1/137 Modelagem Estatística Variáveis Aleatórias 2/137 Variável Característica que pode ser observada (ou mensurada) nos elementos da população, devendo ter um e apenas um resultado para cada elemento observado. 3/137 Variáveis Qualitativas - O resultado da variável é uma resposta não numérica. Exemplo: sexo, grau de instrução etc. Quantitativas - O resultado é um número. Exemplo: idade, altura etc. 4/137 Variável Aleatória Quando os resultados de uma variável são determinados pelo acaso, trata-se de uma variável aleatória. “Uma variável aleatória é uma função com valores numéricos, cujo valor é determinado por fatores de chance.” Stevenson, W. (Estatística aplicada à administração) 5/137 Exemplos Selecionando-se uma pessoa de um município através de sorteio, o peso é uma variável aleatória. Sorteando-se uma empresa de um setor, o número de funcionários é uma variável aleatória. 6/137 Exemplo Lança-se uma moeda e verifica-se a face obtida (cara ou coroa). Face obtida - variável qualitativa - não é uma variável aleatória. Número de caras - variável aleatória associada à variável qualitativa estudada. 7/137 Distribuição de Probabilidades A distribuição de probabilidades, ou modelo probabilístico, indica, para uma variável aleatória, quais são os resultados que podem ocorrer e qual é a probabilidade de cada resultado acontecer. 8/137 Exercício Lança-se uma moeda e anota-se a face obtida. Construir a distribuição de probabilidades para a variável aleatória número de caras. 9/137 Distribuição de Probabilidades Resultados Possíveis 0 1 Total Probabilidade 0,5 0,5 1 10/137 Distribuição de Probabilidades k P(X=k) 0 1 0,5 0,5 Total 0,50 0,50 0 1 1 11/137 Exercício Considerando-se que 2 moedas tenham sido lançadas, construir a distribuição de probabilidades para a variável aleatória número de caras. 12/137 Probabilidade Regra da Multiplicação A probabilidade de que dois eventos independentes ocorram é igual à multiplicação das probabilidades individuais. P(A e B) = P(A B) = P(A) x P(B) 13/137 Probabilidade Evento - Qualquer situação ou resultado que nos interessa. Dois eventos são independentes se a ocorrência de um não alterar a probabilidade de ocorrência do outro. 14/137 Exercício Considerando-se que 2 moedas tenham sido lançadas, construir a distribuição de probabilidades para a variável aleatória número de caras. 15/137 Exercício Resultados possíveis Coroa Coroa Cara Coroa Coroa Cara Cara Cara 1o lanç. 2o lanç. Resultados numéricos 0 1 1 2 Probabilidade 0,5 x 0,5 = 0,25 0,5 x 0,5 = 0,25 0,5 x 0,5 = 0,25 0,5 x 0,5 = 0,25 16/137 Diagrama de Árvore 2o lançamento 0,5 cara 1o lançamento 0,5 P = 0,25 cara 0,5 0,5 coroa P = 0,25 0,5 cara 0,5 coroa P = 0,25 P = 0,25 coroa 17/137 Distribuição de Probabilidades Resultados Possíveis 0 1 2 Total Probabilidade 0,25 0,50 0,25 1 18/137 Probabilidade Regra da Adição A probabilidade de que um entre dois eventos mutuamente excludentes ocorra é igual à soma das probabilidades individuais. P(A ou B) = P(A U B) = P(A) + P(B) 19/137 Probabilidade Dois eventos são mutuamente excludentes, ou exclusivos, se a ocorrência de um impedir a ocorrência do outro. Exemplo: No problema anterior, havia basicamente 4 resultados possíveis (KK, CK, KC e CC). Estas quatro situações são excludentes, isto é, somente uma delas poderá ocorrer. 