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: 43, 27, 56, 40, 33, 47, 29.

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

Uma grandeza segue uma distribuição normal com média 70 e desvio-padrão 10. Que proporção P dos valores está abaixo de 90?

μ = 70σ = 10x = 90
P =
3.ProbabilidadesMédia
vermelhas: 4azuis: 3

Um saco tem 4 bolas vermelhas e 3 azuis. Tira duas bolas sem repor a primeira. Qual é a probabilidade P de ambas serem vermelhas?

4 / 3
P =
4.ProbabilidadesDifícil
n = 7, p = 0,1: P(X ≤ 1) = ?k01234567

Testam-se 7 componentes e cada um avaria com probabilidade 0,1, de forma independente. Qual é a probabilidade P de avariar no máximo um?

n = 7p = 0,1
P =
5.Distribuição normalMédia
105 s117,8 sX + Y?

X é normal com média 60 s e desvio padrão 5 s; Y é independente e normal com média 45 s e desvio padrão 4 s. Encontre a probabilidade P de X + Y ser maior que 117,8 s. Arredonde z para duas casas decimais.

μX = 60, σX = 5μY = 45, σY = 4X + Y > 117,8 s
P =
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 0,015 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 = 0,015 mm
P =
7.Intervalos de confiançaMédia
n = 8, s = 15LU = ?x̄ = 31E95%

Uma amostra de 8 itens tem média 31 e desvio-padrão s = 15. A população é aproximadamente normal. Calcule o limite superior do intervalo de confiança de 95% para a média.

n = 8x̄ = 31s = 1595%t(7) = 2,365
limite superior =
8.Intervalos de confiançaDifícil
n = 20σ = ?Us = 10,595%

Os diâmetros de 20 eixos usinados têm desvio-padrão amostral de 10,5 µm. Supondo que os diâmetros tenham distribuição normal, encontre o limite inferior σ do intervalo de confiança de 95% para o desvio-padrão populacional. Com gl = 19, 2,5% da distribuição χ² fica abaixo de 8,907 e 2,5% fica acima de 32,852.

n = 20s = 10,5 µmχ² = 8,907, 32,852
σ = µm
9.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaMédia
−1,961,96z = ?

Duas linhas de produção fabricam a mesma peça. Linha 1: uma amostra de 100 peças tem comprimento médio de 88 mm, e o desvio-padrão conhecido da linha é 9 mm. Linha 2: uma amostra de 60 peças tem média de 93,9 mm, desvio-padrão conhecido de 16 mm. Encontre a estatística de teste z para H₀: μ₁ = μ₂, tomando a diferença como x̄₁ − x̄₂ (linha 1 menos linha 2).

n₁ = 100x̄₁ = 88 mmσ₁ = 9 mmn₂ = 60x̄₂ = 93,9 mmσ₂ = 16 mm
z =
10.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaDifícil
−1,961,96z = ?

Em um ensaio, 20 de 80 pacientes com o tratamento A se recuperam, e 40 de 100 pacientes com o tratamento B. Usando a proporção combinada, encontre a estatística de teste z para H₀: p₁ = p₂.

x₁ = 20n₁ = 80x₂ = 40n₂ = 100
z =
11.Regressão linear e correlaçãoMédia
xy2484516608641079xy51050607080

A tabela dá 5 observações pareadas de x = horas de estudo e y = nota na prova. As suas somas são dadas. Encontre o coeficiente de correlação de Pearson r a partir dessas somas.

n = 5Σx = 30Σy = 302Σx² = 220Σy² = 18842Σxy = 1962
r =
12.Regressão linear e correlaçãoDifícil
xy2345698141018xy51051015x = 5

A tabela dá 5 observações pareadas de x = carga em kN e y = alongamento em mm. Use a reta de mínimos quadrados ŷ = a + b·x. Preveja ŷ para x = 5.

n = 5x = 5
ŷ =

3Soluções

1.Estatística descritiva

Resposta: s = 10,4

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 = 275/7 = 39,29

Desvios ao quadrado

Σ(x − x̄)² = 3,714² + (−12,29)² + 16,71² + 0,7143² + (−6,286)² + 7,714² + (−10,29)² = 649,4

Desvio-padrão

s = √(649,4/6) = 10,4

Resposta

s = 10,4
2.Estatística descritiva

Resposta: P = 0,9772

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 = 0,9772

Resposta

P = 0,9772
3.Probabilidades

Resposta: P = 0,2857

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.

