APOSTILA · ESTATÍSTICA E PROBABILIDADE

Conteúdo teórico de Estatística e Probabilidade

Da coleta e representação dos dados à probabilidade, distribuições, inferência, correlação e regressão, com definições, propriedades, exemplos e visualizações.

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Como estudar esta apostila

Comece pela pergunta que os dados precisam responder. Leia as figuras, refaça os cálculos e tente concluir cada situação-problema antes de usar o botão para revelar a resposta.

01
CAPÍTULO 1

Dados, pesquisa e amostragem

A Estatística transforma observações em informação. Para que uma conclusão seja confiável, a pergunta, a população, as variáveis e o modo de coletar os dados precisam ser definidos antes dos cálculos.

VISUALIZAÇÃO DA PROPRIEDADE

O ciclo de uma investigação estatística

1PERGUNTAo que investigar?2PLANOquem e como medir?3COLETAregistrar os dados4ANÁLISEresumir e comparar5CONCLUSÃOresponder no contextoDADOS + CONTEXTO + MÉTODOuma conclusão deve preservar os três
Uma pesquisa coerente começa com uma pergunta, passa pelo planejamento e pela coleta, organiza e analisa os dados e termina com uma conclusão ligada ao contexto.

População, amostra e unidade estatística

População é o conjunto completo de elementos sobre os quais se deseja obter informação. Uma amostra é uma parte dessa população, selecionada para tornar a investigação possível em tempo e custo razoáveis.

Cada elemento observado é uma unidade estatística. Uma medida calculada com toda a população é um parâmetro; quando é calculada com uma amostra, recebe o nome de estatística amostral.

populac¸a˜oparaˆmetro\text{população}\longrightarrow\text{parâmetro}Característica numérica do conjunto completo.
amostraestatıˊstica\text{amostra}\longrightarrow\text{estatística}Medida usada para estimar o parâmetro.

Variáveis e níveis de mensuração

Variável é uma característica observada nas unidades. Variáveis qualitativas descrevem categorias; variáveis quantitativas registram números com significado de contagem ou medida.

Uma variável quantitativa é discreta quando assume valores isolados, geralmente obtidos por contagem, e contínua quando pode assumir qualquer valor em um intervalo. Nas qualitativas, a escala nominal não possui ordem e a ordinal possui uma hierarquia natural.

  • Qualitativa nominal: tipo sanguíneo, cor ou cidade.
  • Qualitativa ordinal: nível de satisfação ou faixa de desempenho.
  • Quantitativa discreta: número de irmãos ou quantidade de acertos.
  • Quantitativa contínua: altura, massa, tempo ou temperatura.

Planejamento e seleção da amostra

Uma amostra representativa preserva, tanto quanto possível, características relevantes da população. A seleção aleatória reduz a influência de preferências do pesquisador, mas não corrige perguntas ambíguas nem perdas sistemáticas de respostas.

Amostragem aleatória simples atribui a cada unidade a mesma chance de ser escolhida. Amostragem estratificada separa a população em grupos homogêneos e seleciona elementos em cada grupo. Amostragem sistemática usa um intervalo fixo após um início aleatório.

  • Defina a pergunta e a população-alvo.
  • Escolha variáveis mensuráveis.
  • Planeje um procedimento de seleção sem favorecimentos.
  • Registre limitações, recusas e dados ausentes.
D
VOCABULÁRIO

Definições essenciais

População

Conjunto de todas as unidades sobre as quais a investigação pretende concluir.

Amostra

Subconjunto efetivamente observado para representar uma população.

Parâmetro

Medida numérica que descreve uma característica populacional.

Viés

Desvio sistemático produzido pelo modo de selecionar, medir ou registrar os dados.

T
RESULTADOS CENTRAIS

Teoremas e propriedades

Princípio da representatividade

O tamanho da amostra, isoladamente, não garante uma boa estimativa; o processo de seleção deve representar os grupos relevantes da população.

Limite de generalização

Toda conclusão estatística deve indicar a população à qual os dados e o plano amostral permitem generalizar.

1
EXEMPLO RESOLVIDO

Classificação das variáveis

Uma pesquisa registra o turno do estudante, o número de faltas, a altura e o nível de satisfação com a escola. Classifique as quatro variáveis.

  1. Turno identifica categorias sem ordem.
  2. Número de faltas resulta de uma contagem.
  3. Altura é medida em uma escala contínua.
  4. Nível de satisfação possui categorias ordenadas.
2
EXEMPLO RESOLVIDO

Amostra estratificada de uma escola

Uma escola possui 360 estudantes no Ensino Fundamental e 240 no Ensino Médio. Deseja-se selecionar proporcionalmente uma amostra de 90 estudantes. Quantos devem vir de cada etapa?