20/137 Exercício Resultados possíveis Coroa Coroa Cara Coroa Coroa Cara Cara Cara 1o lanç. 2o lanç. Resultados numéricos 0 1 1 2 Probabilidade 0,5 x 0,5 = 0,25 0,5 x 0,5 = 0,25 0,5 x 0,5 = 0,25 0,5 x 0,5 = 0,25 Soma = 1 21/137 Distribuição de Probabilidades k P(X=k) 0 1 2 0,25 0,50 0,25 Total 1 0,50 0,25 0 0,25 1 2 22/137 Exercício Um grande lote de peças possui 60% dos itens com algum tipo de defeito. Construir a distribuição de probabilidades para a variável aleatória número de itens com defeito dentre 2 sorteados aleatoriamente. 23/137 Exercício Resultados possíveis Bom Bom Def. Def. Bom Def. Bom Def. 1o item 2o item Resultados numéricos 0 1 1 2 Probabilidade 0,4 x 0,4 = 0,16 0,4 x 0,6 = 0,24 0,6 x 0,4 = 0,24 0,6 x 0,6 = 0,36 24/137 Exercício k P(X=k) 0 1 2 0,16 0,48 0,36 Total 1 0,48 0,36 0,16 0 1 2 25/137 Exercício Um grande lote de peças possui 60% dos itens com algum tipo de defeito. Construir a distribuição de probabilidades para a variável aleatória número de itens com defeito dentre 3 sorteados aleatoriamente. 26/137 Exercício Res. poss. Res. num. BBB 0 BBD 1 BDB 1 DBB 1 BDD 2 DBD 2 DDB 2 DDD 3 Probabilidade 0,4 x 0,4 x 0,4 = 0,064 0,4 x 0,4 x 0,6 = 0,096 0,4 x 0,6 x 0,4 = 0,096 0,6 x 0,4 x 0,4 = 0,096 0,4 x 0,6 x 0,6 = 0,144 0,6 x 0,4 x 0,6 = 0,144 0,6 x 0,6 x 0,4 = 0,144 0,6 x 0,6 x 0,6 = 0,216 27/137 Exercício k P(X=k) 0 1 2 3 0,064 0,288 0,432 0,216 Total 0,432 0,288 0,216 0,064 1 0 1 2 3 28/137 Valor Esperado O valor esperado, ou esperança, ou média, de uma distribuição de probabilidades corresponde à média dos resultados da variável aleatória quando o número de observações for muito grande. 29/137 Valor Esperado X P(X) x1 x2 ... xn p1 p2 ... pn Total 1 E(X) = x = (xi.pi) 30/137 Variância X P(X) x1 x2 ... xn p1 p2 ... pn Total 1 E(X) = x = (xi.pi) VAR(X) = x = pi.(xi-x)2 31/137 Exercício - 1 Um grande lote de peças possui 60% dos itens com algum tipo de defeito. Calcular o número esperado de itens com defeito dentre 3 sorteados aleatoriamente e o desvio padrão. 32/137 Exercício k P(X=k) 0 1 2 3 0,064 0,288 0,432 0,216 Total 1 x = itens x = item 33/137 Probabilidade Regra da Multiplicação A probabilidade de que dois eventos não independentes ocorram é igual à multiplicação das probabilidades individuais. ProbabilidaP(A e B) = P(A B) = P(A) x P(B / A) de condicional 34/137 Probabilidade Condicional P(B / A) - probabilidade do evento B ocorrer dado que o evento A tenha ocorrido. 35/137 Exemplo Um lote com 20 peças contém 4 defeituosas. Se forem retiradas duas peças do lote, qual é a probabilidade de serem retiradas: a) duas peças boas? b) duas peças defeituosas? 36/137 Exemplo B - Peça Boa D - Peça Defeituosa 16 P(B) = 20 4 P(D) = 20 37/137 Exemplo Se a primeira peça for: Boa P(B/B) = 15 / 19 P(D/B) = 4 / 19 Defeituosa P(B/D) = 16 / 19 P(D/D) = 3 / 19 38/137 Exemplo 16 a) P(BB) = 20 15 = 0,6316 ou 63,16% 19 4 a) P(DD) = 20 3 19 = 0,0316 ou 3,16% 39/137 Probabilidade Regra da Adição A probabilidade de que pelo menos um entre dois eventos não excludentes ocorra é igual a: P(A ou B) = P(A U B) = P(A) + P(B) - P(A B) 40/137 Exemplo A Petrobrás perfura um poço quando acha que há probabilidade de ao menos 40 % de encontrar petróleo. Ela perfura 2 poços, aos quais atribui as probabilidades de 40 % e 50 %. Qual é a probabilidade de que pelo menos um poço produza petróleo? 