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: 56, 30, 32, 48, 46.

n = 5
s =
2.Estatística descritivaDifícil
z −2−1012

Uma grandeza segue uma distribuição normal com média 70 e desvio-padrão 15. Que proporção P dos valores está abaixo de 88,75?

μ = 70σ = 15x = 88,75
P =
3.ProbabilidadesMédia
xp(x)10,3520,130,340,25μ = 2,45

Para a distribuição mostrada, encontre o desvio padrão σ de X.

x: 1, 2, 3, 4p(x): 0,35, 0,1, 0,3, 0,25
σ =
4.ProbabilidadesDifícil
xp(x)10,120,3530,2540,3μ

X tem a distribuição mostrada e Y = −2X + 1. Encontre o desvio padrão σY de Y.

x: 1, 2, 3, 4p(x): 0,1, 0,35, 0,25, 0,3Y = −2X + 1
σY =
5.Distribuição normalMédia
−3−2−10123zárea sombreada à direita de z = 0,9429

Arraste z para que a área sombreada sob a curva normal padrão, à direita de z, seja 0,9429. Encontre z com duas casas decimais.

A = 0,9429
z =
6.Distribuição normalDifícil
0,04 mm0D − d?

Os diâmetros D dos furos são normais com média 25,04 mm e desvio padrão 0,02 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 = 25,04 mm, σ = 0,02 mmeixo: μ = 25 mm, σ = 0,02 mm
P =
7.Intervalos de confiançaMédia
x̄E₁ = 9,690%, n = 64x̄E₂ = ?99%, n = 256

Um intervalo de confiança de 90% para uma média, baseado em 64 observações e σ conhecido, tem margem de erro de 9,6. Qual é a margem de erro E₂ de um intervalo de 99% baseado em 256 observações?

90%n₁ = 64E₁ = 9,699%n₂ = 256
E₂ =
8.Intervalos de confiançaDifícil
p ≈ 0,4, n = ?p̂ − Ep̂ + Ep̂E = 0,0390%

Um estudo piloto sugere que cerca de 0,4 dos produtos são defeituosos. Quantos produtos n devem ser inspecionados para que um intervalo de confiança de 90% para a proporção tenha margem de erro de no máximo 0,03?

p ≈ 0,4E = 0,0390%
n =
9.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaMédia
−1,71,7p = ?

Afirma-se que a média de uma população é 80; o desvio-padrão da população é conhecido e vale 10. Uma amostra aleatória de 100 observações tem média 81,7. Teste H₀: μ = 80 contra H₁: μ ≠ 80. Encontre o valor p p.

μ₀ = 80σ = 10n = 100x̄ = 81,7H₁: μ ≠ μ₀
p =
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 12,5. Na realidade a média é 105,5. Encontre a probabilidade de um erro do tipo II β em porcentagem.

μ₀ = 100μ = 105,5σ = 12,5n = 25α = 0,01
β = %
11.Regressão linear e correlaçãoMédia
xy349456565674778879xy46850607080

A tabela dá 6 observações pareadas de x = gasto com publicidade em k€ e y = vendas em k€. Encontre o coeficiente de correlação de Pearson r.

n = 6
r =
12.Regressão linear e correlaçãoDifícil
xy156817871997211142311325132xy15202580100120ŷ = 103

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. Para que valor x a reta prevê ŷ = 103?

n = 6ŷ = 103
x =

3Soluções

1.Estatística descritiva

Resposta: s = 11,08

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 = 212/5 = 42,4

Desvios ao quadrado

Σ(x − x̄)² = 13,6² + (−12,4)² + (−10,4)² + 5,6² + 3,6² = 491,2

Desvio-padrão

s = √(491,2/4) = 11,08

Resposta

s = 11,08
2.Estatística descritiva

Resposta: P = 0,8944

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 = 1,25

Tabela da normal padrão

Φ(1,25) = 0,8944
P = 0,8944

Resposta

P = 0,8944
3.Probabilidades

Resposta: σ = 1,203

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.

