Estatística descritiva
Tipos de dados, frequências, histogramas, quantis tipo 2 e medidas de localização e dispersão.
Oito durações de arranque, em segundos, são . O valor 18 está afastado dos restantes. Conservamos esta amostra ao calcular o centro, a dispersão e a caixa de bigodes, para perceber o que cada resumo mostra.
Tipos e escalas
Dados categóricos nominais distinguem categorias sem ordem, como o sistema operativo. Dados ordinais têm ordem, como uma gravidade baixa, média ou alta, mas as distâncias entre níveis não são necessariamente iguais. Codificar categorias por números não as torna quantitativas.
Uma variável quantitativa discreta conta, por exemplo o número de falhas. Uma variável quantitativa contínua mede, por exemplo o tempo. A precisão finita do instrumento não transforma o fenómeno subjacente numa contagem.
Numa escala de intervalo, diferenças têm significado mas o zero é convencional, como na temperatura Celsius. Numa escala de razão há zero absoluto, como numa duração; aí faz sentido comparar quocientes. Esta diferença interessa quando usamos medidas relativas de dispersão.
Frequências e gráficos
A frequência absoluta conta observações na categoria ou classe . A frequência relativa é e as relativas somam 1. Frequências acumuladas só têm significado quando existe uma ordem: não se acumulam sistemas operativos por ordem arbitrária.
Um gráfico de barras separa categorias ou valores discretos. Num histograma, as classes são intervalos adjacentes. A área de cada retângulo representa a frequência. Com larguras diferentes, a altura relativa correta é , onde é a largura da classe.
Por exemplo, em 20 durações, as classes , e têm contagens 4, 8 e 8. Um valor exatamente na fronteira, como 2, entra na classe que o inclui e fica fora da anterior. As frequências relativas são 0,2, 0,4 e 0,4. As alturas de densidade são 0,1, 0,2 e 0,1 por unidade de tempo. A última classe tem a mesma contagem da segunda, mas o dobro da largura e metade da altura.
A regra de Sturges sugere classes. É um ponto de partida, não uma obrigação. Mudar limites ou larguras pode revelar ou esconder picos. Escolhe limites legíveis, evita sobreposições e inclui o máximo na última classe.
Num diagrama de pontos, cada observação é um ponto sobre o eixo. Com poucos valores, ele mostra repetições e afastados sem escolher classes. Quando há muitos valores, agrupa em classes com limites legíveis, por exemplo , e .
Localização
Para observações , a média é
Numa tabela de frequências de valores exatos, usa ; numa tabela por classes, substituir cada observação pelo centro da classe dá apenas uma aproximação.
A mediana divide a amostra ordenada ao meio e é menos sensível a extremos do que a média. A moda é um valor de frequência máxima; pode haver várias. Para dados contínuos agrupados, a classe modal depende da divisão em classes. Com larguras diferentes, o pico do histograma depende da densidade, não apenas da contagem.
Quantis tipo 2
Ordena os valores: . Para , calcula :
Os quartis são , e . O percentil 90 é . Há outras convenções de quantis; um programa com outra definição pode dar um resultado diferente sem ter errado a ordenação.
Dispersão
A amplitude é . A amplitude interquartil, , descreve a extensão da metade central e resiste melhor a extremos.
A variância e o desvio padrão amostrais são
Estas fórmulas amostrais exigem . O desvio tem a unidade dos dados; a variância tem essa unidade ao quadrado. O divisor corresponde à variância amostral usada para estimar a variância populacional. Não o substituas por sem identificar outra definição.
O coeficiente de variação , frequentemente em percentagem, compara dispersão relativa para variáveis positivas com zero absoluto e média afastada de zero. Não é uma comparação útil para temperaturas Celsius ou médias próximas de zero.
Caixa, bigodes e extremos
O diagrama de extremos e quartis usa mínimo, , mediana, e máximo. O diagrama de caixa e bigodes modificado usa as barreiras
Os bigodes terminam nas observações mais extremas dentro das barreiras, não nas barreiras. Valores fora delas são assinalados separadamente. São candidatos a investigação, não erros que se possam apagar automaticamente.
Quartis e dispersão das durações
Considera oito durações, em segundos: . Estão ordenadas e somam 48, logo . A soma dos quadrados é 472:
Como , . A mediana é e . Assim, e as barreiras são e . Os bigodes terminam em 2 e 7; 18 fica assinalado fora deles.
A média é superior à mediana por causa da duração 18. A moda é 3. A amplitude é 16. Estes números descrevem aspetos diferentes da mesma amostra; nenhum prova que a população seja normal.
Se convertermos segundos em milissegundos, , a média passa a 6000 e o desvio a . Em geral, para ,
Somar uma constante desloca o centro sem alterar a dispersão. Um fator negativo inverte a ordem, mas nunca produz um desvio padrão negativo.
Efeito de um valor afastado
Se 18 fosse substituído por 8, a soma seria 38 e a média desceria de 6 para 4,75 segundos. A mediana e os quartis manter-se-iam: as posições centrais não mudaram. O desvio desceria para cerca de 2,1213 segundos. A caixa seguinte mostra a amostra original, com 18.
Exercícios
Quartis e valor afastado
Usa quantis tipo 2 na amostra ordenada 1, 2, 2, 4, 5, 7, 8, 9, 10, 30. Indica Q1, mediana, Q3, as barreiras e os extremos dos bigodes modificados.
Pista
Calcula np para cada quantil.
Mais uma pista
Para p=0,25, np=2,5; para p=0,5, np=5.
Solução
, mediana e . AIQ=7, barreiras −8,5 e 19,5. As observações extremas dentro delas são 1 e 10; 30 fica fora.
Confere a tua resposta:
- Obtém Q1=2, mediana=6 e Q3=9.
- Calcula AIQ=7 e barreiras −8,5 e 19,5.
- Coloca bigodes em 1 e 10, assinalando 30 separadamente.
Erros frequentes
Os bigodes não terminam em −8,5 e 19,5. Não usar uma definição de quartis diferente.
Um fator negativo
Uma amostra tem média 4 e desvio padrão 3. Transformamos cada valor por y = −2x + 10. Qual é o desvio padrão dos valores transformados?
Pista
A mudança de origem não altera o desvio.
Solução
. A média seria −2(4)+10=2 e a variância seria 36.
Erros frequentes
Um desvio padrão nunca é negativo; 10 não entra no cálculo da dispersão.
Classes, áreas e fronteiras
Num histograma de frequências relativas, as classes e contêm 30% e 60% das observações; os restantes 10% ficam em classes posteriores. Calcula as duas alturas, compara as áreas e indica em que classe se conta uma observação igual a 1.
Pista
A frequência é largura vezes altura.
Solução
As larguras são 1 e 3. As alturas são e por unidade do eixo. A segunda barra é mais baixa, mas a sua área é , o dobro da primeira. O valor 1 pertence a , porque a primeira classe exclui o seu limite direito e a segunda inclui o esquerdo.
Confere a tua resposta:
- Calculei alturas 0,30 e 0,20.
- Comparei frequências pelas áreas, não pelas alturas.
- Contei o valor 1 apenas na segunda classe.
Calcular a variância a partir de somas
Para cinco observações, a soma é 20 e a soma dos quadrados é 90. Calcula a variância amostral.
Pista
Obtém primeiro a média.
Solução
. O desvio é a raiz deste valor, não a variância.
Erros frequentes
O divisor n daria outra definição. Não elevar a soma inteira dos quadrados novamente ao quadrado.