Intervalos de confiança para uma média
Interpretação frequentista, escolha entre z e t, margens de erro e dimensão da amostra.
Uma amostra de 64 peças tem comprimento médio de 102 mm. Essa média estima a média da população; outra amostra daria outro valor. O intervalo de confiança usa a distribuição da média amostral para quantificar a incerteza, sob condições explícitas.
O que significa confiança
Depois de observar um intervalo, não atribuímos uma probabilidade de 95% ao parâmetro estar entre aqueles extremos na interpretação frequentista. Também não dizemos que 95% dos dados individuais estão ali. O alvo é a média populacional, não a dispersão das observações.
A figura ilustra o significado da cobertura; uma série real de vinte intervalos não tem obrigatoriamente dezanove acertos.
Normal com desvio conhecido
Para uma amostra i.i.d. normal com desvio populacional conhecido,
Escolhemos com área à direita. A probabilidade central é . Para ver de onde vêm os extremos, chama ao erro padrão e reorganiza a desigualdade:
Os limites dependem da média amostral; a média populacional continua fixa. Depois de observar os dados, obtemos
A margem de erro é ; maior confiança exige maior quantil, por isso alarga o intervalo.
Exemplo. Numa população normal de comprimentos, mm. Uma amostra de 64 unidades dá . Para 95%, o erro padrão é 1 e a margem é 1,96:
Para 99%, o quantil é aproximadamente 2,5758 e o intervalo passa a ; os dados são os mesmos, mudou apenas a confiança do procedimento.
Normal com desvio desconhecido
Substituir pelo desvio amostral S introduz incerteza adicional. Na população normal,
O intervalo exato, sob essas condições, é
Isto continua a ser verdade com n grande: se a população é normal e é desconhecido, a t é a distribuição correta. A normal torna-se uma aproximação próxima quando os graus de liberdade crescem.
Intervalo t com medições brutas
Cinco medições, em mm, são . Admitimos unidades independentes e população normal. A média é 10,2 e os desvios quadrados somam .
A 95%, . A margem é aproximadamente 0,19632 e o intervalo é
Se forem pedidos limites com duas casas decimais por excesso, escreve : baixa o limite inferior e sobe o superior para não estreitar o intervalo calculado. Não arredondes s ou o erro padrão antes da multiplicação.
População não normal
Com uma amostra grande e condições razoáveis para o limite central, usa-se aproximadamente
se o desvio é desconhecido, ou se é conhecido. Identifica a aproximação e examina assimetria e extremos: uma população não normal com cinco observações não fica coberta por esta regra. Um desvio fornecido a partir de «experiência anterior» pode ser apenas uma estimativa; o uso como conhecido é uma condição do modelo que tem de estar explícita, pois a presença de um número no enunciado não chega para decidir.
Dimensionar uma amostra
Para margem não superior a , confiança e desvio conhecido,
Arredonda para o menor inteiro que satisfaz a desigualdade. Com 95%, e margem 1,5, temos , logo 110 unidades; a média amostral não entra no planeamento desta margem. Se se pede erro padrão não superior a 1,5, a conta é outra: exige 29 unidades, pois erro padrão e margem de confiança não são sinónimos.
Com desvio desconhecido, um estudo piloto pode fornecer uma estimativa para planeamento. O quantil t depende de n, pelo que o cálculo pode exigir iteração e não garante a margem final se o desvio observado mudar.
Planeamento com um desvio estimado
Um piloto sugere cm. Para planear um intervalo t bilateral de 95% com margem no máximo 2 cm, admitimos população normal e, apenas para esta conta, que o desvio amostral se manterá em 3,5 qualquer que seja n.
Usar 1,96 daria , apontando para 12. Mas o procedimento escolhido usa t, cujo quantil é maior e depende de n. Temos de verificar
Com , dá margem aproximadamente 2,0209 cm, ainda excessiva. Com , dá 1,9382 cm. Para esta confiança, o quantil positivo diminui com os graus de liberdade e também diminui; como 14 falha e 15 passa, o menor tamanho é 15.
Esta conclusão depende da hipótese artificial de desvio constante. Num estudo real, o novo s é aleatório: 15 é um tamanho de planeamento segundo o piloto, não uma garantia de que a margem final ficará abaixo de 2 cm.
Mantendo confiança e dispersão, reduzir a margem para metade exige aproximadamente quatro vezes a amostra. Com os mesmos dados, obter um intervalo mais estreito reduzindo a confiança troca precisão por cobertura; não aumenta a informação recolhida.
Intervalos unilaterais
Para um limite inferior de confiança , usa-se ; para um limite superior, usa-se . Com desvio desconhecido e população normal, substitui z por e por s. Só há uma cauda, logo o quantil usa , não ; escolhe o sentido a partir da pergunta, antes de examinar o resultado.
Exercícios
Escolher z ou t
Há oito observações independentes de uma população normal. Só é conhecido o desvio amostral. Para um intervalo bilateral de 98% para a média, qual o quantil?
