Introdução a Estatística Descritiva

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Universidade de Brasília
Departamento de Engenharia Mecânica
Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas
Introdução à Análise Estatística – Estatística Descritiva
Professor
Métodos Experimentais em
Ciências Mecânicas
Jorge Luiz A. Ferreira
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Introdução à Análise Estatística – Estatística Descritiva
Medidas Resumo
Pertencem
ao
grupo
de
ferramentas
estatísticas
que
permitem
caracterizar
Medidas de Tendência Central
• Médias
um
• Aritmética
conjunto de dados sob ponto de
• Harmônica
vista da tendência central ou da
• Geométrica
dispersão dos dados estudados
• Quadrática
Medidas de Dispersão
• Ponderada
• Amplitude, Faixa, ou Range
• Aparada (Trimmed)
• Variância
• Mediana
• Desvio Padrão
• Moda
• Coeficiente de Variação
• Quartis
• Distância Interquartílica
Medidas de Assimetria e Curtose
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Introdução à Análise Estatística – Estatística Descritiva
Medidas Resumo
Medidas de Tendência Central
Como o próprio nome já diz, medidas de tendência central são aquelas
cujo valor tende a localizar-se no centro de uma série de dados.
Freqüentemente, quando se analisa os valores de uma variável em uma
amostra, constata-se que os dados não se distribuem uniformemente,
havendo concentração em alguns pontos, notadamente próximos ao
centro da distribuição.
Qual a posição que melhor representa o centro destes dados ?
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Introdução à Análise Estatística – Estatística Descritiva
Medidas Resumo
Medidas de Tendência Central e de Dispersão
Valor Esperado – Expectância - Momento
Se x(t) ou xk = Resultados de uma medição
[
E (x − a )
n
]
1 T
n
= ∫ ( x(t ) − a ) dt
T 0
1 K
n
= ∑ k = 0 ( xk − a )
K
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Introdução à Análise Estatística – Estatística Descritiva
Medidas Resumo
Medidas de Tendência Central – Média Aritmética
A Média Aritmética é o Valor Que
Define o “ponto de equilíbrio” dos
Dados de uma Distribuição.
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Introdução à Análise Estatística – Estatística Descritiva
Medidas Resumo
Medidas de Tendência Central – Média Aritmética
Cálculo exato: (da população)
1 T
µ = Lim ∫ x(t )dt
T →∞ T 0
1 N
= Lim ∑k =1 xk
N →∞ N
Estimativa: (da amostra)
1 T
m = ∫ x(t )dt
T 0
1 N
= ∑k =1 xk
N
= ∑k =1 xk ⋅ f k
K
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Medidas Resumo
Medidas de Tendência Central – Média Geométrica
Média geométrica é a média dos
elementos amostrais em relação à
multiplicação. Sua estimativa é realizada
por meio da seguinte expressão:
mg =
N
∏
N
x
k =1 k
Exercício: Aplicar a função log na expressão acima e análisar resultado
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Introdução à Análise Estatística – Estatística Descritiva
Medidas Resumo
Medidas de Tendência Central – Mediana
A mediana é um número que caracteriza
as observações de uma determinada
variável de tal forma que a sua posição,
em um grupo de dados ordenados,
separe a metade inferior da amostra,
população
ou
distribuição
de
probabilidade, da metade superior.
Esta medida também é conhecida como
média posicional !
1
11
3
5
7
9
6=
8
7+5
2
4
11
9
8
7
5
11
9
8
7
5
3
4
3
1
1
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Medidas Resumo
Medidas de Tendência Central – Mediana
Estimadores da Mediana
Dados não Agrupados
Dados Agrupados
N +1
Pos =
2
1
11
3
5
7
9
N
− Fant
Md = lsi + c ⋅ 2
f Md
Onde:
Pos = 4
lsi - Limite Inferior da Classe Mediana
c
– Intervalo de Classe
N - Tamanho da Amostra
fMd - freqüência absoluta da classe mediana
Fant - freqüência acumulada anterior à classe mediana
6=
8
7+5
2
4
11
9
8
7
11
9
8
7
3
5
Pos = 4,5
4
3
1
1
5
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Medidas Resumo
Medidas de Tendência Central – Média Aparada
Uma média aparada, trimmed, não é mais do que uma
“mistura” entre os conceitos de média e mediana por forma a
combinar as qualidades de ambas. Podendo ser entendida
também como uma média que é calculada excluindo uma certa
proporção de observações em cada extremo da amostra.
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Medidas Resumo
Medidas de Tendência Central – Moda
A moda é o valor que detém o maior número
de observações, ou seja, o valor ou valores
mais
freqüentes.
