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: 11, 41, 42, 13, 28, 25, 54.

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

Uma grandeza segue uma distribuição normal com média 60 e desvio-padrão 10. Que proporção P dos valores está acima de 72,5?

μ = 60σ = 10x = 72,5
P =
3.ProbabilidadesMédia
xp(x)00,210,220,2530,35μ = 1,75

Para a distribuição mostrada, encontre a variância Var(X) de X.

x: 0, 1, 2, 3p(x): 0,2, 0,2, 0,25, 0,35
Var(X) =
4.ProbabilidadesDifícil
xp(x)00,320,2540,3560,1μ

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

x: 0, 2, 4, 6p(x): 0,3, 0,25, 0,35, 0,1Y = −2X + 1
σY =
5.Distribuição normalMédia
−3−2−10123zárea sombreada à direita de z = 0,7794

Arraste z para que a área sombreada sob a curva normal padrão, à direita de z, seja 0,7794. Encontre z com duas casas decimais.

A = 0,7794
z =
6.Distribuição normalDifícil
μ = 178x = ?80%

As alturas de homens adultos seguem uma distribuição normal com média 178 cm e desvio-padrão 7 cm. Calcule o valor x abaixo do qual estão 80% delas (o percentil 80).

μ = 178σ = 7P = 80%
x = cm
7.Intervalos de confiançaMédia
n = 20, s = 17,5LU = ?x̄ = 21,5E99%

Uma amostra de 20 itens tem média 21,5 e desvio-padrão s = 17,5. A população é aproximadamente normal. Calcule o limite superior do intervalo de confiança de 99% para a média.

n = 20x̄ = 21,5s = 17,599%t(19) = 2,861
limite superior =
8.Intervalos de confiançaDifícil
μ₁ − μ₂, t(15) = 2,1310LU = ?x̄₁ − x̄₂E95%

Dois fertilizantes são testados. Grupo de parcelas 1: 11 parcelas, produção média 77 kg, desvio-padrão 3,5 kg. Grupo de parcelas 2: 6 parcelas, média 74,5 kg, desvio-padrão 5,5 kg. Suponha variâncias iguais (t combinado, gl = n₁ + n₂ − 2). Encontre o limite superior do intervalo de confiança de 95% para μ₁ − μ₂.

n₁ = 11x̄₁ = 77s₁ = 3,5n₂ = 6x̄₂ = 74,5s₂ = 5,595%t(15) = 2,131
limite superior = kg
9.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaMédia
t −2,06402,064

Uma amostra de 25 estudantes tem nota média 492,8 e desvio-padrão amostral 20. Calcule a estatística de teste t para H₀: μ = 500.

μ₀ = 500x̄ = 492,8s = 20n = 25
t =
10.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaDifícil
σ = 8, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 199%

Que tamanho deve ter uma amostra para que o intervalo de confiança a 99 % para uma média tenha uma margem de erro de no máximo 1? O desvio-padrão é 8. Calcule o menor tamanho de amostra n.

σ = 8E = 199%
n =
11.Regressão linear e correlaçãoMédia
xy235339445550657763xy246405060

A tabela dá 6 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 = 6
r² =
12.Regressão linear e correlaçãoDifícil
xy14551654187020662274xy15206070ŷ = 71

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. Para que valor x a reta prevê ŷ = 71?

n = 5ŷ = 71
x =

3Soluções

1.Estatística descritiva

Resposta: s = 15,9

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 = 214/7 = 30,57

Desvios ao quadrado

Σ(x − x̄)² = (−19,57)² + 10,43² + 11,43² + (−17,57)² + (−2,571)² + (−5,571)² + 23,43² = 1518

Desvio-padrão

s = √(1518/6) = 15,9

Resposta

s = 15,9
2.Estatística descritiva

Resposta: P = 0,1056

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 = 1 − 0,8944 = 0,1056

Resposta

P = 0,1056
3.Probabilidades

Resposta: Var(X) = 1,288

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 = 0·0,2 + 1·0,2 + 2·0,25 + 3·0,35 = 1,75

Média dos quadrados

E(X²) = 0·0,2 + 1·0,2 + 4·0,25 + 9·0,35 = 4,35

Variância

Var(X) = 4,35 − 1,75² = 1,288

Resposta

Var(X) = 1,288
4.Probabilidades

Resposta: σY = 3,975

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 = 2,5, Var(X) = 3,95, σX = 1,987

Mudança linear

σY = |−2|·1,987 = 3,975

Resposta

σY = 3,975

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

5.Distribuição normal

Resposta: z = −0,77

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 − 0,7794 = 0,2206

Leia a tabela de z ao contrário

Encontre 0,2206 dentro da tabela e leia z.

z = −0,77

Resposta

z = −0,77
6.Distribuição normal

Resposta: x = 183,9 cm

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) = 0,8 → z = 0,8416

De volta a x

x = 178 + 0,8416·7 = 183,89 cm

Resposta

x = 183,89 cm
7.Intervalos de confiança

Resposta: limite superior = 32,7

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 = 19, t = 2,861

Margem de erro

E = 2,861·17,5/√20 = 11,2

Intervalo

21,5 ± 11,2 → [10,3, 32,7]

Resposta

limite superior = 32,7
8.Intervalos de confiança

Resposta: limite superior = 7,12 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 = (10·3,5² + 5·5,5²)/15 = 18,25
sp = 4,272

Margem de erro

E = 2,131·4,272·√(1/11 + 1/6) = 4,62

Intervalo

2,5 ± 4,62 → [−2,12, 7,12]

Resposta

limite superior = 7,12 kg
9.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: t = −1,8

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 = 20/√25 = 20/5 = 4

Estatística de teste

t = (492,8 − 500)/4 = −1,8

Resposta

t = −1,8
t0,025; df = 24 = 2,064

|t| < 2.064, então H₀ não é rejeitada ao nível de 5% (bilateral).

10.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: n = 425

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 = (2,576·8/1)² = 424,7

Arredondar para cima

n = 425

Resposta

n = 425
11.Regressão linear e correlação

Resposta: r² = 0,9945

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 = 27/6 = 4,5
ȳ = 289/6 = 48,17

Somas de quadrados e de produtos

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17,5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 99,5
Syy = Σ(y − ȳ)² = 568,8

Coeficiente de determinação

r² = 99,5²/(17,5·568,8) = 0,9945

Resposta

r² = 0,9945

Cerca de 99,45% da variação de y é explicada pela reta.

12.Regressão linear e correlação

Resposta: x = 20,88

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 = 90/5 = 18
ȳ = 319/5 = 63,8

Somas de quadrados e de produtos

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 100

Reta de regressão

b = 100/40 = 2,5
a = 63,8 − 2,5·18 = 18,8
ŷ = 18,8 + 2,5·x

Resolver para x

x = (71 − 18,8)/2,5 = 20,88

Resposta

x = 20,88

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