  1. A população total possui 600 estudantes.
  2. O Fundamental representa 360600=60%\frac{360}{600} = 60\% da população.
  3. O Médio representa 240600=40%\frac{240}{600} = 40\% da população.
  4. Aplicamos essas proporções ao tamanho 90.
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02
CAPÍTULO 2

Tabelas, gráficos e frequências

Dados brutos precisam ser organizados para revelar padrões. Tabelas de frequência e gráficos adequados permitem comparar categorias, perceber concentrações e observar a forma de uma distribuição.

VISUALIZAÇÃO DA PROPRIEDADE

Da tabela de frequências ao gráfico

TABELA DE FREQUÊNCIASCategoriafᵢfᵣFutsal1435%Vôlei1025%Atlet.820%Outros820%GRÁFICO DE BARRAS10%20%30%40%35%Futsal25%Vôlei20%Atlet.20%Outros
A altura de cada barra representa a frequência da categoria. A soma das frequências relativas deve ser igual a 1, ou 100%.

Frequência absoluta, relativa e acumulada

Frequência absoluta fif_{i} é o número de ocorrências de um valor ou categoria. A frequência relativa compara essa contagem com o total n e pode ser expressa como fração, decimal ou porcentagem.

A frequência acumulada soma as ocorrências até certo valor. Ela é especialmente útil para variáveis quantitativas ou qualitativas ordinais, nas quais existe uma ordem significativa.

fri=finf_{r_i}=\frac{f_i}{n}Frequência relativa da categoria i.
Fi=j=1ifjF_i=\sum_{j=1}^{i}f_jFrequência absoluta acumulada até a classe i.
ifi=neifri=1\sum_i f_i=n\quad\text{e}\quad\sum_i f_{r_i}=1Conferência dos totais da tabela.

Distribuições em classes

Quando uma variável contínua possui muitos valores diferentes, os dados podem ser agrupados em intervalos de classe. Os intervalos devem cobrir toda a amplitude sem sobreposição.

A amplitude de classe é a largura do intervalo. O ponto médio representa a classe em cálculos aproximados, mas o agrupamento reduz parte da informação original.

h=xmaxxminkh=\frac{x_{\max}-x_{\min}}{k}Largura aproximada para k classes de mesma amplitude.
mi=Li+Ui2m_i=\frac{L_i+U_i}{2}Ponto médio da classe com limites Lᵢ e Uᵢ.

Escolha do gráfico

Gráficos de barras comparam categorias e deixam espaços entre as barras. Histogramas representam intervalos numéricos contíguos; por isso, suas barras ficam unidas. Gráficos de linhas são apropriados para evolução temporal.

Gráficos de setores mostram composição de um total, mas perdem eficiência quando existem muitas categorias ou diferenças pequenas. Todo gráfico deve apresentar título, escala, unidades e fonte dos dados.

  • Barras: comparação entre categorias.
  • Histograma: forma de uma distribuição contínua.
  • Linhas: mudança ao longo do tempo.
  • Setores: partes de um total com poucas categorias.
  • Boxplot: centro, dispersão e valores atípicos.
D
VOCABULÁRIO

Definições essenciais

Frequência absoluta

Número de vezes que um valor ou categoria ocorre.

Frequência relativa

Proporção da amostra pertencente a uma categoria ou classe.

Histograma

Gráfico de áreas adjacentes usado para intervalos de uma variável quantitativa contínua.

Classe

Intervalo usado para agrupar observações quantitativas.

T
RESULTADOS CENTRAIS

Teoremas e propriedades

Conservação das frequências

As frequências absolutas de classes excludentes somam o número total de observações e as frequências relativas somam 1.

Princípio da área no histograma

Em classes de mesma largura, alturas podem representar frequências; em larguras diferentes, a área de cada barra deve ser proporcional à frequência.

1
EXEMPLO RESOLVIDO

Tabela de preferências esportivas

Em uma turma de 40 estudantes, 14 preferem futsal, 10 voleibol, 8 atletismo e 8 outros esportes. Determine as frequências relativas.