A
moda
não
é
necessariamente única, ao contrário da média
ou da mediana.
É especialmente útil quando os valores ou
observações não são numéricos, uma vez que a
média e a mediana podem não ser bem
definidas.
5
1
11
7
3
9
8
4
Não Possui Moda
1
11
3
4
7
9
8
4
Possui Moda Igual a 4
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Medidas Resumo
Medidas de Tendência Central – Moda
Estimadores da Moda
Dados não Agrupados
Mo = xi = ponto médio da classe de maior freqüência
Dados Agrupados
Moda de King
Mok = lsi + c ⋅
(f
f pos
ant
+ f post )
Onde:
lsi = limite inferior da classe modal onde se localiza a moda
c - intervalo de classe
fmo- freqüência da classe modal
fant- freqüência anterior à classe modal
fpost - freqüência posterior à classe modal
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Medidas Resumo
Medidas de Tendência Central – Moda
Estimadores da Moda
Dados não Agrupados
Mo = xi = ponto médio da classe de maior freqüência
Dados Agrupados
Moda de Czuber
f mo − f ant
Moc = lsi + c ⋅
2 ⋅ f mo ( f ant + f post )
Onde:
lsi = limite inferior da classe modal onde se localiza a moda
c - intervalo de classe
fmo- freqüência da classe modal
fant- freqüência anterior à classe modal
fpost - freqüência posterior à classe modal
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Medidas Resumo
Idade dos Pessoal da Turma
Média, Mediana, Moda – Aplicação
20
22
A média permite explicar muito bem
o comportamento de resultados
experimentais,
A mediana também permite explicar
muito bem o comportamento de
resultados
experimentais
de
fenômenos com eventos extremos,
25 20
24
30
24
25
21
28
20
20
50
24
Média = 25,2
Mediana = 24
Moda = 20
A moda é apropriada para representar o comportamento de
dados ao nível nominal
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Medidas Resumo
Idade dos Pessoal da Turma
Média, Mediana, Moda – Aplicação
20
22
A média permite explicar muito bem
o comportamento de resultados
experimentais,
A mediana também permite explicar
muito bem o comportamento de
resultados
experimentais
de
fenômenos com eventos extremos,
25 20
24
30
24
25
21
28
20
20
50
24
Média = 23,3
Mediana = 24
Moda = 20
A moda é apropriada para representar o comportamento de
dados ao nível nominal
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Medidas Resumo
Numeração dos calçados do Pessoal da Turma
Média, Mediana, Moda – Aplicação
38
35
A média permite explicar muito bem o
comportamento
de
resultados
experimentais,
A mediana também permite explicar
muito bem o comportamento de
resultados experimentais de fenômenos
com eventos extremos,
36 37
36
36
37
39
44
39
39
40
39
40
Média = 38,2 ???
Mediana = 35,5
Moda = 39
A moda é apropriada para representar o comportamento de
dados ao nível nominal
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Introdução à Análise Estatística – Estatística Descritiva
Medidas Resumo
Medidas Separatrizes – Quartis
Um quartil é qualquer um dos três
valores que divide o conjunto ordenado
de dados em quatro partes iguais, e
assim cada parte representa 1/4 da
amostra ou população.
1o quartil = quartil inferior =
é o valor aos 25% da amostra
ordenada
2o quartil = mediana = é o
valor até ao qual se encontra
50% da amostra ordenada
3o quartil = quartil superior = valor
a partir do qual se encontram 25%
dos valores mais elevados
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Medidas Resumo
Medidas Separatrizes – Quartis
Um quartil é qualquer um dos três
valores que divide o conjunto ordenado
de dados em quatro partes iguais, e
assim cada parte representa 1/4 da
amostra ou população.
Mediana = Q2/4 = 37,5
7
36
41
15
40
39
41
37,5 =
36 + 39
2
Q3/4 = 40
40
39
36
Q1/4 = 7
15
7
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Medidas Resumo
Medidas Separatrizes – Decil e Percentil
O Decil é responsável por dividir o conjunto em dez partes iguais.
Já o Percentil (ou centil), é a Medida que dividirá o conjunto em cem
partes iguais
Medidas
Separatrizes
Mediana
!-------------------!-------------------!
Md
Quartil
!---------!---------!---------!---------!
Q1
Q2
Q3
Decil
Percentil
!---!---!---!---!---!---!---!---!---!---!
D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9
!---!---!---!---!---!---!---!---!---!---!