41/137 Exemplo P(A) = 0,4 P(B) = 0,5 P(A e B) = 0,4 . 0,5 = 0,2 P(A ou B) = 0,4 + 0,5 - 0,2 = 0,7 42/137 Exemplo Resultados possíveis Probabilidade Produz Produz Não Não 0,4 x 0,5 = 0,2 0,4 x 0,5 = 0,2 0,6 x 0,5 = 0,3 0,6 x 0,5 = 0,3 poço A Não Produz Produz Não poço B 0,7 43/137 MODELOS PROBABILÍSTICOS 44/137 Modelos Probabilísticos Em problemas práticos, normalmente não é necessário deduzir as probabilidades de ocorrência, pois existem alguns modelos probabilísticos que se aplicam a várias situações práticas, fornecendo a regra de determinação das probabilidades. 45/137 Modelos Probabilísticos O problema não é “como se deduzem os valores?”, mas sim “como se usam as distribuições para resolver problemas?” William J. Stevenson 46/137 Exercício Anterior Lança-se uma moeda e anota-se a face obtida. Construir a distribuição de probabilidades para a variável aleatória número de caras. 47/137 Distribuição de Probabilidades k P(X=k) 0 1 0,5 0,5 Total 0,50 0,50 0 1 1 48/137 Distribuição de Bernoulli A distribuição de Bernoulli apresenta apenas dois resultados possíveis (sim ou não), com probabilidade de sucesso igual a “p”. 49/137 Distribuição de Bernoulli k P(X=k) 0 1 (1-p) p Total 1 E(X) = x = p VAR(X) = p.(1-p) 50/137 Distribuição Binomial 51/137 Distribuição Binomial O modelo binomial pressupõe: São efetuados n experimentos iguais e independentes. Cada um dos experimentos tem apenas 2 resultados possíveis e excludentes (sim e não). Consequentemente, a probabilidade de sim (p) para cada experimento é constante. A variável aleatória de interesse é o número de sim obtidos nos n experimentos. 52/137 Distribuição Binomial Para identificar uma distribuição bastam os parâmetros n e p. binomial, 53/137 Exercício Anterior Um grande lote de peças possui 60% dos itens com algum tipo de defeito. Construir a distribuição de probabilidades para a variável aleatória número de itens com defeito dentre 3 sorteados aleatoriamente. 54/137 Exercício Anterior Res. poss. Res. num. BBB 0 BBD 1 BDB 1 DBB 1 BDD 2 DBD 2 DDB 2 DDD 3 Probabilidade 0,4 x 0,4 x 0,4 = 0,064 0,4 x 0,4 x 0,6 = 0,096 0,4 x 0,6 x 0,4 = 0,096 0,6 x 0,4 x 0,4 = 0,096 0,4 x 0,6 x 0,6 = 0,144 0,6 x 0,4 x 0,6 = 0,144 0,6 x 0,6 x 0,4 = 0,144 0,6 x 0,6 x 0,6 = 0,216 55/137 Exercício Anterior k P(X=k) 0 1 2 3 0,064 0,288 0,432 0,216 Total 0,432 0,288 0,216 0,064 1 0 1 2 3 56/137 Distribuição Binomial O exemplo apresentado pode ser representado por uma distribuição binomial. n=3 p = 0,6 (item com defeito = sim) (Deseja-se o número de itens com defeito) 57/137 Equação da Binomial n k P(X=k) = p .(1- p)(n-k) k ( ) n! n = k k! (n-k)! ( ) 58/137 Distribuição Binomial k P(X=k) 0 1 ... n P(X=0) P(X=1) ... P(X=n) Total 1 E(X) = x = np VAR(X) = n.p.(1-p) 59/137 Exemplo n=3 p = 0,6 3 P(X=k) = 0,6k.(1- 0,6)(3-k) k ( ) P(X=0) = 3 0,60.(1- 0,6)(3-0) = 1.0,60.0,43 = 0,064 0 ( ) 3! 3 = =1 0 0! (3-0)! ( ) 1 60/137 Exemplo n=3 p = 0,6 3 P(X=k) = 0,6k.(1- 0,6)(3-k) k ( ) P(X=1) = 3 0,61.(1- 0,6)(3-1) = 3.0,61.0,42 = 0,288 1 ( ) 3! 3 = =3 1 1! (3-1)! ( ) 61/137 Exemplo n=3 p = 0,6 3 P(X=k) = 0,6k.(1- 0,6)(3-k) k ( ) P(X=2) = 3 0,62.(1- 0,6)(3-2) = 3.0,62.0,41 = 0,432 2 ( ) 3! 3 = =3 2 2! (3-2)! ( ) 62/137 Exemplo n=3 p = 0,6 3 P(X=k) = 0,6k.