AULAS 04 E 05 Estatísticas Descritivas - PDF
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Pedro Henrique Franca Sintra
1 1 AULAS 04 E 05 Estatísticas Descritivas Ernesto F. L. Amaral 19 e 28 de agosto de 2010 Metodologia de Pesquisa (DCP 854B) Fonte: Triola, Mario F Introdução à estatística. 10 ª ed. Rio de Janeiro: LTC. Capítulo 3 (pp ).
2 ESQUEMA DA AULA 2 Medidas de centro. Medidas de variação. Medidas de posição relativa. Análise exploratória de dados (AED).
3 ESTATÍSTICA DESCRITIVA E INFERÊNCIA ESTATÍSTICA 3 Triola afirma que estatística descritiva e inferência estatística são as duas divisões gerais do objeto da estatística. King, Keohane e Verba falam em inferência descritiva e inferência causal. Neste momento, estamos trabalhando com métodos de estatística descritiva, já que objetivo é de resumir ou descrever as características importantes de um conjunto de dados. Posteriormente, usaremos métodos de inferência estatística (nos termos de Triola), com objetivo de fazer generalizações sobre uma população, utilizando dados amostrais. Ou seja, a inferência estatística visa realizar análises que vão além dos dados conhecidos.
4 MEDIDAS DE CENTRO 4
5 MEDIDAS DE CENTRO 5 Medida de centro é um valor no centro ou meio do conjunto de dados. Desejamos obter um número que represente o valor central de um conjunto de dados. Os conceitos e métodos para encontrar média e mediana devem ser bem entendidos. O valor da média pode ser muito afetado pela presença de um valor discrepante ( outlier ), mas a mediana não é tão sensível a um outlier.
6 MÉDIA 6 Média aritmética é calculada pela adição dos valores de uma variável e divisão deste total pelo número de valores. Essa medida é muito utilizada na descrição de dados. Estatísticas amostrais são usualmente representadas por letras do alfabeto latino e minúsculas: Parâmetros populacionais são representados por letras gregas e maiúsculas:
7 MEDIANA 7 Mediana é o valor do meio quando os dados originais estão organizados em ordem crescente (ou decrescente) de magnitude. Para encontrar a mediana: 1) Ordene os valores de uma variável. 2) Se o número de valores for ímpar, a mediana será o número localizado no meio exato da lista. ou 2) Se o número de valores for par, a mediana será encontrada pelo cálculo da média dos dois números do meio. A média é afetada por valores extremos, ao contrário da mediana. Por isso, quando temos outliers, mediana pode ser mais apropriada.
8 MODA 8 A moda de um conjunto de dados é o valor que ocorre com maior frequência. Conjunto de dados bimodal: quando dois valores ocorrem com maior frequência, cada um é uma moda. Conjunto de dados multimodal: quando mais de dois valores ocorrem com maior frequência. Quando nenhum valor se repete, não há moda. Moda não é muito usada com dados numéricos. Dentre as medidas de centro consideradas, é a única que pode ser usada com dados no nível nominal de mensuração (nomes, rótulos e categorias). Não faz muito sentido realizar cálculos numéricos (média e mediana) com dados categóricos.
9 PONTO MÉDIO 9 Ponto médio é a medida de centro que é exatamente o valor a meio caminho entre o maior valor e o menor valor no conjunto original de dados. É encontrado pela soma do maior valor e o menor valor dos dados, dividindo-se a soma por 2: É raramente utilizado, já que é muito sensível a valores extremos. Vantagens: (1) fácil de calcular; e (2) evidencia que há diferentes maneiras de definir centro dos dados. Não deve ser confundido com mediana.
10 REGRA DE ARREDONDAMENTO 10 Use uma casa decimal a mais do que é apresentado no conjunto original de valores: A média de 80,4 e 80,6 é igual a 80,50. Quando valores originais são números inteiros, arredondamos para o décimo mais próximo: A média de 2, 3, 5 é igual a 3,3. Arredonde apenas a resposta final e não os valores intermediários que surgirem durante os cálculos.
