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Abdennasser Chekroun

Courriels : abdennasser.chekroun@gmail.com / chekroun@math.univ-lyon1.fr

2017 - 2018

Préambule

Le cours a pour but d"initier les étudiants aux principes de base de la statistique. Le cours vise principalement à introduire et faire méditer les concepts fondamentaux et

méthodes élémentaires de la statistique pour permettre un apprentissage autonome ultérieur

de méthodes complémentaires. On veut développer le sens critique nécessaire lors de la mise en oeuvre et de l"interpré- tation d"un traitement statistique. Pour cela, on introduira et utilisera un cadre mathéma- tique rigoureux. Nous fournirons autant d"exemples et de figures nécessaires afin d"obtenir une meilleure compréhension du cours.

La statistique descriptive a pour but d"étudier un phénomène à partir de données. Cette

description se fait à travers la présentation des données (la plus synthétique possible), leur

représentation graphique et le calcul de résumés numériques.La place de ce cours dans le future métier des étudiants :

Analyse des données (outils scien tifiquesp ermettantde résumer un ensem blede données afin de mettre en évidence l"information). Sim ulations(pro cessussto chastique- v ariabletemp orelle) Prédiction et décisions (probabilités de risque ou d"o ccurrence) i

Table des matières

1 Généralités sur la statistique

1.1 Vocabulaire

1.1.1 Épreuve statistique

1.1.2 Population

1.1.3 Individu (unité statistique)

1.1.4 Caractère (variable statistique)

1.1.5 Modalités

1.2 Types des caractères

1.2.1 Caractère qualitatif

1.2.2 Caractère quantitatif

1.3 Exercices corrigés

1.4 Exercices supplémentaires

2 Étude d"une variable statistique discrète

2.1 Effectif partiel - effectif cumulé

2.1.1 Effectif partiel (fréquence absolue)

2.1.2 Effectif cumulé

2.2 Fréquence partielle - Fréquence cumulée

2.2.1 Fréquence partielle (fréquence relative)

2.2.2 Fréquence cumulée

2.3 Représentation graphique des séries statistiques

2.3.1 Distribution à caractère qualitatif

2.3.2 Distribution à caractère quantitatif discret

2.3.3 Représentation sous forme de courbe et fonction de répartition

2.4 Paramètres de position

2.5 Paramètres de dispersion (variabilité)

2.6 Exercices corrigés

2.7 Exercices supplémentaires

3 Étude d"une variable statistique continue

3.1 Caractère continu

33
ii TABLE DES MATIÈRES

3.1.1 Classe de valeurs

3.1.2 Nombre de classes

3.1.3 Effectif et fréquence d"une classe

3.2 Représentation graphique d"un caractère continu

3.2.1 Histogramme des fréquences (ou effectifs)

3.2.2 Fonction de répartition

3.3 Paramètres de tendance central

3.4 Paramètres de dispersion

3.5 Exercices corrigés

3.6 Exercices supplémentaires

4 Étude d"une variable statistique à deux dimensions

4.1 Représentation des séries statistiques à deux variables

4.2 Description numérique

4.2.1 Caractéristique des séries marginales

4.2.2 Série conditionnelle

4.2.3 Notion de covariance

4.3 Ajustement linéaire

4.3.1 Coefficient de corrélation

4.3.2 Droite de régression

4.4 Exercices corrigés

4.5 Exercices supplémentaires

5 Annexe historique

Bibliographie

TABLE DES MATIÈRES iii

Table des figures

2.1 Le nombre d"individus (effectif)

2.2Quelques caractéristiques du graphique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16

2.3Tuyaux d"orgues. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

2.4Diagramme par secteur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

2.5Diagramme à bâtons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

2.6Représentation d"une variable quantitative discrète par la courbe cumulative.. . .19

2.7La dispersion d"une série statistique autour de sa moyenne. . . . . . . . . . . . .24

2.8A gauche "Tyaux d"orgue" et à droite "Diagramme en secteur". . . . . . . . . . .25

2.9Diagramme à bâtons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27

3.1Une représentation de la distribution des valeurs à l"intérieur d"une classe.. . . .35

3.2 Le nombre d"individus (effectif) - cas continu

3.3Histogramme des fréquences ou des éffctifs.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

3.4Le calcul deFx(x)par extrapolation.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39

3.5La courbe des fréquences cumulées.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39

3.6Le centre de la classe.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40

3.7Représentation ou détermination graphique du mode (cas continu).. . . . . . . .41

3.8Le calcul de la médiane par extrapolation.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42

3.9Les quartiles.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43

4.1Représentation sous forme de nuage de points.. . . . . . . . . . . . . . . . . . .53

4.2 Le nombre d"individus (effectif)

4.3La covariance et la variabilité.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60

4.4 Le coefficient de corrélation

4.5 Exemples de diagrammes de dispersion

4.6 La corrélation reflète la non-linéarité et la direction

4.7 La méthode des moindres carrés et la droite de régression

4.8 Acceptation ou refus de l"ajustement linaire

Symboles et Notations

Symbole Signification

[ ] La partie entière. Card(Ω)Le cardinal : nombre d"éléments de l"ensembleΩ. := Est défini comme étant (symbole d"affectation).