C10 C20 C30 C40 C50 C60 C70 C80 C90
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Medidas Resumo
Medidas de Dispersão
Variação ou dispersão é o grau com que os dados numéricos tendem
a se espalhar em torno de um valor médio. Ou seja, medidas de
dispersão são indicadores do grau de variabilidade demonstrada
pelos indivíduos em torno das medidas de tendência central.
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Medidas Resumo
Medidas de Dispersão - Amplitude
É a Diferença entre o maior valor
e o menor valor observado na
Amostra
Min.
22
28
20
20
24
25
20
50
24
20
20
21
22
24
24
24
25
25
28
Max.
30
21
20
Amplitude = Max. – Min. = 30
20
25 20
24
30
50
Amplitude =30
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Medidas Resumo
Medidas de Dispersão –
Usando o Conceito de Expectância
[
E (x − a )
2
]
T
1
=
T
∫
1
=
K
∑ (x
(x(t ) − a ) dt
2
0
K
k =0
− xˆ )
2
k
a = 0 → E[(x-a)2] é o Desvio Médio Quadrático
a = ^x → E[(x-a)2] é a Variância.
[
]
r
E ( x − xˆ ) ≡ Momento central do ordem r
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Medidas Resumo
Medidas de Dispersão – Desvio Padrão
Cálculo exato:
(da população)
Estimativa:
(da amostra)
n
n
2
ˆ
x
x
(
−
)
∑ i
2
x
(
−
µ
)
∑ i x
σ = lim
n →∞
xi
x̂
n
µx
i =1
n
s=
i =1
n −1
i-ésima indicação
média Amostral (Base da Estimativa: "n" indicações)
número de medições repetitivas efetuadas
Média Populacional
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Medidas Resumo
Medidas de Dispersão – Desvio Padrão
Desvio Padrão: É um valor que quantifica a dispersão dos eventos de uma
determinada população, ou seja, a média das diferenças entre o valor de
cada evento e a média central.
A vantagem que apresenta sobre a variância é de permitir uma
interpretação direta da variação do conjunto de dados, pois o desvio
padrão é expresso na mesma unidade que a variável
Apesar de ser a medida de dispersão mais usada, tal medida não tem uma
interpretação intuitivamente óbvia.
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Medidas Resumo
Medidas de Dispersão – Desvio Padrão
Desiqualdade de Chebyshev: “Para qualquer conjunto de dados e qualquer
constante h > 1, no mínimo 1 – (1/ h2) dos dados estarão situados dentro de um
intervalo formado por h desvios padrões abaixo e acima da média.”
Espécime Dimensão Espécime Dimensão
1
81
11
99
2
81
12
99
3
83
13
100
4
86
14
101
5
88
15
104
6
91
16
105
7
94
17
107
8
97
18
107
9
97
19
107
10
98
20
111
h
Percentual
Lim Inf.
Lim. Sup.
1,5
55,6%
83,05
110,55
Espécime Dimensão Espécime Dimensão
1
81
11
99
2
81
12
99
3
83
13
100
4
86
14
101
5
88
15
104
6
91
16
105
7
94
17
107
8
97
18
107
9
97
19
107
10
98
20
111
Percentual de dados no interior do intervalo: 80%
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Medidas Resumo
Medidas de Dispersão – Coeficiente de Variação
O coeficiente de variação de Pearson, cv, é uma medida
relativa de variabilidade. É independente da unidade de
medida utilizada.
Estimador:
100 ⋅ s
cv(%) =
mˆ
Karl Pearson
D1857 - †1936
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Medidas Resumo
Medidas de Dispersão – Coeficiente de Variação
Por ser uma medida relativizada, o coeficiente de
variação tem, portanto, aplicações na pesquisa para
comparar a precisão de diferentes experimentos, quando
a unidade de medição é diferente.
Dicas para tomada de decisão:
cv ≤ 15%
Média dispersão: cv 15-30%
Alta dispersão: cv ≥ 30%
Baixa dispersão:
Karl Pearson
D1857 - †1936
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Medidas Resumo
Medidas de Dispersão – Coeficiente de Variação
Aplicação: Comparação de dispersão de resultado de experimentos
realizados com unidades de medição diferentes
Tipo de Lâmpada
Incandecente (1)
Fluorecente (2)
976
10271
Medidas Resumo
Média
Desvio Padrão
C.V.
898
9710
1020
9939
Lampada
(1)
(2)
1004
9962
103
449
10.3%
4.5%
Horas de Uso Até Falhar
1102
1096
1139
9729
10423
10001
825
10853
981
9845
1088
9448
913
9398
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Medidas Resumo
Medidas de Dispersão – Distância Interquartílica
É a diferença entre o 3º e o 1º quartis, Q3 - Q1. Ou seja, no intervalo
interquartílico concentra-se metade das observações mais centrais.