11 MÉDIA DE UMA DISTRIBUIÇÃO DE FREQUÊNCIA 11 A média de uma população não é necessariamente igual à média das médias de diferentes subconjuntos da população. Quando usamos dados resumidos em uma distribuição de frequência, devemos considerar o ponto médio de cada classe, pois não temos os valores de cada observação. Por exemplo, o intervalo de classe de (anos) assumirá o valor de 25,5 (ponto médio da classe). Procedimento: 1) Multiplique cada frequência pelo ponto médio da classe e adicione os produtos: (f * x) 2) Adicione as frequências: f 3) Divida 1 por 2: (f * x) / f
12 EXEMPLO 12 Idade da atriz Frequência (f) Ponto médio da classe (x) f * x , , , , , ,5 151 Total
13 MÉDIA PONDERADA 13 Média ponderada dos valores de x é uma média calculada com os diferentes valores, associados a diferentes pesos (representados por w). Por exemplo, nesta disciplina, teremos três exercícios, valendo 30%, 30% e 40% da nota final. Suponha que um aluno recebeu as notas: 70, 85, 80. A nota final será:
14 RESUMO DE MEDIDAS DE CENTRO 14
15 ASSIMETRIA 15 Uma distribuição de dados é assimétrica quando se estende mais para um lado do que para o outro. A distribuição é simétrica se a metade esquerda de seu histograma é praticamente igual à sua metade direita. Distribuições assimétricas à direita são mais comuns do que assimétricas à esquerda.
16 MEDIDAS DE VARIAÇÃO 16
17 MEDIDAS DE VARIAÇÃO 17 Tempo médio de espera é igual nestas distribuições (6 min):
18 AMPLITUDE 18 A amplitude de um conjunto de dados é a diferença entre o maior valor e o menor valor: amplitude = (valor máximo) (valor mínimo) Essa é uma medida fácil de ser calculada. Porém, ao usar apenas os valores máximo e mínimo, não é tão útil quanto as outras medidas de variação que usam todos valores.
19 DESVIO PADRÃO AMOSTRAL 19 O desvio padrão de um conjunto de valores amostrais é uma medida de variação dos valores em torno da média. Indica o desvio médio dos valores em relação à média. Fórmula do desvio padrão amostral: Fórmula que simplifica cálculos aritméticos:
20 PROPRIEDADES DO DESVIO PADRÃO 20 O desvio padrão é uma medida da variação de todos valores a partir da média. O valor do desvio padrão (s): É usualmente positivo. Igual a zero quando todos valores dos dados são iguais. Nunca é negativo. Maiores valores de s indicam maior variação. Valor de s pode crescer muito com a inclusão de um ou mais outliers. As unidades de s são as mesmas unidades dos dados originais.
21 CALCULANDO O DESVIO PADRÃO 21 Calcule a média. Subtraia a média de cada valor individual para obter uma lista de desvios. Eleve ao quadrado cada uma das diferenças obtidas no passo anterior. Some todos quadrados obtidos no passo acima. Divida o total do passo anterior pelo total de valores presentes menos uma unidade (n 1). Calcule a raiz quadrada do passo anterior.
22 DESVIO PADRÃO POPULACIONAL 22 O desvio padrão da população (σ) utiliza o tamanho da população (N) no denominador:
23 VARIÂNCIA 23 Variância de um conjunto de valores é uma medida da variação (dispersão) igual ao quadrado do desvio padrão. A variância amostral (s 2 ) é o quadrado do desvio padrão amostral (s). A variância populacional (σ 2 ) é o quadrado do desvio padrão populacional (σ). A variância amostral é considerada um estimador nãoviesado da variância populacional: Ao realizar várias vezes amostras aleatórias de uma população, os diferentes valores de s 2 tendem a se concentrar em torno do valor de σ 2 (sem superestimação ou subestimação). Unidades da variância são diferentes das unidades originais.
24 NOTAÇÃO E REGRA DE ARREDONDAMENTO 24 s = desvio padrão amostral s 2 = variância amostral σ = desvio padrão populacional σ 2 = variância populacional SD = DP = desvio padrão (standard deviation) VAR = variância Como regra de arredondamento, use uma casa decimal a mais do que é apresentado no conjunto original de dados.
