

n = 12d̄ = −8,5sd = 1,895%t(11) = 2,201
limite inferior = mmHg
8.Intervalos de confiançaDifícil
μ₁ − μ₂, t(15) = 2,9470LUx̄₁ − x̄₂E = ?99%

Dois fertilizantes são testados. Grupo de parcelas 1: 9 parcelas, produção média 32,5 kg, desvio-padrão 1,5 kg. Grupo de parcelas 2: 8 parcelas, média 44 kg, desvio-padrão 6,5 kg. Suponha variâncias iguais (t combinado, gl = n₁ + n₂ − 2). Encontre a margem de erro E do intervalo de confiança de 99% para μ₁ − μ₂.

n₁ = 9x̄₁ = 32,5s₁ = 1,5n₂ = 8x̄₂ = 44s₂ = 6,599%t(15) = 2,947
E = kg
9.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaMédia
2,44p = ?

Afirma-se que a média de uma população é 50; o desvio-padrão da população é conhecido e vale 16. Uma amostra aleatória de 64 observações tem média 54,88. Teste H₀: μ = 50 contra H₁: μ > 50. Encontre o valor p p.

μ₀ = 50σ = 16n = 64x̄ = 54,88H₁: μ > μ₀
p =
10.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaDifícil
−1,961,96z = ?

Em um ensaio, 23 de 150 pacientes com o tratamento A se recuperam, e 10 de 250 pacientes com o tratamento B. Usando a proporção combinada, encontre a estatística de teste z para H₀: p₁ = p₂.

x₁ = 23n₁ = 150x₂ = 10n₂ = 250
z =
11.Regressão linear e correlaçãoMédia
xy2941361681710231229xy510102030

A tabela dá 6 observações pareadas de x = carga em kN e y = alongamento em mm. Encontre o coeficiente de determinação r² da reta de mínimos quadrados.

n = 6
r² =
12.Regressão linear e correlaçãoDifícil
xy17792088231092612429149xy202530100150x = 21,5

A tabela dá 5 observações pareadas de x = temperatura em °C e y = sorvetes vendidos. Use a reta de mínimos quadrados ŷ = a + b·x. É feita uma nova observação (21,5, 97). Encontre o seu resíduo e = y − ŷ.

n = 5(21,5, 97)
e =

3Soluções

1.Estatística descritiva

Resposta: s = 12,73

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 = 204/7 = 29,14

Desvios ao quadrado

Σ(x − x̄)² = 23,86² + 3,857² + (−1,143)² + 1,857² + (−18,14)² + (−4,143)² + (−6,143)² = 972,9

Desvio-padrão

s = √(972,9/6) = 12,73

Resposta

s = 12,73
2.Estatística descritiva

Resposta: P = 0,02275

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 = 2

Tabela da normal padrão

Φ(2) = 0,9772
P = 1 − 0,9772 = 0,02275

Resposta

P = 0,02275
3.Probabilidades

Resposta: P = 0,5177

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)4 = 0,4823
P = 1 − 0,4823 = 0,5177

Resposta

P = 0,5177
4.Probabilidades

Resposta: E(G) = −0,6 €

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: 6 (p = 0,1), 147 (p = 0,01), −3 (p = 0,89)

Valor esperado

E(G) = 6·0,1 + 147·0,01 − 3·0,89 = −0,6 €

Resposta

E(G) = −0,6 €

Um valor negativo significa que você perde dinheiro em média.

5.Distribuição normal

Resposta: P = 0,6687

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 = (480 − 500)/40 = −0,5
z₂ = (580 − 500)/40 = 2

Área entre os valores

P = Φ(2) − Φ(−0,5) = 0,9772 − 0,3085 = 0,6687

Resposta

P = 0,6687
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 inferior = −9,644 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 = 11, t = 2,201

Margem de erro

E = 2,201·1,8/√12 = 1,144

Intervalo

−8,5 ± 1,144 → [−9,644, −7,356]

Resposta

limite inferior = −9,644 mmHg
8.Intervalos de confiança

Resposta: E = 6,549 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 = (8·1,5² + 7·6,5²)/15 = 20,92
sp = 4,573

Margem de erro

E = 2,947·4,573·√(1/9 + 1/8) = 6,549

Resposta

E = 6,549 kg
9.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: p = 0,007344

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.

Estatística de teste

SE = σ/√n = 16/√64 = 2
z = (54,88 − 50)/2 = 2,44

Área da cauda

Φ(2,44) = 0,9927
1 − Φ(2,44) = 0,0073

Valor p

p = 0,007344

Resposta

p = 0,007344

p ≤ 0,05, então H₀ é rejeitada ao nível de 5%.

10.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: z = 3,989

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 = 23/150 = 0,1533
p̂₂ = 10/250 = 0,04
p̂ = 33/400 = 0,0825

Erro-padrão sob H₀

SE = √(0,0825·0,9175·(1/150 + 1/250)) = 0,02841

Estatística de teste

z = (0,1533 − 0,04)/0,02841 = 3,989

Resposta

z = 3,989

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

11.Regressão linear e correlação

Resposta: r² = 0,9545

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 = 107/6 = 17,83

Somas de quadrados e de produtos

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 131
Syy = Σ(y − ȳ)² = 256,8

Coeficiente de determinação

r² = 131²/(70·256,8) = 0,9545

Resposta

r² = 0,9545

Cerca de 95,45% da variação de y é explicada pela reta.

12.Regressão linear e correlação

Resposta: e = −4

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 = 115/5 = 23
ȳ = 549/5 = 109,8

Somas de quadrados e de produtos

Sxx = Σ(x − x̄)² = 90
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 528

Reta de regressão

b = 528/90 = 5,867
a = 109,8 − 5,867·23 = −25,13
ŷ = −25,13 + 5,867·x

Valor previsto

ŷ = −25,13 + 5,867·21,5 = 101

Resíduo

e = 97 − 101 = −4

Resposta

e = −4

O ponto está abaixo da reta.

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