50%
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Medidas Resumo
Medidas de Assimetria e Curtose
As medidas de assimetria e curtose complementam as medidas de posição e
de dispersão no sentido de proporcionar uma descrição e compreensão mais
completa das distribuições de freqüências.
Ampliando o conceito de Momento Estatístico:
São medidas de caráter mais geral e dão origem às demais medidas
descritivas, como as de tendência central, dispersão, assimetria e curtose.
Conforme a potência considerada tem-se a ordem ou o grau do
momento calculado.
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Medidas Resumo
Medidas de Assimetria e Curtose - Momentos
Momentos Simples ou Centrados na Origem, Mr
1
N
mr = ⋅ ∑i =1 xir
N
= ∑i =1 c ⋅ f i
Nclas
r
i
N = tamanho da amostra,
x = observação amostral,
c = centro da classe da distribuição de freqüências de x
f = freqüência relativa
Nclas = número de Classes da distribuição de freqüências de x
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Introdução à Análise Estatística – Estatística Descritiva
Medidas Resumo
Medidas de Assimetria e Curtose - Momentos
Momentos ou Centrados na Média, Mr
1
N
r
M r = ⋅ ∑i =1 ( xi − xˆ )
N
= ∑i =1
Nclas
(ci − xˆ )
r
⋅ fi
N = tamanho da amostra,
xi = i-ésima observação amostral,
f = freqüência relativa
c = centro da classe da distribuição de freqüências de x
Nclas = número de Classes da distribuição de freqüências de x
r é um número inteiro positivo que define a ordem do momento
m2 = Variância
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Introdução à Análise Estatística – Estatística Descritiva
Medidas Resumo
Medidas de Assimetria e Curtose - Momentos
Momentos Abstratos, αr
Mr
αr = r
s
s = Desvio Padrão
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Introdução à Análise Estatística – Estatística Descritiva
Medidas Resumo
Medida de Assimetria – Coeficiente de Assimetria
O coeficiente de assimetria quantifica o grau de desvio, afastamento da
simetria ou grau de deformação de uma distribuição de freqüências.
Estimadores:
Coeficiente de Assimetria de Pearson Coeficiente Momento de Assimetria
xˆ − Mo
As =
s
Se As < 0 a curva será assimétrica negativa
Se As > 0 a curva será assimétrica positiva
Se As = 0 a curva será simétrica
M3
α3 = 3
s
Se |α3| < 0,2 a curva será simétrica
Se 0,2 < |α3| < 1,0 a curva será assimétrica
fraca
Se |α3| > 1,0 a curva será assimetria forte.
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Introdução à Análise Estatística – Estatística Descritiva
Medidas Resumo
Medida de Assimetria – Coeficiente de Assimetria
Assimetria positiva
Coef.ass. >0
Quase simetria
Coef.ass. ~ 0
Assimetria negativa
Coef.ass. <0
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Introdução à Análise Estatística – Estatística Descritiva
Medidas Resumo
Medidas de Curtose ou de Achatamento
Mostram até que ponto uma distribuição é a mais aguda ou a mais achatada
do que uma curva normal, de altura média.
Classificação:
Mesocúrtica: É considerada a curva padrão.
Leptocúrtica: É uma curva mais alta do que a
normal. Apresenta o topo relativamente
alto, significando que os valores se acham
mais agrupados em torno da moda.
Curva Platicúrtica: É uma curva mais baixa
do que a normal. Apresenta o topo achatado,
significando que várias classes apresentam
freqüências quase iguais.
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Medidas Resumo
Medidas de Curtose ou de Achatamento
Mostram até que ponto uma distribuição é a mais aguda ou a mais achatada
do que uma curva normal, de altura média.
Estimadores:
Coeficiente de Curtose
Q3 − Q1
K=
2 ⋅ (P90 − P10 )
- K > 0.263 ⇒ distribuição Platicúrtica;
- K = 0.263 ⇒ distribuição Mesocúrtica;
- K < 0.263 ⇒ distribuição Leptocúrtica;
Coeficiente Momento de Curtose
M4
α4 = 4
s
- α4 < 3 ⇒ distribuição Platicúrtica;
- α4 = 3 ⇒ distribuição Mesocúrtica;
- α4 > 3 ⇒ distribuição Leptocúrtica;
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Introdução à Análise Estatística – Estatística Descritiva
Medidas Resumo
Medidas de Assimetria e de Achatamento
Atenção
Numa amostra é quase impossível observar simetria e curtose puras. Por
isso os coeficientes de assimetria e de curtose assumem valores quase
sempre diferentes de zero, 0,263 e 3.