Primeira e segunda tiragem

P = 4/7 · 3/6 = 12/42 = 0,2857

Resposta

P = 0,2857
4.Probabilidades

Resposta: P = 0,8503

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.

Zero e uma avaria

P(X = 0) = 0,97 = 0,4783
P(X = 1) = 7·0,1·0,96 = 0,372

Some

P = 0,4783 + 0,372 = 0,8503

Resposta

P = 0,8503
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 da soma

μ = 105 s, σ = √(5² + 4²) = 6,403 s

Padronizar

z = (117,8 − 105)/6,403 = 2

Cauda superior

P = 1 − Φ(2) = 1 − 0,9772 = 0,02275

Resposta

P = 0,02275
6.Distribuição normal

Resposta: P = 0,9452

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 = 0,025 mm

Padronizar

z = (0 − 0,04)/0,025 = −1,6

Probabilidades

P = 1 − Φ(−1,6) = 0,9452

Resposta

P = 0,9452
7.Intervalos de confiança

Resposta: limite superior = 43,54

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 = 7, t = 2,365

Margem de erro

E = 2,365·15/√8 = 12,54

Intervalo

31 ± 12,54 → [18,46, 43,54]

Resposta

limite superior = 43,54
8.Intervalos de confiança

Resposta: σ = 7,985 µm

Intervalo para uma variância: (n − 1)s²/σ² tem distribuição χ² com n − 1 graus de liberdade. O intervalo de 95% para σ² vai de (n − 1)s² dividido pelo valor superior de χ² (2,5% acima dele) até (n − 1)s² dividido pelo valor inferior de χ² (2,5% abaixo dele); o intervalo para σ é a raiz quadrada dos dois limites. Ele não é simétrico em torno de s.

Soma de quadrados

(n − 1)s² = 19·10,5² = 2095

Limites para σ²

2095/32,852 = 63,76
2095/8,907 = 235,2

Limite para σ

σ = √63,76 = 7,985 µm

Resposta

σ = 7,985 µm

Intervalo de 95% para σ: [7,985, 15,34] µm.

9.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: z = −2,619

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 = √(9²/100 + 16²/60) = √5,077 = 2,253

Estatística de teste

z = (88 − 93,9)/2,253 = −2,619

Resposta

z = −2,619

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

10.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: z = −2,121

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 = 20/80 = 0,25
p̂₂ = 40/100 = 0,4
p̂ = 60/180 = 0,3333

Erro-padrão sob H₀

SE = √(0,3333·0,6667·(1/80 + 1/100)) = 0,07071

Estatística de teste

z = (0,25 − 0,4)/0,07071 = −2,121

Resposta

z = −2,121

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

11.Regressão linear e correlação

Resposta: r = 0,9673

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.

Somas centradas

Sxy = 1962 − 30·302/5 = 150
Sxx = 220 − 30²/5 = 40
Syy = 18842 − 302²/5 = 601,2

Coeficiente de correlação

r = 150/√(40·601,2) = 0,9673

Resposta

r = 0,9673
12.Regressão linear e correlação

Resposta: ŷ = 7,85

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 = 49/5 = 9,8

Somas de quadrados e de produtos

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 78

Reta de regressão

b = 78/40 = 1,95
a = 9,8 − 1,95·6 = −1,9
ŷ = −1,9 + 1,95·x

Previsão

ŷ = −1,9 + 1,95·5 = 7,85

Resposta

ŷ = 7,85

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