  1. Dividimos cada frequência absoluta por 40.
  2. Para futsal: 1440=0,35\frac{14}{40} = 0{,}35.
  3. Para voleibol: 1040=0,25\frac{10}{40} = 0{,}25.
  4. As duas categorias com 8 estudantes representam 840=0,20\frac{8}{40} = 0{,}20 cada.
2
EXEMPLO RESOLVIDO

Leitura de uma frequência acumulada

Os tempos de deslocamento foram agrupados em até 10 min: 6 pessoas; de 10 a 20 min: 11; de 20 a 30 min: 9; acima de 30 min: 4. Quantas levam no máximo 30 minutos?

  1. No máximo 30 minutos inclui as três primeiras classes.
  2. Somamos as frequências 6 + 11 + 9.
  3. A quarta classe não entra na contagem.
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03
CAPÍTULO 3

Medidas de tendência central

Média, mediana e moda resumem o centro dos dados, mas respondem a perguntas diferentes. A escolha depende do tipo de variável, da forma da distribuição e da presença de valores extremos.

VISUALIZAÇÃO DA PROPRIEDADE

Média, mediana e moda em uma distribuição

DISTRIBUIÇÃO DE DEZ VALORES123456789média = 3,2mediana = 2,5moda = 2
xˉ=3210=3,2\bar x=\frac{32}{10}=3{,}2
o valor 9 puxa a média para a direita
Em uma distribuição simétrica e unimodal, as três medidas tendem a coincidir. Uma cauda longa desloca a média na direção dos valores extremos.

Média aritmética e média ponderada

A média aritmética distribui igualmente a soma dos valores entre as observações. Ela utiliza todas as informações numéricas, mas pode ser fortemente afetada por valores muito distantes dos demais.

Na média ponderada, cada valor recebe um peso que representa importância ou frequência. O denominador deve ser a soma dos pesos, e não apenas o número de valores distintos.

xˉ=1ni=1nxi\bar{x}=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}x_iMédia aritmética amostral.
xˉp=i=1kwixii=1kwi\bar{x}_p=\frac{\sum_{i=1}^{k}w_i x_i}{\sum_{i=1}^{k}w_i}Média ponderada pelos pesos wᵢ.

Mediana e quartis

A mediana separa o conjunto ordenado em duas metades. Com número ímpar de observações, ocupa a posição central; com número par, é a média dos dois valores centrais.

Por depender da ordem e não da distância entre valores, a mediana é resistente a observações extremas. Quartis estendem a mesma ideia e dividem os dados em quatro partes aproximadamente iguais.

Q2=MedianaQ_2=\operatorname{Mediana}O segundo quartil coincide com a mediana.

Moda e escolha da medida

Moda é o valor ou categoria de maior frequência. Um conjunto pode ser amodal, unimodal ou multimodal. É a única medida de tendência central aplicável diretamente a variáveis qualitativas nominais.

A média é indicada para distribuições aproximadamente simétricas sem extremos influentes. A mediana costuma representar melhor salários, preços e tempos muito assimétricos. A moda destaca o resultado mais comum.

  • Use média para equilíbrio numérico.
  • Use mediana para uma posição central resistente.
  • Use moda para identificar a categoria mais frequente.
  • Sempre observe a distribuição antes de resumir.
D
VOCABULÁRIO

Definições essenciais

Média

Quociente entre a soma dos valores e o número de observações.

Mediana

Valor central de um conjunto ordenado, ou média dos dois centrais quando n é par.

Moda

Valor ou categoria que apresenta maior frequência.

Medida resistente

Resumo que sofre pouca alteração diante de poucos valores extremos.

T
RESULTADOS CENTRAIS

Teoremas e propriedades

Propriedade de equilíbrio da média

A soma dos desvios em relação à média é igual a zero: Σ(xixˉ)=0(x_{i}-\bar{x})=0.

Efeito de uma transformação linear

Somar c a todos os dados soma c à média e à mediana; multiplicar todos por a multiplica essas medidas por a.

1
EXEMPLO RESOLVIDO

Média e mediana de tempos

Cinco estudantes levaram 12, 14, 15, 16 e 28 minutos para concluir uma atividade. Calcule a média e a mediana.

  1. Somamos os tempos: 12+14+15+16+28=8512 + 14 + 15 + 16 + 28 = 85.
  2. Dividimos por 5 para obter a média.
  3. Os dados já estão ordenados; o terceiro valor é a mediana.
2
EXEMPLO RESOLVIDO

Nota final ponderada

Um estudante obteve 7,0 em trabalhos com peso 2, 8,0 em uma prova com peso 3 e 9,0 em um projeto com peso 5. Calcule a média final.