25 REGRA EMPÍRICA DA AMPLITUDE 25 Desvio padrão mede a variação entre valores: Valores muito próximos >>> desvios padrão pequenos. Valores mais espalhados >>> desvios padrão maiores. A regra empírica da amplitude indica que para muitos conjuntos de dados, a grande maioria (95%) dos valores amostrais se localiza a 2 desvios padrões da média. Isso varia com tamanho amostral e natureza da distribuição. Desvio padrão ( grosseiro ) de dados amostrais: s amplitude / 4 [(valor máximo) (valor mínimo)] / 4 Valor amostral mínimo (usual) = média (2 * desvio padrão) Valor amostral máximo (usual) = média + (2 * desvio padrão)
26 REGRA EMPÍRICA PARA DADOS COM FORMA APROXIMADA DE SINO (DISTRIBUIÇÃO NORMAL) 26
27 TEOREMA DE CHEBYSHEV 27 A regra empírica anterior se aplica somente a conjuntos de dados com distribuição em forma de sino. O teorema de Chebyshev se aplica a quaisquer conjuntos de dados, mas seus resultados são muito aproximados. A proporção (fração) de qualquer conjunto de dados que se situa a K desvios padrões da média é sempre, no mínimo, 1 1/K 2, onde K é qualquer número positivo maior do que 1. Para K=2: (1 1/2 2 )=3/4 >>> pelo menos 75% de todos valores se localizam a 2 desvios padrões da média. Para K=3: (1 1/3 2 )=8/9 >>> pelo menos 89% de todos valores se localizam a 3 desvios padrões da média. Na regra empírica, esses valores são de 95% e 99,7%.
28 POR QUE NÃO USAR DESVIO MÉDIO ABSOLUTO? 28 Poderíamos calcular o desvio médio absoluto (DMA), que também evita que a soma das diferenças seja igual a zero: Cálculo de valores absolutos requer operação não algébrica (que são: adição, multiplicação, raízes, potências). Valores absolutos criam dificuldades algébricas nas inferências estatísticas (regressão e análise da variância). Viés: desvios médios absolutos de amostras não tendem ao valor do desvio médio absoluto da população. Por isso, usamos o desvio padrão que transforma variações em valores não-negativos pela elevação ao quadrado.
29 POR QUE DIVIDIR POR n 1? 29 Dividimos o desvio padrão amostral por n 1, porque há apenas n 1 valores independentes. Ou seja, dada uma média, apenas n 1 valores podem ser associados a qualquer número, antes que o último valor seja determinado. Além disso, se s 2 fosse definido como a divisão por n, ele sistematicamente subestimaria o valor de σ 2, o que é compensado pela diminuição do denominador. Vejam exercício 38 (pp ).
30 POR QUE EXTRAIR A RAIZ QUADRADA? 30 Ao final do cálculo do desvio padrão, extraímos a raiz quadrada. Isso é realizado para compensar os quadrados que são estimados anteriormente. Ao calcular a raiz quadrada, o desvio padrão tem as mesmas unidades de medida dos dados originais.
31 COEFICIENTE DE VARIAÇÃO 31 Por ter as mesmas unidades dos dados originais, o desvio padrão é mais fácil de entender do que a variância. Porém, com o desvio padrão, é difícil comparar a dispersão para valores de diferentes variáveis (ex.: peso e altura). Coeficiente de variação (CV) supera essa desvantagem, por não ter unidade específica, permitindo comparação das variações. O CV para um conjunto de dados amostrais ou populacionais não-negativos é expresso como um percentual e descreve o desvio padrão em relação à média: Amostra: População:
32 MEDIDAS DE POSIÇÃO RELATIVA 32
33 MEDIDAS DE POSIÇÃO RELATIVA 33 As medidas de posição relativa permitem a comparação de valores de conjuntos de dados diferentes ou de valores dentro de um mesmo conjunto de dados. Os escores z permitem a comparação de valores de diferentes conjuntos de dados. Os quartis e percentis permitem a comparação de valores dentro do mesmo conjunto de dados, assim como entre diferentes conjuntos de dados.
34 ESCORES z 34 Um escore z é obtido pela conversão de um valor para uma escala padronizada. O escore padronizado é o número de desvios padrões a que se situa determinado valor de x, acima ou abaixo da média: Amostra: População:
35 ESCORES z E VALORES NÃO-USUAIS 35 Valores não-usuais são aqueles com escores z menores do que 2,00 ou maiores do que +2,00. Valores comuns: 2 <= escore z <= 2 Valores não-usuais: escore z < 2 ou escore z > 2 Sempre que um valor é menor do que a média, seu escore z correspondente é negativo. Escores z são medidas de posição, já que descrevem a localização de um valor (em termos de desvios padrões) em relação à média: z=2: valor está 2 desvios padrões acima da média. z= 3: valor está 3 desvios padrões abaixo da média.