(1- 0,6)(3-k) k ( ) P(X=3) = 3 0,63.(1- 0,6)(3-3) = 1.0,63.0,40 = 0,216 3 ( ) 3! 3 = =1 3 3! (3-3)! ( ) 1 63/137 Exercício k P(X=k) 0 1 2 3 0,064 0,288 0,432 0,216 Total 0,432 0,288 0,216 0,064 1 0 1 2 3 64/137 Distribuição Acumulada k P(X=k) Prob. Acumulada 0 1 2 3 0,064 0,288 0,432 0,216 0,064 0,352 0,784 1,000 Total 1 - 65/137 Exercício 2 Considerando a mesma situação do exemplo anterior, construir a distribuição de probabilidades para o caso de 5 itens. n=5 p = 0,6 66/137 Exercício k 0 1 2 3 4 5 Total P(X=k) 0,01024 0,07680 0,23040 0,34560 0,25920 0,07776 1 Probab. Acumul. 0,01024 0,08704 0,31744 0,66304 0,92224 1,00000 - 67/137 Tabela Binomial As probabilidades para algumas binomiais podem ser encontradas em tabelas nos livros de estatística. Também podem ser utilizados softwares. 68/137 Exercício 3 Em um grande lote, sabe-se que 10 % da peças são defeituosas. Qual é a probabilidade de, ao se retirarem 6 peças ao acaso: a) Apenas uma ser defeituosa? 0,3543 b) No máximo uma ser defeituosa? 0,8857 c) Pelo menos duas serem defeituosas? 0,1143 69/137 Exercício 4 Os produtos de uma empresa sofrem inspeção de qualidade, através de uma amostra com 12 peças, antes de serem enviados aos consumidores, podendo ser classificados em A (de ótima qualidade), B (bons) e C (de 2ª categoria). Se 70 % de um grande lote forem do tipo A, 20 % forem do tipo B e o restante for do tipo C, qual é a probabilidade de que a amostra apresente no máximo 5 peças tipo B ou C? 0,8822 70/137 Exercício 5 Sabe-se que 1% dos produtos fabricados por uma empresa apresentam problemas de qualidade. Dois clientes encomendam um grande lote cada um, mas as remessas têm que passar pela inspeção de qualidade no recebimento. O cliente A seleciona ao acaso 10 produtos e o lote é aceito se não existir nenhuma peça com problema de qualidade. O cliente B toma uma amostra com 20 produtos e aceita o lote se no máximo 1 peça apresentar problemas de qualidade. Qual é a probabilidade dos dois lotes serem aceitos pelos clientes? 71/137 Exercício p= Cliente A n= P(X=0) = Cliente B n= P(X=0) + P(X=1) = P(A e B) = = 0,8891 ou 88,91% 72/137 Distribuição Multinomial 73/137 Distribuição Multinomial O modelo multinomial é uma generalização do binomial: São efetuados n experimentos iguais e independentes. Cada um dos experimentos tem mais de 2 resultados possíveis e excludentes (k resultados). A probabilidade de sim para o resultado “k” (pk) (i=1, 2, ...) em todos os experimentos é constante. A variável aleatória de interesse é o número de sim em cada categoria. 74/137 Distribuição Multinomial n! P(X=x1, x2, ..., xk) = x1! x2!... xk! n = x1 + x2 + ... + xk p1x1 p2x2 ...pkxk 75/137 VARIÁVEIS CONTÍNUAS 76/137 Exemplo Um jogo de azar é realizado da seguinte forma: toma-se um círculo e divide-se-o em duas partes iguais, 1 e 2. Sobre o centro do círculo, é fixado um ponteiro, o qual é girado e anota-se o número do setor onde a ponta do ponteiro parou. 77/137 Exemplo 2 1 Construir a distribuição de probabilidades para o número obtido neste experimento. 78/137 Distribuição de Probabilidades k P(X=k) 1 2 0,5 0,5 Total 0,50 0,50 1 1 2 79/137 Exemplo Considerar a mesma situação, só que o círculo é dividido em quatro partes iguais. Construir a distribuição de probabilidades para o número obtido neste experimento. 