  1. Multiplicamos cada nota pelo respectivo peso.
  2. Somamos 72+83+95=837\cdot 2 + 8\cdot 3 + 9\cdot 5 = 83.
  3. A soma dos pesos é 2+3+5=102 + 3 + 5 = 10.
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04
CAPÍTULO 4

Dispersão, posição e boxplot

Dois grupos podem ter a mesma média e comportamentos muito diferentes. Medidas de dispersão quantificam a variabilidade, enquanto quartis e escores padronizados localizam observações dentro da distribuição.

VISUALIZAÇÃO DA PROPRIEDADE

Os cinco números do boxplot

RESUMO DE CINCO NÚMEROS01020304050mín.Q₁Q₂Q₃máx.possível atípico
AIQ=Q3Q1=3018=12AIQ=Q_3-Q_1=30-18=12
O boxplot representa mínimo, primeiro quartil, mediana, terceiro quartil e máximo; pontos muito afastados podem ser destacados como valores atípicos.

Amplitude, variância e desvio padrão

A amplitude total é a diferença entre maior e menor valor, mas ignora tudo o que ocorre entre os extremos. A variância usa os quadrados dos desvios em relação à média e considera todas as observações.

O desvio padrão é a raiz quadrada da variância e retorna à unidade original dos dados. Em uma amostra usada para estimar a variância populacional, divide-se por n-1.

A=xmaxxminA=x_{\max}-x_{\min}Amplitude total.
s2=i=1n(xixˉ)2n1s^2=\frac{\sum_{i=1}^{n}(x_i-\bar{x})^2}{n-1}Variância amostral.
s=s2s=\sqrt{s^2}Desvio padrão amostral.

Quartis e intervalo interquartil

O primeiro quartil Q1Q_{1} deixa aproximadamente 25% dos dados abaixo dele; Q2Q_{2} é a mediana; Q3Q_{3} deixa aproximadamente 75% abaixo. Diferentes convenções de posição podem produzir pequenas diferenças em amostras curtas.

O intervalo interquartil mede a largura da metade central dos dados. Como ignora os extremos, é uma medida resistente de dispersão.

AIQ=Q3Q1AIQ=Q_3-Q_1Amplitude ou intervalo interquartil.
Q11,5AIQeQ3+1,5AIQQ_1-1{,}5\,AIQ\quad\text{e}\quad Q_3+1{,}5\,AIQLimites usuais para investigar valores atípicos.

Coeficiente de variação e escore z

O coeficiente de variação compara a dispersão relativa de conjuntos com médias positivas e escalas diferentes. O escore z informa quantos desvios padrão uma observação está acima ou abaixo da média.

Um z positivo indica valor acima da média; um z negativo indica valor abaixo. Padronizar não altera a ordem das observações, apenas expressa sua posição em uma escala comum.

CV=sxˉ100%CV=\frac{s}{\bar{x}}\cdot100\%Coeficiente de variação para média positiva.
z=xμσz=\frac{x-\mu}{\sigma}Escore padronizado em uma população.
D
VOCABULÁRIO

Definições essenciais

Variância

Média ajustada dos quadrados dos desvios em relação ao centro.

Desvio padrão

Raiz da variância, expressa na mesma unidade dos dados.

Intervalo interquartil

Diferença Q3Q_{3}-Q1Q_{1} que mede a dispersão dos 50% centrais.

Valor atípico

Observação suficientemente distante do padrão geral para merecer investigação.

T
RESULTADOS CENTRAIS

Teoremas e propriedades

Não negatividade da variância

A variância nunca é negativa e vale zero somente quando todas as observações são iguais.

Transformação do desvio padrão

Somar uma constante não altera o desvio padrão; multiplicar todos os dados por a multiplica o desvio por a\left|a\right|.

1
EXEMPLO RESOLVIDO

Variância de um pequeno conjunto

Calcule a variância populacional e o desvio padrão dos valores 2, 4, 4 e 6.

  1. A média é 2+4+4+64=4\frac{2 + 4 + 4 + 6}{4} = 4.
  2. Os desvios são -2, 0, 0 e 2.
  3. A soma dos quadrados é 4+0+0+4=84 + 0 + 0 + 4 = 8.
  4. Como o conjunto é tratado como população, dividimos por 4.
2
EXEMPLO RESOLVIDO

Detecção pelo intervalo interquartil

Em um conjunto, Q1=18Q_{1} = 18 e Q3=30Q_{3} = 30. Determine os limites usuais para investigar valores atípicos.

  1. Calculamos AIQ=3018=12AIQ = 30 - 18 = 12.
  2. O limite inferior é 18 - 1,5·12.
  3. O limite superior é 30 + 1,5·12.
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05
CAPÍTULO 5

Fundamentos de Probabilidade

A Probabilidade descreve incertezas por meio de experimentos, espaços amostrais e eventos. Suas regras permitem combinar resultados possíveis sem depender apenas da intuição.

