Estatística 2: Inferência Estatística: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 10 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

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

Testes qui-quadrado

Estatística de teste
χ² = Σ(O − E)²/E
Aderência
E = n·p, df = k − 1 − (estimated parameters)
Independência
E = row total × column total / grand total, df = (r − 1)(c − 1)
Valores críticos (α = 0,05)
df 1: 3,841, 2: 5,991, 3: 7,815, 4: 9,488
Decisão
rejeite H0 se χ² > χ²crit

2Exercícios

1.Distribuição normalMédia
−3−2−10123zárea sombreada à direita de z = 0,9821

Arraste z para que a área sombreada sob a curva normal padrão, à direita de z, seja 0,9821. Encontre z com duas casas decimais.

A = 0,9821
z =
2.Distribuição normalDifícil
235240245250255260265gtopo 70%

Os massas de sacos têm distribuição normal com média 250 g e desvio padrão 5 g. Arraste o ponto de corte para que os 70% superiores sombreados fiquem à direita dele. Encontre o ponto de corte x.

μ = 250 gσ = 5 g70%
x = g
3.Intervalos de confiançaMédia
n = 25, s = 13L = ?Ux̄ = 47E99%

Uma amostra de 25 itens tem média 47 e desvio-padrão s = 13. A população é aproximadamente normal. Calcule o limite inferior do intervalo de confiança de 99% para a média.

n = 25x̄ = 47s = 1399%t(24) = 2,797
limite inferior =
4.Intervalos de confiançaDifícil
n = 30σ = ?Us = 7,795%

Os diâmetros de 30 eixos usinados têm desvio-padrão amostral de 7,7 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 = 29, 2,5% da distribuição χ² fica abaixo de 16,047 e 2,5% fica acima de 45,722.

n = 30s = 7,7 µmχ² = 16,047, 45,722
σ = µm
5.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaMédia
t −1,99801,998

Uma amostra de 64 estudantes tem nota média 117,8 e desvio-padrão amostral 8. Calcule a estatística de teste t para H₀: μ = 120.

μ₀ = 120x̄ = 117,8s = 8n = 64
t =
6.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaDifícil
μ₀x̄c

Um teste z unilateral de H₀: μ = 50 contra H₁: μ > 50 é feito com α = 0,01 e uma amostra de 64; o desvio-padrão é conhecido e vale 16. Na realidade a média é 57,8. Encontre a probabilidade de um erro do tipo II β em porcentagem.

μ₀ = 50μ = 57,8σ = 16n = 64α = 0,01
β = %
7.Regressão linear e correlaçãoMédia
xy129225326424521622xy24625

A tabela dá 6 observações pareadas de x = idade do carro em anos e y = preço em k€. As suas somas são dadas. Encontre o coeficiente de correlação de Pearson r a partir dessas somas.

n = 6Σx = 21Σy = 147Σx² = 91Σy² = 3643Σxy = 490
r =
8.Regressão linear e correlaçãoDifícil
xy17801988211032312125132xy202580100120ŷ = 98

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 = 98?

n = 5ŷ = 98
x =
9.Testes qui-quadradoMédia
ônibusbicicletacarroTotalestudantes14162050funcionários21141045Total35303095

A tabela de contingência mostra frequências observadas. Para um teste qui-quadrado de independência, encontre a frequência esperada E para a célula “funcionários, bicicleta”.

total da linha = 45total da coluna = 30N = 95
E =
10.Testes qui-quadradoDifícil
dfα = 0,05α = 0,0113,8416,63525,9919,21037,81511,34549,48813,277511,07015,086612,59216,812714,06718,475815,50720,090916,91921,6661018,30723,209

Um teste qui-quadrado de aderência compara frequências observadas em 8 categorias com proporções esperadas totalmente especificadas (nenhum parâmetro é estimado a partir dos dados). Usando a tabela, encontre o valor crítico χ²crit ao nível de significância α = 0,05.