Pista
A confiança determina α; o modelo determina a distribuição.
Mais uma pista
α/2=0,01 e n−1=7.
Solução
Usa-se t_(0,01;7), multiplicado por s/√8. Uma amostra maior de população normal com desvio desconhecido continuaria a admitir o procedimento t.
- z de cauda direita 0,01.. A variância populacional é desconhecida.
- t de cauda direita 0,01 com 7 graus.. α=0,02, dividido pelas duas caudas, e graus n−1.
- t de cauda direita 0,02 com 8 graus.. Não divide as caudas e usa graus errados.
Erros frequentes
Não substituir t por z apenas porque o enunciado fornece um desvio amostral.
Planear margem
Para população normal com σ=5 conhecido, pretende-se um IC bilateral de 95% com margem não superior a 1. Usa z=1,96. Qual o menor n?
Pista
Isola n na margem zσ/√n.
Solução
São necessárias 97 unidades. n=96 ficaria abaixo de 96,04 e produziria margem ligeiramente superior a 1.
Erros frequentes
Não arredondes para o inteiro mais próximo nem confundas margem com erro padrão.
O que contêm 95% dos intervalos?
Foi obtido IC de 95% para μ igual a [12,4;15,6]. Explica a interpretação frequentista e distingue-a de um intervalo para 95% das observações.
Pista
A aleatoriedade está na amostra.
Solução
O procedimento usado contém a média populacional em cerca de 95% das repetições, se as condições forem satisfeitas. Este intervalo específico contém μ ou não contém. Não descreve onde estão 95% dos valores individuais, que geralmente variam mais do que a média.
Confere a tua resposta:
- Refere repetição do procedimento e cobertura de cerca de 95% sob o modelo.
- Identifica μ como fixo e os limites como aleatórios antes da amostra.
- Não afirma que 95% das observações pertencem ao intervalo.
Erros frequentes
Não atribuir uma probabilidade posterior de 95% a μ usando esta interpretação.
Da amostra ao intervalo
As observações independentes 2, 4, 4, 6 e 9 vêm de uma população normal com média e desvio desconhecidos. Constrói um IC bilateral de 95% para a média. Usa .
Pista
Calcula média e variância amostral antes do erro padrão.
Mais uma pista
A soma é 25 e a soma dos quadrados é 153. O divisor da variância é 4.
Solução
Temos e . O erro padrão é . A margem é , logo . A normalidade e independência justificam t com quatro graus de liberdade; o intervalo estima a média da população.
Confere a tua resposta:
- Obtém média 5, variância amostral 7 e erro padrão √(7/5)≈1,1832.
- Usa t com 4 graus de liberdade e obtém margem aproximadamente 3,285.
- Apresenta IC≈[1,715;8,285] e identifica a média populacional como alvo.
- Refere independência, normalidade e desvio populacional desconhecido.
Erros frequentes
Não usar o desvio como erro padrão, dividir a variância por cinco ou interpretar o intervalo como contendo 95% das observações.
Limite superior para a média
Numa população normal com desvio 8, uma amostra de 64 unidades dá média 102. Constrói o limite superior de confiança a 95 por cento para a média.
Pista
Há uma só cauda.
Mais uma pista
O quantil usa alfa, não alfa sobre 2.
Solução
O erro padrão é 1 e o limite é . O intervalo é . Um intervalo bilateral a 95 por cento usaria 1,96.
Confere a tua resposta:
- Usa quantil para 95 por cento unilateral.
- Obtém erro padrão 1 e limite superior aproximado 103,6449.
- Indica limite inferior menos infinito e superior 103,6449, e escolhe o sentido antes dos dados.
Erros frequentes
Não usar 1,96 num limite unilateral a 95 por cento.
O tamanho também muda o quantil
Numa população normal, pretende-se um IC t bilateral de 95% para a média com margem não superior a 2 cm. Um piloto dá desvio 3,5 cm. Admite, apenas para o planeamento, que esse desvio se manterá constante para qualquer n. Usa e ; os quantis positivos desta confiança diminuem quando os graus aumentam. Confere n=14 e n=15 e determina o mínimo. Explica por que o cálculo com z=1,96 não basta e o limite da conclusão num estudo real.
Pista
Solução
Para n=14, a margem é cm: falha. Para n=15, é cm: passa. A margem diminui com n neste planeamento, pelo que nenhum tamanho inferior a 14 pode passar e o mínimo é 15.
A conta com 1,96 daria , sugerindo 12. Esse quantil pertence ao procedimento normal, não ao t escolhido com desvio estimado. No estudo final, s pode mudar; o tamanho calculado não garante por si só a margem observada.
Confere a tua resposta:
- Verifica a margem t em n=14 e n=15.
- Obtém mínimo 15 sob a hipótese de s constante.
- Distingue estimativa de planeamento de garantia da margem final.