80/137 Exemplo 2 3 1 4 Construir a distribuição de probabilidades para o número obtido neste experimento. 81/137 Distribuição de Probabilidades k P(X=k) 1 2 3 4 0,25 0,25 0,25 0,25 Total 1 1 2 3 4 82/137 Exemplo 2 1 3 8 4 7 5 6 Construir a distribuição de probabilidades para o número obtido neste experimento. 0,125 1 2 3 5 6 Número obtido 7 0,125 0,125 0,125 4 0,125 0,125 0,125 0,125 83/137 Histograma 8 84/137 Exemplo 3 2 1 16 4 15 14 5 6 13 12 7 8 9 10 11 Construir a distribuição de probabilidades para o número obtido neste experimento. 85/137 Histograma 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Número obtido 86/137 Dúvida... Qual é o número máximo de setores que se consegue em um círculo? Resp: Infinitos 87/137 Variável Contínua Como existem infinitos resultados possíveis, o número obtido no experimento, temos uma situação próxima à da variável contínua. Como ficaria o histograma? 88/137 Histograma? 1 8 Área = 1 89/137 Dúvida... Qual é a probabilidade dessa variável aleatória contínua assumir um determinado valor (10, por exemplo)? Resposta: A probabilidade de uma variável aleatória contínua assumir exatamente um determinado valor é zero. 90/137 Probabilidades... As probabilidades não podem mais ser calculadas através de equações do tipo P(X=k) = FÓRMULA. Para identificar uma distribuição contínua, existe a função densidade de probabilidade, que é uma equação do tipo y=f(x). 91/137 Função da Densidade de Probabilidade A função densidade de probabilidade está relacionada com a probabilidade da variável aleatória contínua assumir algum resultado possível. 92/137 Função Densidade de Probabilidade f(x) variável aleatória 93/137 Variável Contínua O estudo de uma variável aleatória contínua é análogo ao das variáveis discretas. A distribuição de probabilidades indica, para uma variável aleatória, quais são os resultados que podem ocorrer e qual é a probabilidade de cada resultado acontecer. 94/137 Variável Contínua Características A área sob a função densidade é 1. f(x) área = 1 (ou 100%) variável aleatória 95/137 Variável Contínua Características A probabilidade da variável aleatória assumir um valor determinado é zero, pois existem infinitos resultados possíveis. As probabilidades sempre intervalos de valores. se referem a 96/137 Características f(x) X k P(X=k) = 0 97/137 Variável Contínua Características A probabilidade da variável aleatória assumir um valor em um intervalo é igual à área sob a função densidade naquele intervalo. 98/137 Características P(a<X<b) f(x) a b P(a < X < b) = área amarela X 99/137 Exercício Sobre o centro de um círculo, é fixado um ponteiro, o qual é girado e anota-se o ângulo formado pelo ponteiro com o eixo horizontal, como na figura a seguir. 100/137 Exercício Definir a função densidade de probabilidades para o ângulo () obtido neste experimento. 101/137 Exercício f(x) 1 360 Área = 1 0o 360o X 102/137 Exercício Qual é a probabilidade de se obter um ângulo entre 30o e 60o? 103/137 Exercício f(x) área = 60 - 30 360 - 0 = 1 = 0,0833 12 P(30o < X < 60o) 0o 30o 60o 360o X 104/137 Distribuição Uniforme f(x) 1 f(x) = 1 X 105/137 Distribuição Uniforme f(x) a b P(a < X < b) = b-a X 106/137 Distribuição Normal 107/137 Função Densidade 1 f ( x) 2 - média - desvio padrão 1 x 2 ( ) e 2 108/137 Distribuição Normal f(x) 1 f ( x) 2 X 1 x 2 ( ) e 2 109/137 Características Variável identificada pela média e pelo desvio padrão. X 110/137 Média e Desvio Padrão =1 =2 =3 =4 X 111/137 Média e Desvio Padrão =3 1 2 3 X 112/137 Características Simetria em relação à média. 