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Intervalle de confiance d'une variance ou d'un écart-type, et test du khi-deux

À partir de l'écart-type et de l'effectif d'un échantillon, obtenez l'intervalle de confiance de la variance et de l'écart-type de la population, et testez-les contre une valeur de référence.

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Résultats

Intervalle de confiance de σ, borne basse

3,075

Intervalle de confiance de σ, borne haute

6,624

Intervalle de confiance de σ², borne basse
9,455
Intervalle de confiance de σ², borne haute
43,87
Variance de l'échantillon s²
17,64
Statistique χ² = (n − 1)s² ÷ σ₀²
9,878
Valeur p bilatérale pour σ = σ₀
0,458
Les données sont compatibles avec σ = σ₀

Intervalle de confiance d’une variance

L’écart-type d’un échantillon estime la variabilité de toute une population : dispersion de la production d’une machine, fidélité d’un instrument, régularité d’un procédé. Comme l’écart-type de l’échantillon varie lui-même d’un échantillon à l’autre, un intervalle de confiance indique avec quelle précision il cerne la vraie valeur σ.

Les formules

Si les données suivent une loi normale, (n − 1)s² ÷ σ² suit une loi du khi-deux à n − 1 degrés de liberté. On en déduit :

(n − 1)s² ÷ χ²₁₋α/₂ ≤ σ² ≤ (n − 1)s² ÷ χ²α/₂

On prend les racines carrées pour l’intervalle de l’écart-type. L’intervalle n’est pas symétrique autour de s : il s’étend davantage vers le haut, car la loi du khi-deux est asymétrique.

Exemple

Un échantillon de 15 pièces a un écart-type de 4,2 :

  • s² = 17,64, et (n − 1)s² = 246,96 ;
  • les quantiles du khi-deux à 14 degrés de liberté valent 5,63 et 26,12 ;
  • intervalle à 95 % de σ² : 9,46 à 43,87 ;
  • intervalle à 95 % de σ : environ 3,07 à 6,62.

Avec 15 valeurs, le vrai écart-type peut donc se situer de 27 % en dessous à 58 % au-dessus de la valeur observée. Estimer précisément une dispersion demande bien plus d’observations qu’estimer une moyenne.

Tester une valeur de référence

Pour vérifier si σ vaut une valeur cible σ₀, par exemple une tolérance du cahier des charges, calculez χ² = (n − 1)s² ÷ σ₀² et comparez-le à la loi du khi-deux. Avec σ₀ = 5, χ² = 9,88 et la valeur p bilatérale vaut environ 0,46 : les données sont compatibles avec un écart-type de 5.

En maîtrise statistique des procédés (MSP), on utilise souvent la version unilatérale : pour démontrer qu’un procédé est assez précis, on teste si σ est inférieur à la valeur maximale admise.

L’hypothèse de normalité

Contrairement à l’intervalle d’une moyenne, assez robuste, celui-ci est très sensible à la non-normalité : des queues épaisses font chuter la couverture réelle bien au-dessous du niveau annoncé. Vérifiez la distribution avec un histogramme ou une droite de Henry ; pour des données non normales, un intervalle par bootstrap est plus sûr.

Effectif et précision

n Borne haute ÷ s (95 %)
5 2,87
10 1,83
30 1,34
100 1,16

Avec 10 valeurs, le vrai écart-type peut presque doubler par rapport à l’écart-type observé. Gardez-le en tête quand un écart-type estimé sert à calculer un effectif ou un indice de capabilité comme le Cp.

Questions fréquentes

Comment calculer l'intervalle de confiance d'un écart-type ?

Calculez celui de la variance avec les quantiles du khi-deux, puis prenez la racine carrée des deux bornes.

Pourquoi l'intervalle n'est-il pas symétrique ?

Parce que la loi du khi-deux est asymétrique : l'intervalle s'étend davantage au-dessus de l'écart-type observé.

Cet intervalle est-il robuste ?

Non : il est très sensible à la non-normalité ; pour des données asymétriques, préférez un bootstrap.

Comment tester si σ vaut une valeur cible ?

Calculez χ² = (n − 1)s² ÷ σ₀² et comparez-le à la loi du khi-deux à n − 1 degrés de liberté.

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