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
30354045505560

Calcule o desvio-padrão amostral s dos dados: 38, 30, 41, 31, 39, 60.

n = 6
s =
2.Estatística descritivaDifícil
z −2−1012

Uma grandeza segue uma distribuição normal com média 60 e desvio-padrão 15. Que proporção P dos valores está acima de 48?

μ = 60σ = 15x = 48
P =
3.ProbabilidadesMédia
xp(x)00,2510,1520,3530,25μ = 1,6

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

x: 0, 1, 2, 3p(x): 0,25, 0,15, 0,35, 0,25
Var(X) =
4.ProbabilidadesDifícil
n = 6, p = 0,2: P(X = 4) = ?k0123456

Um teste tem 6 perguntas de escolha múltipla. Uma estudante que responde ao acaso acerta cada uma com probabilidade 0,2, de forma independente. Qual é a probabilidade P de acertar exatamente 4?

n = 6p = 0,2k = 4
P =
5.Distribuição normalMédia
72 kg73 kgT = X₁ + … + X₆?

As massas de caixas são independentes e normais com média 12 kg e desvio padrão 0,8 kg. Encontre a probabilidade P de a massa total de 6 deles exceder 73 kg. Arredonde z para duas casas decimais.

μ = 12 kgσ = 0,8 kgn = 6> 73 kg
P =
6.Distribuição normalDifícil
10 g0X − Y?

A massa X de um produto da linha 1 e Y da linha 2 são independentes e normais: X tem média 500 g e desvio padrão 8 g, Y tem média 490 g e desvio padrão 6 g. Encontre a probabilidade P de X ser maior que Y. Arredonde z para duas casas decimais.

μX = 500 g, σX = 8 gμY = 490 g, σY = 6 g
P =
7.Intervalos de confiançaMédia
n = 16, s = 6L = ?Ux̄ = 12E90%

Uma amostra de 16 itens tem média 12 e desvio-padrão s = 6. A população é aproximadamente normal. Calcule o limite inferior do intervalo de confiança de 90% para a média.

n = 16x̄ = 12s = 690%t(15) = 1,753
limite inferior =
8.Intervalos de confiançaDifícil
σ = 20, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 2,595%

O desvio-padrão da população é 20. Qual o tamanho de amostra n necessário para que um intervalo de confiança de 95% para a média tenha margem de erro de no máximo 2,5?

σ = 20E = 2,595%
n =
9.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaMédia
t −1,99801,998

Uma amostra de 64 estudantes tem nota média 47,38 e desvio-padrão amostral 15. Calcule a estatística de teste t para H₀: μ = 50.

μ₀ = 50x̄ = 47,38s = 15n = 64
t =
10.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaDifícil
σ = 12, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 295%

Que tamanho deve ter uma amostra para que o intervalo de confiança a 95 % para uma média tenha uma margem de erro de no máximo 2? O desvio-padrão é 12. Calcule o menor tamanho de amostra n.

σ = 12E = 295%
n =
11.Regressão linear e correlaçãoMédia
xy352462570675782891xy4686080

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 = 33Σy = 432Σx² = 199Σy² = 32078Σxy = 2506
r =
12.Regressão linear e correlaçãoDifícil
xy230329434541645xy24630354045x = 3,5

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 = 3,5.

n = 5x = 3,5
ŷ =

3Soluções

1.Estatística descritiva

Resposta: s = 10,83

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 = 239/6 = 39,83

Desvios ao quadrado

Σ(x − x̄)² = (−1,833)² + (−9,833)² + 1,167² + (−8,833)² + (−0,8333)² + 20,17² = 586,8

Desvio-padrão

s = √(586,8/5) = 10,83

Resposta

s = 10,83
2.Estatística descritiva

Resposta: P = 0,7881

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 = −0,8

Tabela da normal padrão

Φ(−0,8) = 0,2119
P = 1 − 0,2119 = 0,7881

Resposta

P = 0,7881
3.Probabilidades

Resposta: Var(X) = 1,24

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 = 0·0,25 + 1·0,15 + 2·0,35 + 3·0,25 = 1,6

Média dos quadrados

E(X²) = 0·0,25 + 1·0,15 + 4·0,35 + 9·0,25 = 3,8

Variância

Var(X) = 3,8 − 1,6² = 1,24

Resposta

Var(X) = 1,24
4.Probabilidades

Resposta: P = 0,01536

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 = 4) = 15·0,24·0,82 = 15·0,0016·0,64 = 0,01536

Resposta

P = 0,01536
5.Distribuição normal

Resposta: P = 0,305

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 do total

μT = 72 kg, σT = 0,8·√6 = 1,96 kg

Padronizar

z = (73 − 72)/1,96 = 0,51

Probabilidades

P = 1 − Φ(0,51) = 0,305

Resposta

P = 0,305
6.Distribuição normal

Resposta: P = 0,8413

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 = 500 − 490 = 10 g, σ = 10 g

Padronizar

z = (0 − 10)/10 = −1

Probabilidades

P = 1 − Φ(−1) = 0,8413

Resposta

P = 0,8413
7.Intervalos de confiança

Resposta: limite inferior = 9,37

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 = 15, t = 1,753

Margem de erro

E = 1,753·6/√16 = 2,629

Intervalo

12 ± 2,629 → [9,37, 14,63]

Resposta

limite inferior = 9,37
8.Intervalos de confiança

Resposta: n = 246

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 = (1,96·20/2,5)² = 245,9

Arredondar para cima

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

n = 246

Resposta

n = 246
9.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: t = −1,397

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/√64 = 15/8 = 1,875

Estatística de teste

t = (47,38 − 50)/1,875 = −1,397

Resposta

t = −1,397
t0,025; df = 63 = 1,998

|t| < 1.998, então H₀ não é rejeitada ao nível de 5% (bilateral).

10.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: n = 139

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 = (1,96·12/2)² = 138,3

Arredondar para cima

n = 139

Resposta

n = 139
11.Regressão linear e correlação

Resposta: r = 0,9957

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 = 2506 − 33·432/6 = 130
Sxx = 199 − 33²/6 = 17,5
Syy = 32078 − 432²/6 = 974

Coeficiente de correlação

r = 130/√(17,5·974) = 0,9957

Resposta

r = 0,9957
12.Regressão linear e correlação

Resposta: ŷ = 33,7

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 = 179/5 = 35,8

Somas de quadrados e de produtos

Sxx = Σ(x − x̄)² = 10
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 42

Reta de regressão

b = 42/10 = 4,2
a = 35,8 − 4,2·4 = 19
ŷ = 19 + 4,2·x

Previsão

ŷ = 19 + 4,2·3,5 = 33,7

Resposta

ŷ = 33,7

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