N Ensemble des nombres entiers naturels.

Z Ensemble des nombres entiers relatifs.

R Ensemble des nombres réels.

2Ensemble des couples de nombres réels.

n? i=1La somme pourivariant de1àn.

V.SLa variable statistique

MeLa médiane.

Me +Me par valeur supérieure. Me -Me par valeur inférieure. M

0Le mode.xLa moyenne d"une série statistiqueX.

XL"écart-type deX.

Var(X) La variance deX.

Cov(X,Y) La covariance entre les variablesXetY.

XYLe coefficient de corrélation entre les variablesXetY. F xLa fonction s"appelle la fonction de répartition du caractèreX 1

Chapitre 1

Généralités sur la statistique

La statistique est l"étude de la collecte de données, leur analyse, leur traitement, l"in-

terprétation des résultats et leur présentation afin de rendre les données compréhensibles

par tous. C"est à la fois une science, une méthode et un ensemble de techniques.

L"analyse des données est utilisée pour d"écrire les phénomènes étudiés, faire des pré-

visions et prendre des décisions à leur sujet. En cela, la statistique est un outil essentiel pour la compréhension et la gestion des phénomènes complexes. Les données étudiées peuvent être de toute nature, ce qui rend la statistique utile dans tous les champs disciplinaires et explique pourquoi elle est enseignée dans toutes les

filières universitaires, de l"économie à la biologie en passant par la psychologie et bien sûr

les sciences de l"ingénieur. La statistique consiste à :

Recueillir des d onnées.

Présen teret résumer ces données.

Tirer des concl usionssur la p opulationétudiée et d "aiderà la prise de décision. En présence de données dép endantdu temps, nous ess ayonsde faire de la prévision.

1.1 Vocabulaire

Les statistiques consistent en diverses méthodes de classement des données tels que les tableaux, les histogrammes et les graphiques, permettant d"organiser un grand nombre de

données. Les statistiques se sont développées dans la deuxième moitié du XIXe siècle dans

le domaine des sciences humaines (sociologie, économie, anthropologie, ...). Elles se sont dotées d"un vocabulaire particulier.

2 1.1. VOCABULAIRE

1.1.1 Épreuve statistique

Les statistiques descriptives visent à étudier les caractéristiques d"un ensemble d"ob-

servations comme les mesures obtenues lors d"une expérience. L"expérience est l"étape pré-

liminaire à toute étude statistique. Il s"agit de prendre "contact" avec les observations. De

manière générale, la méthode statistique est basée sur le concept suivant.Définition 1

L"épreuve statistique est une expérience que l"on provoque.Exemple 1 (La durée de vie des lampes)

Imaginons le cas suivant : un fabricant d"ampoules électriques ayant le choix entre

4 types de filaments se propose d"étudier l"influence de la nature du filament sur la

durée de vie des ampoules fabriquées. Pour ce faire, il va faire fabriquer 4 échantillons d"ampoules identiques, sauf en ce qui concerne le filament, faire brûler les ampoules jusqu"à extinction, puis comparer les résultats obtenus.1.1.2 Population En statistique, on travaille sur des populations. Ce terme vient du fait que la démo- graphie, étude des populations humaines, a occupé une place centrale aux débuts de la statistique, notamment au travers des recensements de population. Mais, en statistique,

le terme de population s"applique à tout objet statistique étudié, qu"il s"agisse d"étudiants

(d"une université ou d"un pays), de ménages ou de n"importe quel autre ensemble sur lequel

on fait des observations statistiques. Nous définissons la notion de population.Université de Tlemcenpage 2A. CHEKROUN

1.1. VOCABULAIRE 3

Définition 2

On appelle population l"ensemble sur lequel porte notre étude statistique. Cet ensemble est notéΩ.Exemple 2 On c onsidèrel "ensembledes étudiants de la se ctionA. On s"i ntéresseaux nombre de frères et soeurs de chaque étudiant. Dans ce cas

Ω =ensemble desétudiants.

Si l"on s"intér essemaintenant a la cir culationautomobile dans une vil le,la p o- pulation est alors constituée de l"ensemble des véhicules susceptibles de circuler dans cette ville à une date donnée. Dans ce cas Ω =ensemble des véhicules.1.1.3 Individu (unité statistique) Une population est composée d"individus. Les individus qui composent une population statistique sont appelés unités statistiques.Définition 3

On appelle individu tout élément de la populationΩ, il est notéω(ωdansΩ).Remarque 1

L"ensembleΩpeut être un ensemble de personnes, de choses ou d"animaux...