α = 0,05
χ²crit =

3Soluções

1.Distribuição normal

Resposta: z = −2,1

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 de z

Φ(z) = 1 − 0,9821 = 0,0179

Leia a tabela de z ao contrário

Encontre 0,0179 dentro da tabela e leia z.

z = −2,10

Resposta

z = −2,10
2.Distribuição normal

Resposta: x = 247,4 g

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 = 250 − 0,52·5 = 247,4 g

Resposta

x = 247,4 g
3.Intervalos de confiança

Resposta: limite inferior = 39,73

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 = 24, t = 2,797

Margem de erro

E = 2,797·13/√25 = 7,272

Intervalo

47 ± 7,272 → [39,73, 54,27]

Resposta

limite inferior = 39,73
4.Intervalos de confiança

Resposta: σ = 6,132 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 = 29·7,7² = 1719

Limites para σ²

1719/45,722 = 37,61
1719/16,047 = 107,1

Limite para σ

σ = √37,61 = 6,132 µm

Resposta

σ = 6,132 µm

Intervalo de 95% para σ: [6,132, 10,35] µm.

5.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: t = −2,2

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 = 8/√64 = 8/8 = 1

Estatística de teste

t = (117,8 − 120)/1 = −2,2

Resposta

t = −2,2
t0,025; df = 63 = 1,998

|t| > 1,998, então H₀ é rejeitada ao nível de 5% (bilateral).

6.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: β = 5,774 %

Poder de um teste: poder = 1 − β é a probabilidade de rejeitar H₀ quando ela é falsa. Encontre o limite x̄c a partir de μ₀ e z_α, depois calcule a probabilidade de cair além de x̄c usando a média verdadeira: z = (x̄c − μ)/(σ/√n).

Média amostral crítica

SE = 16/√64 = 2
x̄c = 50 + 2,326·2 = 54,65

z sob a média verdadeira

z = (54,65 − 57,8)/2 = −1,574

Erro do tipo II

poder = P(Z > −1,574) = 94,23%
β = 100% − 94,23% = 5,774%

Resposta

β = 5,774%
7.Regressão linear e correlação

Resposta: r = −0,9091

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 = 490 − 21·147/6 = −24,5
Sxx = 91 − 21²/6 = 17,5
Syy = 3643 − 147²/6 = 41,5

Coeficiente de correlação

r = −24,5/√(17,5·41,5) = −0,9091

Resposta

r = −0,9091
8.Regressão linear e correlação

Resposta: x = 20,01

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 = 105/5 = 21
ȳ = 524/5 = 104,8

Somas de quadrados e de produtos

Sxx = Σ(x − x̄)² = 40
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 274

Reta de regressão

b = 274/40 = 6,85
a = 104,8 − 6,85·21 = −39,05
ŷ = −39,05 + 6,85·x

Resolver para x

x = (98 − (−39,05))/6,85 = 20,01

Resposta

x = 20,01
9.Testes qui-quadrado

Resposta: E = 14,21

Testes qui-quadrado: compare as frequências observadas O com as frequências E esperadas sob H₀ usando χ² = Σ(O − E)²/E. Aderência: E = n·p para cada categoria, gl = k − 1 (menos um para cada parâmetro estimado a partir dos dados). Independência em uma tabela r × c: E = total da linha × total da coluna / total geral, gl = (r − 1)(c − 1). Rejeite H₀ quando χ² ultrapassar o valor crítico para o α escolhido.

Frequência esperada

E = 45·30/95 = 14,21

Resposta

E = 14,21
10.Testes qui-quadrado

Resposta: χ²crit = 14,07

Testes qui-quadrado: compare as frequências observadas O com as frequências E esperadas sob H₀ usando χ² = Σ(O − E)²/E. Aderência: E = n·p para cada categoria, gl = k − 1 (menos um para cada parâmetro estimado a partir dos dados). Independência em uma tabela r × c: E = total da linha × total da coluna / total geral, gl = (r − 1)(c − 1). Rejeite H₀ quando χ² ultrapassar o valor crítico para o α escolhido.

Graus de liberdade

df = 8 − 1 = 7

Tabela

χ²crit(df = 7, α = 0,05) = 14,067

Resposta

χ²crit = 14,067

Rejeite H₀ se o χ² calculado for maior que este valor.

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