36 QUARTIS 36 A mediana divide os dados ordenados em 2 partes iguais: 50% dos valores de um conjunto de dados são iguais ou menores do que a mediana, e 50% são iguais ou maiores. Os quartis (Q 1, Q 2 e Q 3 ) dividem os valores ordenados em 4 partes iguais: Q 1 (primeiro quartil): separa os 25% inferiores dos 75% superiores. Q 2 (segundo quartil): mesmo que a mediana; separa os 50% inferiores dos 50% superiores. Q 2 (terceiro quartil): separa os 75% inferiores dos 25% superiores.
37 PERCENTIS 37 Há 99 percentis (P 1, P 2,..., P 99 ) que dividem os dados ordenados em 100 grupos com cerca de 1% dos valores em cada um. Os quartis e percentis são exemplos de quantis, os quais dividem os dados em grupos com aproximadamente o mesmo número de valores. Utilize a seguinte fórmula, arredondando o resultado para o número inteiro mais próximo: Note que: Q 1 = P 25 ; Q 2 = P 50 ; Q 3 = P 75
38 CONVERTENDO PERCENTIS EM VALOR DE DADOS 38 Sendo: n: número total de valores no conjunto de dados. k: percentil em uso (ex.: para o 25º percentil, k=25). L: localizador que dá a posição de um valor (ex.: para o 12º valor na lista ordenada, L=12). P k : k-ésimo percentil (ex.: P 25 é o 25º percentil).
39 ESTATÍSTICAS DEFINIDAS POR QUARTIS E PERCENTIS 39 Intervalo interquartil (IIQ) = Q 3 Q 1 Intervalo semi-interquartil = (Q 3 Q 1 ) / 2 Ponto médio dos quartis = (Q 3 + Q 1 ) / 2 Intervalo percentílico = P 90 P 10
40 ANÁLISE EXPLORATÓRIA DE DADOS (AED) 40
41 ANÁLISE EXPLORATÓRIA DE DADOS (AED) 41 Análise exploratória de dados é o processo de uso das ferramentas estatísticas (gráficos, medidas de centro, medidas de variação...) para investigação de conjuntos de dados com objetivo de se compreenderem suas características importantes. Podemos explorar características dos dados: centro (média, mediana); variação (desvio padrão, amplitude), distribuição (histogramas); outliers; mudança no tempo. Aqui serão discutidos os valores discrepantes (outliers) e o diagrama de caixa (boxplot).
42 VALORES DISCREPANTES (OUTLIERS) 42 Valor outlier (valor extremo) é aquele que se localiza muito afastado de quase todos os demais valores. Estes valores podem ter efeito dramático sobre: A média. O desvio padrão. A escala do histograma, de modo que a verdadeira natureza da distribuição pode ser totalmente obscurecida. Outliers podem ser erros: devem ser corrigidos ou ignorados Outliers podem ser corretos: devemos estudar seus efeitos, construindo gráficos e calculando estatísticas, com e sem outliers, buscando revelar importantes informações.
43 DIAGRAMAS DE CAIXA (BOXPLOTS) 43 Para um conjunto de dados, o resumo dos cinco números consiste no valor mínimo, primeiro quartil (Q 1 ), mediana (Q 2 ), terceiro quartil (Q 3 ) e no valor máximo. Diagrama de caixa (diagrama de caixa e bigode) é um gráfico de um conjunto de dados que consiste em: (1) uma linha que se estende do valor mínimo ao valor máximo; (2) uma caixa com linhas traçadas no primeiro quartil (Q 1 ), na mediana (Q 2 ) e no terceiro quartil (Q 3 ). Os diagramas de caixa são úteis para revelar centro, dispersão, distribuição e outliers.
44 UTILIDADE DOS DIAGRAMAS DE CAIXA 44 Diagramas de caixa não apresentam informação tão detalhada como histogramas e digramas de ramo e folhas. Porém, são úteis na comparação de dois ou mais conjuntos de dados, quando desenhados na mesma escala. Boxplots para idades dos melhores atores e atrizes: Atrizes Atores
45 DIAGRAMAS DE CAIXA MODIFICADOS 45 Diagramas de caixa modificados representam outliers com símbolos especiais (asteriscos). Lembrando que IIQ=Q 3 Q 1, um valor é outlier se está: Acima de Q 3 por uma quantidade maior do que 1,5 x IIQ. ou Abaixo de Q 1 por uma quantidade maior do que 1,5 x IIQ. A linha sólida horizontal se estende apenas até o menor valor dos dados que não são outliers e até o maior valor dos dados que não são outliers.