50% X 113/137 Características A área sob a curva entre a média e um ponto qualquer é função da distância padronizada entre a média e aquele ponto. Distância padronizada - distância expressa em função do número de desvios padrões (distância dividida pelo desvio padrão). 114/137 Exemplo área = 68,3% - + 115/137 Exemplo área = 95,4% -2 +2 116/137 Exemplo área = 99,7% -3 +3 117/137 Características As áreas referem-se a probabilidades. P(X<a) a X 118/137 Normal Padronizada O cálculo de áreas sob a curva normal é consideravelmente complexo. Por isso, é conveniente trabalhar com valores padronizados. 119/137 Normal Padronizada Para padronizar uma variável normal, toma-se a média como ponto de referência e o desvio padrão como medida de afastamento. 120/137 Normal Padronizada X- Z= Z - variável normal padronizada X - variável normal - média - desvio padrão 121/137 Normal Padronizada = 1 = 0 Z 122/137 Normal Padronizada -2 - -2 -1 + +2 0 1 2 X Z 123/137 Exemplo O peso de uma peça é normalmente distribuído com média de 500 gramas e desvio padrão de 5 gramas. Encontrar os valores padronizados relativos aos pesos: 485g, 490g, 495g, 500g, 505g, 510g e 515g. 124/137 Exemplo X = 510 g X- Z= = 510 - 500 5 10 = 5 =2 125/137 Exemplo = 5 485 -3 490 -2 495 -1 500 0 505 1 510 2 515 3 X Z 126/137 Exemplo P(X<510) = P(Z<2) = 5 500 0 510 2 X Z 127/137 Exercício Com base na tabela da normal padronizada, calcular: a) P(Z < -1) 0,158655 -1 0 Z 128/137 Exercício b) P(Z > 1) 0,158655 0 +1 Z 129/137 Exercício c) P(Z < 1) 0,841345 0 1 Z 130/137 Exercício c) P(-1 < Z < 1) 1- 0, 158655 - 0,158655 = 0,68269 -1 0 1 Z 131/137 Exercício c) P(-2 < Z < 2) 1 - 0, 022750 - 0,022750 = 0,9545 -2 0 2 Z 132/137 Exercício c) P(-3 < Z < 3) 1- 0,001350 - 0,001350 = 0,9973 -3 0 3 Z 133/137 Exercício 6 Supondo que a vida útil dos pneus de caminhões seja normal, com média de 50.000 Km e desvio padrão de 1.000 Km, qual é a probabilidade de um pneu, escolhido ao acaso, apresentar vida útil de: a) menos de 49.000 Km? 0,158655 134/137 Exercício 6 Supondo que a vida útil dos pneus de caminhões seja normal, com média de 50.000 Km e desvio padrão de 1.000 Km, qual é a probabilidade de um pneu, escolhido ao acaso, apresentar vida útil de: b) mais de 51.000 Km? 0,158655 135/137 Exercício 6 Supondo que a vida útil dos pneus de caminhões seja normal, com média de 50.000 Km e desvio padrão de 1.000 Km, qual é a probabilidade de um pneu, escolhido ao acaso, apresentar vida útil de: c) entre 49.000 Km e 51.000 Km? 0,68269 136/137 Exercício 6 Supondo que a vida útil dos pneus de caminhões seja normal, com média de 50.000 Km e desvio padrão de 1.000 Km, qual é a probabilidade de um pneu, escolhido ao acaso, apresentar vida útil de: d) entre 48.000 Km e 52.000 Km? 0,9545 137/137 Exercício 6 Supondo que a vida útil dos pneus de caminhões seja normal, com média de 50.000 Km e desvio padrão de 1.000 Km, qual é a probabilidade de um pneu, escolhido ao acaso, apresentar vida útil de: e) entre 47.000 Km e 53.000 Km? 0,9973