5. Inferência estatística: estimação e testes

Estimação pontual e intervalar, propriedades e suficiência de estimadores, intervalos de confiança e credibilidade e testes de hipóteses t e qui-quadrado.

Inferência estatística — revisão rápida

Mapa

parâmetro → estimador → incerteza → intervalo/teste → conclusão

Parâmetro × estimador × estimativa

  • parâmetro: alvo desconhecido;
  • estimador: estatística usada para estimá-lo;
  • estimativa: valor observado do estimador.

Propriedades

Viés:

[ \operatorname{Bias}(T)=E(T)-\theta. ]

Não viesado:

[ E(T)=\theta. ]

Erro quadrático médio:

[ E[(T-\theta)^2]

\operatorname{Var}(T)+[\operatorname{Bias}(T)]^2. ]

Consistência:

[ T_n\xrightarrow{P}\theta. ]

Não viés (\neq) consistência.

Métodos de estimação

Momentos: igualar momentos amostrais e teóricos.

[ M_k

\frac1n\sum X_i^k \quad\leftrightarrow\quad E(X^k). ]

Máxima verossimilhança:

[ L(\theta)=\prod f(x_i;\theta) ]

e escolher (\hat\theta) que maximiza (L).

Suficiência

Fatoração:

[ f(x_1,\ldots,x_n;\theta)

g(T(x),\theta)h(x), ]

com (h) sem depender de (\theta).

Poisson:

[ T=\sum X_i ]

é suficiente para (\theta).

Intervalo de confiança

Forma típica:

[ \text{estimativa}\pm \text{quantil}\times\text{erro padrão}. ]

Média, (\sigma) conhecido:

[ \bar X \pm z_{1-\alpha/2}\frac{\sigma}{\sqrt n}. ]

Média normal, (\sigma) desconhecido:

[ \bar X \pm t_{1-\alpha/2,n-1}\frac{S}{\sqrt n}. ]

Interpretação frequentista: cobertura do procedimento, não probabilidade posterior do parâmetro fixo.

Intervalo de credibilidade

[ \pi(\theta\mid x) \propto L(\theta\mid x)\pi(\theta). ]

Um intervalo de 95% contém 95% da probabilidade posterior segundo o critério adotado.

Confiança (\neq) credibilidade.

Testes

  • (H_0): referência;
  • (H_1): alternativa;
  • simples: especifica completamente;
  • composta: admite vários valores.

Tipo I:

[ \alpha=P(\text{rejeitar }H_0\mid H_0). ]

Tipo II:

[ \beta=P(\text{não rejeitar }H_0\mid H_1\text{ relevante}). ]

Potência:

[ 1-\beta. ]

Valor-p

  • calculado supondo (H_0);
  • (p\le\alpha) → rejeitar (H_0);
  • (p>\alpha) → não rejeitar;
  • não é a probabilidade de (H_0) ser verdadeira.

Teste t de uma média

[ T=\frac{\bar X-\mu_0}{S/\sqrt n} \sim t_{n-1} ]

sob (H_0), nas condições clássicas.

Qui-quadrado de independência

Esperada:

[ E_{ij}

\frac{(\text{total linha})(\text{total coluna})} {\text{total geral}}. ]

Estatística:

[ \chi^2

\sum\frac{(O-E)^2}{E}. ]

Graus de liberdade:

[ (r-1)(c-1). ]

Variância normal

[ \chi^2

\frac{(n-1)S^2}{\sigma_0^2} \sim\chi^2_{n-1}. ]

Pegadinhas

  • não viesado = sempre acertar → não;
  • consistente = não viesado em qualquer amostra → não;
  • momentos = mínimos quadrados → não;
  • confiança 95% = 95% de probabilidade posterior → não;
  • (\alpha) = erro tipo II → não;
  • potência = (\beta) → não; é (1-\beta);
  • não rejeitar = aceitar (H_0) → não;
  • valor-p = probabilidade de (H_0) → não.