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: 30, 15, 20, 51, 39.

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

As notas de um exame seguem uma distribuição normal com média 170 e desvio-padrão 12. Calcule a pontuação z z de uma nota de 160,4.

μ = 170σ = 12x = 160,4
z =
3.ProbabilidadesMédia
P(pelo menos um seis) = ??1?2?3?4?5?6?7P(seis) = 1/6 em cada lançamento

Lança-se um dado equilibrado 7 vezes. Qual é a probabilidade P de sair pelo menos um seis?

n = 7
P =
4.ProbabilidadesDifícil
xp(x)00,210,0520,3530,240,2μ

X tem a distribuição mostrada e Y = 0,5X + 5. Encontre o desvio padrão σY de Y.

x: 0, 1, 2, 3, 4p(x): 0,2, 0,05, 0,35, 0,2, 0,2Y = 0,5X + 5
σY =
5.Distribuição normalMédia
4575,5P = ?

As notas de prova seguem uma distribuição normal com média 65 pontos e desvio-padrão 10 pontos. Que fração está entre 45 e 75,5 pontos? Dê P em forma decimal.

μ = 65σ = 10x1 = 45x2 = 75,5
P =
6.Distribuição normalDifícil
μ = 65x = ?10%

As notas de prova seguem uma distribuição normal com média 65 pontos e desvio-padrão 10 pontos. Calcule o valor x abaixo do qual estão 10% delas (o percentil 10).

μ = 65σ = 10P = 10%
x = pontos
7.Intervalos de confiançaMédia
μ₁ − μ₂0L = ?Ux̄₁ − x̄₂E95%

A duração da bateria de dois modelos de celular é comparada. Modelo 1: 100 celulares, média 45 h, desvio-padrão conhecido 5 h. Modelo 2: 30 celulares, média 50 h, desvio-padrão conhecido 17 h. Encontre o limite inferior do intervalo de confiança de 95% para μ₁ − μ₂.

n₁ = 100x̄₁ = 45 hσ₁ = 5 hn₂ = 30x̄₂ = 50 hσ₂ = 17 h95%
limite inferior = h
8.Intervalos de confiançaDifícil
σ = 16, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 0,595%

O desvio-padrão da população é 16. 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 0,5?

σ = 16E = 0,595%
n =
9.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaMédia
t −2,0302,03

Uma amostra de 36 estudantes tem nota média 124,8 e desvio-padrão amostral 12. Calcule a estatística de teste t para H₀: μ = 120.

μ₀ = 120x̄ = 124,8s = 12n = 36
t =
10.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaDifícil
z −2,57602,576

Uma amostra de 81 medições tem média 200,2. O desvio-padrão da população é 5. Calcule o limite superior U do intervalo de confiança a 99 % para a média.

x̄ = 200,2σ = 5n = 8199%
U =
11.Regressão linear e correlaçãoMédia
xy274126198281037xy51010203040

A tabela dá 5 observações pareadas de x = carga em kN e y = alongamento em mm. Encontre o coeficiente de correlação de Pearson r.

n = 5
r =
12.Regressão linear e correlaçãoDifícil
xy128225321419515612xy246152025x = 3,5

A tabela dá 6 observações pareadas de x = idade do carro em anos e y = preço em k€. Use a reta de mínimos quadrados ŷ = a + b·x. É feita uma nova observação (3,5, 16). Encontre o seu resíduo e = y − ŷ.

n = 6(3,5, 16)
e =

3Soluções

1.Estatística descritiva

Resposta: s = 14,51

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 = 155/5 = 31

Desvios ao quadrado

Σ(x − x̄)² = (−1)² + (−16)² + (−11)² + 20² + 8² = 842

Desvio-padrão

s = √(842/4) = 14,51

Resposta

s = 14,51
2.Estatística descritiva

Resposta: z = −0,8

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 = (160,4 − 170)/12 = −0,8

Resposta

z = −0,8
3.Probabilidades

Resposta: P = 0,7209

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)7 = 0,2791
P = 1 − 0,2791 = 0,7209

Resposta

P = 0,7209
4.Probabilidades

Resposta: σY = 0,6759

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 = 2,15, Var(X) = 1,827, σX = 1,352

Mudança linear

σY = |0,5|·1,352 = 0,6759

Resposta

σY = 0,6759

A média de fato se desloca: E(Y) = 0,5·2,15 + 5 = 6,075.

5.Distribuição normal

Resposta: P = 0,8304

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 = (45 − 65)/10 = −2
z₂ = (75,5 − 65)/10 = 1,05

Área entre os valores

P = Φ(1,05) − Φ(−2) = 0,8531 − 0,02275 = 0,8304

Resposta

P = 0,8304
6.Distribuição normal

Resposta: x = 52,18 pontos

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) = 0,1 → z = −1,282

De volta a x

x = 65 + −1,282·10 = 52,18 pontos

Resposta

x = 52,18 pontos
7.Intervalos de confiança

Resposta: limite inferior = −11,16 h

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.

Estimativa pontual

x̄₁ − x̄₂ = 45 − 50 = −5

Erro-padrão

SE = √(5²/100 + 17²/30) = 3,144

Margem de erro

E = 1,96·3,144 = 6,162

Intervalo

−5 ± 6,162 → [−11,16, 1,162]

Resposta

limite inferior = −11,16 h

O intervalo contém 0, então os dados não mostram uma diferença significativa.

8.Intervalos de confiança

Resposta: n = 3934

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 = (1,96·16/0,5)² = 3934

Arredondar para cima

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

n = 3934

Resposta

n = 3934
9.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: t = 2,4

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 = 12/√36 = 12/6 = 2

Estatística de teste

t = (124,8 − 120)/2 = 2,4

Resposta

t = 2,4
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: U = 201,6

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 = 2,576·5/√81 = 1,431

Limite do intervalo

U = 200,2 + 1,431 = 201,6

Resposta

U = 201,6
11.Regressão linear e correlação

Resposta: r = 0,9935

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 = 103/5 = 20,6

Somas de quadrados e de produtos

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 152
Syy = Σ(y − ȳ)² = 585,2

Coeficiente de correlação

r = 152/√(40·585,2) = 0,9935

Resposta

r = 0,9935
12.Regressão linear e correlação

Resposta: e = −4

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 = 21/6 = 3,5
ȳ = 120/6 = 20

Somas de quadrados e de produtos

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17,5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −56

Reta de regressão

b = −56/17,5 = −3,2
a = 20 − (−3,2)·3,5 = 31,2
ŷ = 31,2 − 3,2·x

Valor previsto

ŷ = 31,2 + (−3,2)·3,5 = 20

Resíduo

e = 16 − 20 = −4

Resposta

e = −4

O ponto está abaixo da reta.

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