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
15202530354045

Calcule o desvio-padrão amostral s dos dados: 42, 47, 36, 48, 13.

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

Uma grandeza segue uma distribuição normal com média 50 e desvio-padrão 12. Que proporção P dos valores está acima de 68?

μ = 50σ = 12x = 68
P =
3.ProbabilidadesMédia
vermelhas: 4azuis: 7

Um saco tem 4 bolas vermelhas e 7 azuis. Tira duas bolas sem repor a primeira. Qual é a probabilidade P de ambas serem vermelhas?

4 / 7
P =
4.ProbabilidadesDifícil
n = 11, p = 0,5: P(X ≤ 1) = ?k01234567891011

Testam-se 11 componentes e cada um avaria com probabilidade 0,5, de forma independente. Qual é a probabilidade P de avariar no máximo um?

n = 11p = 0,5
P =
5.Distribuição normalMédia
50,573,5P = ?

As notas de prova seguem uma distribuição normal com média 65 pontos e desvio-padrão 10 pontos. Que fração está entre 50,5 e 73,5 pontos? Dê P em forma decimal.

μ = 65σ = 10x1 = 50,5x2 = 73,5
P =
6.Distribuição normalDifícil
380420460500540580620hbase 30%

Os durações de baterias têm distribuição normal com média 500 h e desvio padrão 40 h. Arraste o ponto de corte para que os 30% inferiores sombreados fiquem à esquerda dele. Encontre o ponto de corte x.

μ = 500 hσ = 40 h30%
x = h
7.Intervalos de confiançaMédia
n = 15, sd​ = 7,70L = ?Ud̄ = −1,1E99%

A pressão arterial de 15 pacientes é medida antes e depois de um tratamento. As diferenças d = antes − depois (mmHg) têm média −1,1 e desvio-padrão 7,7. Encontre o limite inferior do intervalo de confiança de 99% para a diferença média.

n = 15d̄ = −1,1sd = 7,799%t(14) = 2,977
limite inferior = mmHg
8.Intervalos de confiançaDifícil
n = 15Lσ = ?s = 4,195%

Os diâmetros de 15 eixos usinados têm desvio-padrão amostral de 4,1 µm. Supondo que os diâmetros tenham distribuição normal, encontre o limite superior σ do intervalo de confiança de 95% para o desvio-padrão populacional. Com gl = 14, 2,5% da distribuição χ² fica abaixo de 5,629 e 2,5% fica acima de 26,119.

n = 15s = 4,1 µmχ² = 5,629, 26,119
σ = µm
9.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaMédia
t −2,0302,03

Uma amostra de 36 estudantes tem nota média 92,25 e desvio-padrão amostral 15. Calcule a estatística de teste t para H₀: μ = 100.

μ₀ = 100x̄ = 92,25s = 15n = 36
t =
10.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaDifícil
z −2,57602,576

Uma amostra de 16 medições tem média 121,5. O desvio-padrão da população é 12. Calcule o limite inferior L do intervalo de confiança a 99 % para a média.

x̄ = 121,5σ = 12n = 1699%
L =
11.Regressão linear e correlaçãoMédia
xy244353458569681779xy2466080

A tabela dá 6 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 = 6Σx = 27Σy = 384Σx² = 139Σy² = 25672Σxy = 1863
r =
12.Regressão linear e correlaçãoDifícil
xy14601658186620802290xy152060708090ŷ = 83

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 = 83?

n = 5ŷ = 83
x =

3Soluções

1.Estatística descritiva

Resposta: s = 14,34

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 = 186/5 = 37,2

Desvios ao quadrado

Σ(x − x̄)² = 4,8² + 9,8² + (−1,2)² + 10,8² + (−24,2)² = 822,8

Desvio-padrão

s = √(822,8/4) = 14,34

Resposta

s = 14,34
2.Estatística descritiva

Resposta: P = 0,06681

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 = 1,5

Tabela da normal padrão

Φ(1,5) = 0,9332
P = 1 − 0,9332 = 0,06681

Resposta

P = 0,06681
3.Probabilidades

Resposta: P = 0,1091

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 = 4/11 · 3/10 = 12/110 = 0,1091

Resposta

P = 0,1091
4.Probabilidades

Resposta: P = 0,005859

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) = 0,511 = 0,0004883
P(X = 1) = 11·0,5·0,510 = 0,005371

Some

P = 0,0004883 + 0,005371 = 0,005859

Resposta

P = 0,005859
5.Distribuição normal

Resposta: P = 0,7288

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 = (50,5 − 65)/10 = −1,45
z₂ = (73,5 − 65)/10 = 0,85

Área entre os valores

P = Φ(0,85) − Φ(−1,45) = 0,8023 − 0,07353 = 0,7288

Resposta

P = 0,7288
6.Distribuição normal

Resposta: x = 479 h

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

Φ(z) = 0,3

z da tabela

z ≈ −0,52

De volta às unidades originais

x = 500 − 0,52·40 = 479 h

Resposta

x = 479 h
7.Intervalos de confiança

Resposta: limite inferior = −7,019 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 = 14, t = 2,977

Margem de erro

E = 2,977·7,7/√15 = 5,919

Intervalo

−1,1 ± 5,919 → [−7,019, 4,819]

Resposta

limite inferior = −7,019 mmHg
8.Intervalos de confiança

Resposta: σ = 6,466 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 = 14·4,1² = 235,3

Limites para σ²

235,3/26,119 = 9,01
235,3/5,629 = 41,81

Limite para σ

σ = √41,81 = 6,466 µm

Resposta

σ = 6,466 µm

Intervalo de 95% para σ: [3,002, 6,466] µm.

9.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: t = −3,1

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 = 15/√36 = 15/6 = 2,5

Estatística de teste

t = (92,25 − 100)/2,5 = −3,1

Resposta

t = −3,1
t0,025; df = 35 = 2,03

|t| > 2,03, então H₀ é rejeitada ao nível de 5% (bilateral).

10.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: L = 113,8

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).

Margem de erro

E = 2,576·12/√16 = 7,728

Limite do intervalo

L = 121,5 − 7,728 = 113,8

Resposta

L = 113,8
11.Regressão linear e correlação

Resposta: r = 0,9748

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 = 1863 − 27·384/6 = 135
Sxx = 139 − 27²/6 = 17,5
Syy = 25672 − 384²/6 = 1096

Coeficiente de correlação

r = 135/√(17,5·1096) = 0,9748

Resposta

r = 0,9748
12.Regressão linear e correlação

Resposta: x = 20,98

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 = 354/5 = 70,8

Somas de quadrados e de produtos

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 164

Reta de regressão

b = 164/40 = 4,1
a = 70,8 − 4,1·18 = −3
ŷ = −3 + 4,1·x

Resolver para x

x = (83 − (−3))/4,1 = 20,98

Resposta

x = 20,98

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