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 = 0,9608

Arraste z para que a área sombreada sob a curva normal padrão, à direita de z, seja 0,9608. Encontre z com duas casas decimais.

A = 0,9608
z =
2.Distribuição normalDifícil
157164171178185192199cmbase 15%

Os alturas de homens adultos têm distribuição normal com média 178 cm e desvio padrão 7 cm. Arraste o ponto de corte para que os 15% inferiores sombreados fiquem à esquerda dele. Encontre o ponto de corte x.

μ = 178 cmσ = 7 cm15%
x = cm
3.Intervalos de confiançaMédia
n = 20, s = 18,5LU = ?x̄ = 62E95%

Uma amostra de 20 itens tem média 62 e desvio-padrão s = 18,5. A população é aproximadamente normal. Calcule o limite superior do intervalo de confiança de 95% para a média.

n = 20x̄ = 62s = 18,595%t(19) = 2,093
limite superior =
4.Intervalos de confiançaDifícil
μ₁ − μ₂, t(29) = 2,7560L = ?Ux̄₁ − x̄₂E99%

Dois fertilizantes são testados. Grupo de parcelas 1: 24 parcelas, produção média 25 kg, desvio-padrão 1,5 kg. Grupo de parcelas 2: 7 parcelas, média 32,5 kg, desvio-padrão 7,5 kg. Suponha variâncias iguais (t combinado, gl = n₁ + n₂ − 2). Encontre o limite inferior do intervalo de confiança de 99% para μ₁ − μ₂.

n₁ = 24x̄₁ = 25s₁ = 1,5n₂ = 7x̄₂ = 32,5s₂ = 7,599%t(29) = 2,756
limite inferior = kg
5.Testes de hipóteses e intervalos de confiançaMédia
t −2,01102,011

Uma amostra de 49 estudantes tem nota média 508,3 e desvio-padrão amostral 20. Calcule a estatística de teste t para H₀: μ = 500.

μ₀ = 500x̄ = 508,3s = 20n = 49
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 = 0,05 e uma amostra de 64; o desvio-padrão é conhecido e vale 24. Na realidade a média é 58,1. Encontre o poder 1 − β do teste em porcentagem.

μ₀ = 50μ = 58,1σ = 24n = 64α = 0,05
1 − β = %
7.Regressão linear e correlaçãoMédia
xy15781897211112412727147xy152025100150

A tabela dá 5 observações pareadas de x = temperatura em °C e y = sorvetes vendidos. As suas somas são dadas. Encontre o coeficiente de correlação de Pearson r a partir dessas somas.

n = 5Σx = 105Σy = 560Σx² = 2295Σy² = 65552Σxy = 12264
r =
8.Regressão linear e correlaçãoDifícil
xy24145365886410681276xy510406080x = 7

A tabela dá 6 observações pareadas de x = horas de estudo e y = nota na prova. Use a reta de mínimos quadrados ŷ = a + b·x. Preveja ŷ para x = 7.

n = 6x = 7
ŷ =
9.Testes qui-quadradoMédia
sem defeitolevegraveTotalturno diurno14133360turno noturno14293780Total284270140

A tabela de contingência mostra frequências observadas. Calcule a estatística qui-quadrado χ² para o teste de independência entre as variáveis de linha e de coluna. Não use correção de continuidade.

N = 1402 × 3
χ² =
10.Testes qui-quadradoDifícil
aprovadoreprovadoTotal18–30 anos16244031–50 anos31296051+ anos231740Total7070140dfα = 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 = 0,05 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 = 1403 × 2α = 0,05
χ² =

3Soluções

1.Distribuição normal

Resposta: z = −1,76

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 − 0,9608 = 0,0392

Leia a tabela de z ao contrário

Encontre 0,0392 dentro da tabela e leia z.

z = −1,76

Resposta

z = −1,76
2.Distribuição normal

Resposta: x = 170,7 cm

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) = 0,15

z da tabela

z ≈ −1,04

De volta às unidades originais

x = 178 − 1,04·7 = 170,7 cm

Resposta

x = 170,7 cm
3.Intervalos de confiança

Resposta: limite superior = 70,66

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 = 19, t = 2,093

Margem de erro

E = 2,093·18,5/√20 = 8,658

Intervalo

62 ± 8,658 → [53,34, 70,66]

Resposta

limite superior = 70,66
4.Intervalos de confiança

Resposta: limite inferior = −11,84 kg

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.

Desvio-padrão combinado

sp² = (23·1,5² + 6·7,5²)/29 = 13,42
sp = 3,664

Margem de erro

E = 2,756·3,664·√(1/24 + 1/7) = 4,337

Intervalo

−7,5 ± 4,337 → [−11,84, −3,163]

Resposta

limite inferior = −11,84 kg
5.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: t = 2,905

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 = 20/√49 = 20/7 = 2,857

Estatística de teste

t = (508,3 − 500)/2,857 = 2,905

Resposta

t = 2,905
t0,025; df = 48 = 2,011

|t| > 2,011, então H₀ é rejeitada ao nível de 5% (bilateral).

6.Testes de hipóteses e intervalos de confiança

Resposta: 1 − β = 85,43 %

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 = 24/√64 = 3
x̄c = 50 + 1,645·3 = 54,94

z sob a média verdadeira

z = (54,94 − 58,1)/3 = −1,055

Potência

poder = P(Z > −1,055) = 85,43%
1 − β = 85,43%

Resposta

1 − β = 85,43%
7.Regressão linear e correlação

Resposta: r = 0,9983

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 = 12264 − 105·560/5 = 504
Sxx = 2295 − 105²/5 = 90
Syy = 65552 − 560²/5 = 2832

Coeficiente de correlação

r = 504/√(90·2832) = 0,9983

Resposta

r = 0,9983
8.Regressão linear e correlação

Resposta: ŷ = 60

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 = 42/6 = 7
ȳ = 360/6 = 60

Somas de quadrados e de produtos

Sxx = Σ(x − x̄)² = 70
Sxy = Σ(x − x̄)(y − ȳ) = 226

Reta de regressão

b = 226/70 = 3,229
a = 60 − 3,229·7 = 37,4
ŷ = 37,4 + 3,229·x

Previsão

ŷ = 37,4 + 3,229·7 = 60

Resposta

ŷ = 60
9.Testes qui-quadrado

Resposta: χ² = 3,539

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

turno diurno: 60·28/140 = 12, 60·42/140 = 18, 60·70/140 = 30
turno noturno: 80·28/140 = 16, 80·42/140 = 24, 80·70/140 = 40

Estatística qui-quadrado

χ² = (14 − 12)²/12 + (13 − 18)²/18 + (33 − 30)²/30 + (14 − 16)²/16 + (29 − 24)²/24 + (37 − 40)²/40
χ² = 3,539

Resposta

χ² = 3,539

gl = 2. Para α = 0,05 o valor crítico é 5,991, então H₀ (independência) é não rejeitada.

10.Testes qui-quadrado

Resposta: χ² = 2,567

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: 20, 20
31–50 anos: 30, 30
51+ anos: 20, 20

Estatística qui-quadrado

χ² = (16 − 20)²/20 + (24 − 20)²/20 + (31 − 30)²/30 + (29 − 30)²/30 + (23 − 20)²/20 + (17 − 20)²/20
χ² = 2,567

Decisão

df = 2, χ²crit = 5,991
2,567 < 5,991

Resposta

χ² = 2,567

χ² está abaixo do valor crítico, então H₀ não é rejeitada: não há evidência significativa de relação.

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