Para termos uma ideia se a assimetria ou curtose é relevante devemos
comparar o valor dos coeficientes com o erro associado.
Se o coeficiente não exceder 2 ou 3 vezes o erro, o seu valor não será
muito relevante, especialmente quando queremos extrapolar para a
população.
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Introdução à Análise Estatística – Estatística Descritiva
Estatística Descritiva
Tipos de Gráficos – Gráfico de Caixa – Boxplot
Exemplo -
Para ilustrar o uso do gráfico de caixa, consideremos os
dados apresentados na tabela abaixo, que representam leituras de durezas
obtidas por tipos diferentes de tratamento térmico realizados durante a
fabricação de uma determinada peça.
Dureza Brinell, HB [Mpa]
(1)
(2)
(3)
220,2
214,9
203,3
235,0
225,6
204,9
238,3
226,7
216,7
253,8
227,8
219,5
254,9
241,8
222,8
259,0
244,6
224,5
266,7
246,2
270,0
Visualização
dos Dados
Dureza Brinell, HB [MPa]
300
250
200
150
1
2
Tratamento Térmico
3
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Estatística Descritiva
Tipos de Gráficos – Gráfico de Caixa – Boxplot
Exemplo – Estatísticas descritivas
Descriptives
T3
Descriptives
T1
Mean
95% Confidence
Interval for Mean
5% Trimmed Mean
Median
Variance
Std. Deviation
Minimum
Maximum
Range
Interquartile Range
Skewness
Kurtosis
Lower Bound
Upper Bound
Statistic
24,6843
23,1842
5% Trimmed Mean
Median
Variance
Std. Deviation
Minimum
Maximum
Range
Interquartile Range
Skewness
Kurtosis
Std. Error
,6131
26,1844
24,7220
25,3800
2,631
1,6220
22,02
26,67
4,65
2,4000
-,586
-,594
Mean
95% Confidence
Interval for Mean
Lower Bound
Upper Bound
Statistic
22,3100
20,2493
Std. Error
,8422
24,3707
22,1594
21,9500
4,965
2,2282
20,33
27,00
6,67
1,9600
1,879
4,262
,794
1,587
Descriptives
,794
1,587
T2
Mean
95% Confidence
Interval for Mean
5% Trimmed Mean
Median
Variance
Std. Deviation
Minimum
Maximum
Range
Interquartile Range
Skewness
Kurtosis
Lower Bound
Upper Bound
Statistic
23,2514
22,1613
Std. Error
,4455
24,3416
23,2733
22,7800
1,389
1,1788
21,49
24,62
3,13
1,9000
-,138
-1,435
O
que
conseguimos
Extrair do Gráfico e
das Medidas Resumo ?
,794
1,587
Universidade de Brasília
Departamento de Engenharia Mecânica
Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas
Introdução à Análise Estatística – Estatística Descritiva
Estatística Descritiva
Tipos de Gráficos – Gráfico de Caixa – Boxplot
Exemplo – Nova Representação Gráfica
280
280
7
260
240
Dureza Brinell, HB [MPa]
Dureza Brinell, HB [MPa]
260
240
220
200
180
N=
220
7
7
7
A
B
C
Tratamento Térmico
O
200
T1
T2
Tratamento Térmico
T3
que
conseguimos
Extrair do Gráfico ?
Universidade de Brasília
Departamento de Engenharia Mecânica
Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas
Introdução à Análise Estatística – Estatística Descritiva
Estatística Descritiva
Tipos de Gráficos – Gráfico de Caixa – Boxplot
Exemplo – Nova Representação Gráfica
Condição de Assimetria
+
Outliers ou Dados Discrepantes ou Dados espúrios
Máximo da Amostra, mas não mais do que Q1 + k·(Q3-Q1)
3o Quartil
2o Quartil - Mediana
Valor Típico de k = 1,5
1o Quartil
Mínimo da Amostra, mas não menos do que Q1 - k·(Q3-Q1)
Universidade de Brasília
Departamento de Engenharia Mecânica
Programa de Pós-graduação em Ciências Mecânicas
Introdução à Análise Estatística – Estatística Descritiva
Estatística Descritiva
Tipos de Gráficos – Gráfico de Caixa – Boxplot
Exemplo – Nova Representação Gráfica
Assimetria positiva
Simetria
Assimetria negativa
Boxplot (Diagrama de Caixa) ou Box-whiskers (Diagrama de Bigode) – São gráficos
que apresentam os valores centrais dos dados e alguma informação a respeito da
amplitude deles.
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