Média

μ = 1·0,35 + 2·0,1 + 3·0,3 + 4·0,25 = 2,45

Média dos quadrados

E(X²) = 1·0,35 + 4·0,1 + 9·0,3 + 16·0,25 = 7,45

Variância

Var(X) = 7,45 − 2,45² = 1,447
σ = √1,447 = 1,203

Resposta

σ = 1,203
4.Probabilidades

Resposta: σY = 1,987

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 = 2,75, Var(X) = 0,9875, σX = 0,9937

Mudança linear

σY = |−2|·0,9937 = 1,987

Resposta

σY = 1,987

A média de fato se desloca: E(Y) = −2·2,75 + 1 = −4,5.

5.Distribuição normal

Resposta: z = −1,58

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 − 0,9429 = 0,0571

Leia a tabela de z ao contrário

Encontre 0,0571 dentro da tabela e leia z.

z = −1,58

Resposta

z = −1,58
6.Distribuição normal

Resposta: P = 0,9207

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 = 25,04 − 25 = 0,04 mm, σ = 0,02828 mm

Padronizar

z = (0 − 0,04)/0,02828 = −1,41

Probabilidades

P = 1 − Φ(−1,41) = 0,9207

Resposta

P = 0,9207
7.Intervalos de confiança

Resposta: E₂ = 7,517

Confidence interval for a mean: x̄ ± margin of error. With a known population σ the margin is z·σ/√n; with only the sample standard deviation s, use t with n − 1 degrees of freedom: t·s/√n. Critical values: z = 1,645 (90%), 1,96 (95%), 2,576 (99%). To get a margin E or smaller, you need n ≥ (z·σ/E)², rounded up.

Razão das margens

E₂/E₁ = (2,576/1,645)·√(64/256) = 0,783

Nova margem

E₂ = 9,6·0,783 = 7,517

Resposta

E₂ = 7,517
8.Intervalos de confiança

Resposta: n = 722

Confidence interval for a proportion: p̂ ± z·√(p̂(1 − p̂)/n), where p̂ = x/n. To reach a margin E you need n ≥ z²·p(1 − p)/E², rounded up; without a prior estimate use p = 0,5, which gives the largest n.

Resolver em ordem a n

n = 1,645²·0,4·0,6/0,03² = 721,6

Arredondar para cima

n = 722

Resposta

n = 722
9.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: p = 0,08913

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 = 10/√100 = 1
z = (81,7 − 80)/1 = 1,7

Área da cauda

Φ(1,7) = 0,9554
1 − Φ(1,7) = 0,0446

Valor p

p = 2·0,0446 = 0,08913

Resposta

p = 0,08913

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

10.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: β = 55,01 %

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 = 12,5/√25 = 2,5
x̄c = 100 + 2,326·2,5 = 105,8

z sob a média verdadeira

z = (105,8 − 105,5)/2,5 = 0,126

Erro do tipo II

poder = P(Z > 0,126) = 44,99%
β = 100% − 44,99% = 55,01%

Resposta

β = 55,01%
11.Regressão linear e correlação

Resposta: r = 0,9737

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 = 33/6 = 5,5
ȳ = 401/6 = 66,83

Somas de quadrados e de produtos

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17,5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 112,5
Syy = Σ(y − ȳ)² = 762,8

Coeficiente de correlação

r = 112,5/√(17,5·762,8) = 0,9737

Resposta

r = 0,9737
12.Regressão linear e correlação

Resposta: x = 20,2

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 = 120/6 = 20
ȳ = 611/6 = 101,8

Somas de quadrados e de produtos

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 415

Reta de regressão

b = 415/70 = 5,929
a = 101,8 − 5,929·20 = −16,74
ŷ = −16,74 + 5,929·x

Resolver para x

x = (103 − (−16,74))/5,929 = 20,2

Resposta

x = 20,2

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