L"unité statistique est un objet pour lequel nous sommes intéressés à recueillir de l"in-

formation.Exemple 3 Dans l"exemple indiqué ci-dessus, un individu est tout étudiant de la se ction. Si on étudie la pr oductionannuel led"une usine de b oîtesde b oissonen métal

(canettes). La population est l"ensemble des boîtes produites durant l"année etUniversité de Tlemcenpage 3A. CHEKROUN

4 1.1. VOCABULAIRE

une boîte constitue un individu.

1.1.4 Caractère (variable statistique)

La statistique " descriptive », comme son nom l"indique cherche à décrire une po- pulation donnée. Nous nous intéressons au caractéristique des unités qui peuvent prendre différentes valeurs.Définition 4 On appelle caractère (ou variable statistique, dénotée V.S) toute application

X: Ω→C.

L"ensembleCest dit : ensemble des valeurs du caractèreX(c"est ce qui est mesuré ou observé sur les individus)Exemple 4

Taille, température, nationalité, couleur des yeux, catégorie socioprofessionnelle ...Remarque 2

SoitΩun ensemble. On appelle et on note Card(Ω), le nombre d"éléments deΩ. Card(Ω) :=nombre d"éléments deΩ =N.1.1.5 Modalités Les modalités d"une variable statistique sont les différentes valeurs que peut prendre celle-ci.Exemple 5

V ariableest " situation familiale "

Modalités sont " célibataire, marié, divorcé "Université de Tlemcenpage 4A. CHEKROUN

1.2. TYPES DES CARACTÈRES 5

V ariableest" statut d"interrupteur "

Modalités sont " 0 et 1 ".

quotesdbs_dbs7.pdfusesText_13

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Abdennasser Chekroun

2017 - 2018

Préambule

Table des matières

1 Généralités sur la statistique

1.1 Vocabulaire

1.1.1 Épreuve statistique

1.1.2 Population

1.1.3 Individu (unité statistique)

1.1.4 Caractère (variable statistique)

1.1.5 Modalités

1.2 Types des caractères

1.2.1 Caractère qualitatif

1.2.2 Caractère quantitatif

1.3 Exercices corrigés

1.4 Exercices supplémentaires

2 Étude d"une variable statistique discrète

2.1 Effectif partiel - effectif cumulé

2.1.1 Effectif partiel (fréquence absolue)

2.1.2 Effectif cumulé

2.2 Fréquence partielle - Fréquence cumulée

2.2.1 Fréquence partielle (fréquence relative)

2.2.2 Fréquence cumulée

2.3 Représentation graphique des séries statistiques

2.3.1 Distribution à caractère qualitatif

2.3.2 Distribution à caractère quantitatif discret

2.3.3 Représentation sous forme de courbe et fonction de répartition

2.4 Paramètres de position

2.5 Paramètres de dispersion (variabilité)

2.6 Exercices corrigés

2.7 Exercices supplémentaires

3 Étude d"une variable statistique continue

3.1 Caractère continu

3.1.1 Classe de valeurs

3.1.2 Nombre de classes

3.1.3 Effectif et fréquence d"une classe

3.2 Représentation graphique d"un caractère continu

3.2.1 Histogramme des fréquences (ou effectifs)

3.2.2 Fonction de répartition

3.3 Paramètres de tendance central

3.4 Paramètres de dispersion

3.5 Exercices corrigés

3.6 Exercices supplémentaires

4 Étude d"une variable statistique à deux dimensions

4.1 Représentation des séries statistiques à deux variables

4.2 Description numérique

4.2.1 Caractéristique des séries marginales

4.2.2 Série conditionnelle

4.2.3 Notion de covariance

4.3 Ajustement linéaire

4.3.1 Coefficient de corrélation

4.3.2 Droite de régression

4.4 Exercices corrigés

4.5 Exercices supplémentaires

5 Annexe historique

Bibliographie

TABLE DES MATIÈRES iii

Table des figures

2.1 Le nombre d"individus (effectif)

2.2Quelques caractéristiques du graphique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16

2.3Tuyaux d"orgues. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

2.4Diagramme par secteur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

2.5Diagramme à bâtons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

2.6Représentation d"une variable quantitative discrète par la courbe cumulative.. . .19

2.7La dispersion d"une série statistique autour de sa moyenne. . . . . . . . . . . . .24

2.8A gauche "Tyaux d"orgue" et à droite "Diagramme en secteur". . . . . . . . . . .25

2.9Diagramme à bâtons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27

3.1Une représentation de la distribution des valeurs à l"intérieur d"une classe.. . . .35

3.2 Le nombre d"individus (effectif) - cas continu

3.3Histogramme des fréquences ou des éffctifs.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

3.4Le calcul deFx(x)par extrapolation.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39

3.5La courbe des fréquences cumulées.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39

3.6Le centre de la classe.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40

3.7Représentation ou détermination graphique du mode (cas continu).. . . . . . . .41

3.8Le calcul de la médiane par extrapolation.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42

3.9Les quartiles.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43

4.1Représentation sous forme de nuage de points.. . . . . . . . . . . . . . . . . . .53

4.2 Le nombre d"individus (effectif)

4.3La covariance et la variabilité.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60