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
1015202530354045505560

Calcule o desvio-padrão amostral s dos dados: 27, 49, 60, 16, 10, 53, 55.

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

Uma grandeza segue uma distribuição normal com média 70 e desvio-padrão 5. Que proporção P dos valores está abaixo de 75?

μ = 70σ = 5x = 75
P =
3.ProbabilidadesMédia
P(pelo menos um seis) = ??1?2?3P(seis) = 1/6 em cada lançamento

Lança-se um dado equilibrado 3 vezes. Qual é a probabilidade P de sair pelo menos um seis?

n = 3
P =
4.ProbabilidadesDifícil
n = 10, p = 0,4: P(X = 2) = ?k012345678910

Um teste tem 10 perguntas de escolha múltipla. Uma estudante que responde ao acaso acerta cada uma com probabilidade 0,4, de forma independente. Qual é a probabilidade P de acertar exatamente 2?

n = 10p = 0,4k = 2
P =
5.Distribuição normalMédia
436550P = ?

As durações de baterias seguem uma distribuição normal com média 500 h e desvio-padrão 40 h. Que fração está entre 436 e 550 h? Dê P em forma decimal.

μ = 500σ = 40x1 = 436x2 = 550
P =
6.Distribuição normalDifícil
μ = 32x = ?20%

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 20% delas (o percentil 20).

μ = 32σ = 6P = 20%
x = min
7.Intervalos de confiançaMédia
n = 6, sd​ = 7,60L = ?Ud̄ = 6,7E90%

A pressão arterial de 6 pacientes é medida antes e depois de um tratamento. As diferenças d = antes − depois (mmHg) têm média 6,7 e desvio-padrão 7,6. Encontre o limite inferior do intervalo de confiança de 90% para a diferença média.

n = 6d̄ = 6,7sd = 7,690%t(5) = 2,015
limite inferior = mmHg
8.Intervalos de confiançaDifícil
σ = 19, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 390%

O desvio-padrão da população é 19. 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 3?

σ = 19E = 390%
n =
9.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaMédia
t −1,98401,984

Uma amostra de 100 estudantes tem nota média 55,8 e desvio-padrão amostral 20. Calcule a estatística de teste t para H₀: μ = 50.

μ₀ = 50x̄ = 55,8s = 20n = 100
t =
10.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaDifícil
−1,961,96z = ?

Em um ensaio, 130 de 200 pacientes com o tratamento A se recuperam, e 183 de 300 pacientes com o tratamento B. Usando a proporção combinada, encontre a estatística de teste z para H₀: p₁ = p₂.

x₁ = 130n₁ = 200x₂ = 183n₂ = 300
z =
11.Regressão linear e correlaçãoMédia
xy284176228291039xy51010203040

A tabela dá 5 observações pareadas de x = carga em kN e y = alongamento em mm. Encontre o coeficiente de determinação r² da reta de mínimos quadrados.

n = 5
r² =
12.Regressão linear e correlaçãoDifícil
xy231330436534640xy246303540x = 2,5

A tabela dá 5 observações pareadas de x = gasto com publicidade em k€ e y = vendas em k€. Use a reta de mínimos quadrados ŷ = a + b·x. Preveja ŷ para x = 2,5.

n = 5x = 2,5
ŷ =

3Soluções

1.Estatística descritiva

Resposta: s = 20,44

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 = 270/7 = 38,57

Desvios ao quadrado

Σ(x − x̄)² = (−11,57)² + 10,43² + 21,43² + (−22,57)² + (−28,57)² + 14,43² + 16,43² = 2506

Desvio-padrão

s = √(2506/6) = 20,44

Resposta

s = 20,44
2.Estatística descritiva

Resposta: P = 0,8413

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) = 0,8413
P = 0,8413

Resposta

P = 0,8413
3.Probabilidades

Resposta: P = 0,4213

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)3 = 0,5787
P = 1 − 0,5787 = 0,4213

Resposta

P = 0,4213
4.Probabilidades

Resposta: P = 0,1209

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.

Fórmula binomial

P(X = 2) = 45·0,42·0,68 = 45·0,16·0,0168 = 0,1209

Resposta

P = 0,1209
5.Distribuição normal

Resposta: P = 0,8396

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 = (436 − 500)/40 = −1,6
z₂ = (550 − 500)/40 = 1,25

Área entre os valores

P = Φ(1,25) − Φ(−1,6) = 0,8944 − 0,0548 = 0,8396

Resposta

P = 0,8396
6.Distribuição normal

Resposta: x = 26,95 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) = 0,2 → z = −0,8416

De volta a x

x = 32 + −0,8416·6 = 26,95 min

Resposta

x = 26,95 min
7.Intervalos de confiança

Resposta: limite inferior = 0,4481 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 = 5, t = 2,015

Margem de erro

E = 2,015·7,6/√6 = 6,252

Intervalo

6,7 ± 6,252 → [0,4481, 12,95]

Resposta

limite inferior = 0,4481 mmHg
8.Intervalos de confiança

Resposta: n = 109

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 = (1,645·19/3)² = 108,5

Arredondar para cima

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

n = 109

Resposta

n = 109
9.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: t = 2,9

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/√100 = 20/10 = 2

Estatística de teste

t = (55,8 − 50)/2 = 2,9

Resposta

t = 2,9
t0,025; df = 99 = 1,984

|t| > 1,984, então H₀ é rejeitada ao nível de 5% (bilateral).

10.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: z = 0,9056

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 = 130/200 = 0,65
p̂₂ = 183/300 = 0,61
p̂ = 313/500 = 0,626

Erro-padrão sob H₀

SE = √(0,626·0,374·(1/200 + 1/300)) = 0,04417

Estatística de teste

z = (0,65 − 0,61)/0,04417 = 0,9056

Resposta

z = 0,9056

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

11.Regressão linear e correlação

Resposta: r² = 0,9884

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 = 30/5 = 6
ȳ = 115/5 = 23

Somas de quadrados e de produtos

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 148
Syy = Σ(y − ȳ)² = 554

Coeficiente de determinação

r² = 148²/(40·554) = 0,9884

Resposta

r² = 0,9884

Cerca de 98,84% da variação de y é explicada pela reta.

12.Regressão linear e correlação

Resposta: ŷ = 30,9

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 = 171/5 = 34,2

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 = 34,2 − 2,2·4 = 25,4
ŷ = 25,4 + 2,2·x

Previsão

ŷ = 25,4 + 2,2·2,5 = 30,9

Resposta

ŷ = 30,9

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