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 = 0,0427

Arraste z para que a área sombreada sob a curva normal padrão, à direita de z, seja 0,0427. Encontre z com duas casas decimais.

A = 0,0427
z =
2.Distribuição normalDifícil
μ = 178x = ?25%

As alturas de homens adultos seguem uma distribuição normal com média 178 cm e desvio-padrão 7 cm. Calcule o valor x abaixo do qual estão 25% delas (o percentil 25).

μ = 178σ = 7P = 25%
x = cm
3.Intervalos de confiançaMédia
μ₁ − μ₂0LUx̄₁ − x̄₂E = ?90%

A duração da bateria de dois modelos de celular é comparada. Modelo 1: 50 celulares, média 65,5 h, desvio-padrão conhecido 16 h. Modelo 2: 30 celulares, média 54,5 h, desvio-padrão conhecido 16 h. Encontre a margem de erro E do intervalo de confiança de 90% para μ₁ − μ₂.

n₁ = 50x̄₁ = 65,5 hσ₁ = 16 hn₂ = 30x̄₂ = 54,5 hσ₂ = 16 h90%
E = h
4.Intervalos de confiançaDifícil
σ = 33, n = ?x̄ − Ex̄ + Ex̄E = 295%

O desvio-padrão da população é 33. 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?

σ = 33E = 295%
n =
5.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaMédia
t −2,13102,131

Uma amostra de 16 estudantes tem nota média 93,5 e desvio-padrão amostral 10. Calcule a estatística de teste t para H₀: μ = 100.

μ₀ = 100x̄ = 93,5s = 10n = 16
t =
6.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaDifícil
−1,961,96z = ?

Em um ensaio, 60 de 120 pacientes com o tratamento A se recuperam, e 87 de 150 pacientes com o tratamento B. Usando a proporção combinada, encontre a estatística de teste z para H₀: p₁ = p₂.

x₁ = 60n₁ = 120x₂ = 87n₂ = 150
z =
7.Regressão linear e correlaçãoMédia
xy146253352459559xy2445505560

A tabela dá 5 observações pareadas de x = gasto com publicidade em k€ e y = vendas em k€. As suas somas são dadas. Encontre o coeficiente de correlação de Pearson r a partir dessas somas.

n = 5Σx = 15Σy = 269Σx² = 55Σy² = 14591Σxy = 839
r =
8.Regressão linear e correlaçãoDifícil
xy126226321420520616xy2462025x = 1,5

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 (1,5, 23). Encontre o seu resíduo e = y − ŷ.

n = 6(1,5, 23)
e =
9.Testes qui-quadradoMédia
ônibusbicicletacarroTotalestudantes3981966funcionários3436878Total734427144

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 = 78total da coluna = 44N = 144
E =
10.Testes qui-quadradoDifícil
aprovadoreprovadoTotal18–30 anos60208031–50 anos604010051+ anos34640Total15466220dfα = 0,05α = 0,0113,8416,63525,9919,21037,81511,34549,48813,277511,07015,086612,59216,812714,06718,475815,50720,090916,91921,6661018,30723,209

A tabela mostra frequências observadas. Teste ao nível α = 0,01 se as duas variáveis são independentes (sem correção de continuidade). Calcule a estatística de teste χ² e depois compare-a com o valor crítico da tabela.

N = 2203 × 2α = 0,01
χ² =

3Soluções

1.Distribuição normal

Resposta: z = 1,72

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 − 0,0427 = 0,9573

Leia a tabela de z ao contrário

Encontre 0,9573 dentro da tabela e leia z.

z = 1,72

Resposta

z = 1,72
2.Distribuição normal

Resposta: x = 173,3 cm

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) = 0,25 → z = −0,6745

De volta a x

x = 178 + −0,6745·7 = 173,28 cm

Resposta

x = 173,28 cm
3.Intervalos de confiança

Resposta: E = 6,078 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 = 65,5 − 54,5 = 11

Erro-padrão

SE = √(16²/50 + 16²/30) = 3,695

Margem de erro

E = 1,645·3,695 = 6,078

Resposta

E = 6,078 h

O intervalo não contém 0, então as médias diferem significativamente.

4.Intervalos de confiança

Resposta: n = 1046

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 = (1,96·33/2)² = 1046

Arredondar para cima

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

n = 1046

Resposta

n = 1046
5.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: t = −2,6

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).

Erro-padrão

SE = 10/√16 = 10/4 = 2,5

Estatística de teste

t = (93,5 − 100)/2,5 = −2,6

Resposta

t = −2,6
t0,025; df = 15 = 2,131

|t| > 2,131, então H₀ é rejeitada ao nível de 5% (bilateral).

6.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: z = −1,312

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 = 60/120 = 0,5
p̂₂ = 87/150 = 0,58
p̂ = 147/270 = 0,5444

Erro-padrão sob H₀

SE = √(0,5444·0,4556·(1/120 + 1/150)) = 0,06099

Estatística de teste

z = (0,5 − 0,58)/0,06099 = −1,312

Resposta

z = −1,312

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

7.Regressão linear e correlação

Resposta: r = 0,9284

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 = 839 − 15·269/5 = 32
Sxx = 55 − 15²/5 = 10
Syy = 14591 − 269²/5 = 118,8

Coeficiente de correlação

r = 32/√(10·118,8) = 0,9284

Resposta

r = 0,9284
8.Regressão linear e correlação

Resposta: e = −2,443

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 = 129/6 = 21,5

Somas de quadrados e de produtos

Sxx = Σ(x − x̄)² = 17,5
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = −34,5

Reta de regressão

b = −34,5/17,5 = −1,971
a = 21,5 − (−1,971)·3,5 = 28,4
ŷ = 28,4 − 1,971·x

Valor previsto

ŷ = 28,4 + (−1,971)·1,5 = 25,44

Resíduo

e = 23 − 25,44 = −2,443

Resposta

e = −2,443

O ponto está abaixo da reta.

9.Testes qui-quadrado

Resposta: E = 23,83

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 = 78·44/144 = 23,83

Resposta

E = 23,83
10.Testes qui-quadrado

Resposta: χ² = 10

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.

Frequências esperadas

18–30 anos: 56, 24
31–50 anos: 70, 30
51+ anos: 28, 12

Estatística qui-quadrado

χ² = (60 − 56)²/56 + (20 − 24)²/24 + (60 − 70)²/70 + (40 − 30)²/30 + (34 − 28)²/28 + (6 − 12)²/12
χ² = 10

Decisão

df = 2, χ²crit = 9,210
10 > 9,210

Resposta

χ² = 10

χ² está acima do valor crítico, então H₀ é rejeitada: as variáveis parecem estar relacionadas.

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