VISUALIZAÇÃO DA PROPRIEDADE

Espaço amostral e eventos

DOIS DADOS EQUILIBRADOS1º dado2º dado(1,1)(1,2)(1,3)(1,4)(1,5)(1,6)(2,1)(2,2)(2,3)(2,4)(2,5)(2,6)(3,1)(3,2)(3,3)(3,4)(3,5)(3,6)(4,1)(4,2)(4,3)(4,4)(4,5)(4,6)(5,1)(5,2)(5,3)(5,4)(5,5)(5,6)(6,1)(6,2)(6,3)(6,4)(6,5)(6,6)EVENTO: SOMA IGUAL A 7
n(Ω)=66=36n(\Omega)=6\cdot6=36
n(A)=6n(A)=6
P(A)=636=16P(A)=\frac6{36}=\frac16
No lançamento de dois dados, cada célula representa um resultado ordenado. O evento soma 7 ocupa seis das 36 células equiprováveis.

Experimento aleatório, espaço amostral e evento

Um experimento aleatório pode ser repetido em condições semelhantes, mas seu resultado individual não é conhecido antecipadamente. O espaço amostral Ω reúne todos os resultados possíveis.

Evento é qualquer subconjunto de Ω. O evento impossível é vazio; o evento certo é o próprio espaço. União representa pelo menos um evento e interseção representa ocorrência simultânea.

ABA\cup BOcorre A, ocorre B ou ocorrem ambos.
ABA\cap BA e B ocorrem simultaneamente.
Ac=ΩAA^c=\Omega\setminus AEvento complementar de A.

Axiomas e propriedades

Uma função probabilidade atribui números entre 0 e 1 aos eventos. O evento certo tem probabilidade 1 e eventos disjuntos têm probabilidades aditivas.

Quando os resultados elementares são equiprováveis e finitos, a probabilidade de um evento é a razão entre casos favoráveis e casos possíveis. Essa razão não deve ser usada se os resultados não tiverem a mesma chance.

0P(A)10\leq P(A)\leq1Limites de qualquer probabilidade.
P(A)=n(A)n(Ω)P(A)=\frac{n(A)}{n(\Omega)}Modelo clássico para resultados equiprováveis.
P(AB)=P(A)+P(B)P(AB)P(A\cup B)=P(A)+P(B)-P(A\cap B)Regra geral da adição.
P(Ac)=1P(A)P(A^c)=1-P(A)Regra do complementar.

Princípios de contagem

O princípio multiplicativo afirma que um processo com etapas sucessivas pode ser contado multiplicando o número de escolhas disponíveis em cada etapa, desde que as condições estejam claramente definidas.

Combinações contam seleções sem considerar ordem; arranjos e permutações consideram a ordem. Reconhecer essa diferença evita contar o mesmo grupo várias vezes.

n!=n(n1)21n!=n(n-1)\cdots2\cdot1Número de permutações de n objetos distintos.
(nk)=n!k!(nk)!\binom{n}{k}=\frac{n!}{k!(n-k)!}Escolhas de k objetos entre n, sem considerar ordem.
D
VOCABULÁRIO

Definições essenciais

Espaço amostral

Conjunto de todos os resultados possíveis de um experimento aleatório.

Evento

Subconjunto do espaço amostral.

Eventos disjuntos

Eventos que não podem ocorrer simultaneamente.

Equiprobabilidade

Condição em que resultados elementares possuem a mesma probabilidade.

T
RESULTADOS CENTRAIS

Teoremas e propriedades

Regra da adição

A probabilidade da união é a soma das probabilidades individuais menos a probabilidade da interseção.

Regra do complementar

A probabilidade de A não ocorrer é 1-P(A)P(A).

1
EXEMPLO RESOLVIDO

Soma sete em dois dados

Dois dados equilibrados são lançados. Qual é a probabilidade de a soma ser 7?

  1. Existem 66=366\cdot 6 = 36 pares ordenados equiprováveis.
  2. Os pares favoráveis são (1,6), (2,5), (3,4), (4,3), (5,2) e (6,1).
  3. Dividimos 6 por 36.
2
EXEMPLO RESOLVIDO

Pelo menos um acerto

Um jogador acerta um alvo com probabilidade 0,4 em cada tentativa independente. Qual é a probabilidade de obter pelo menos um acerto em três tentativas?

  1. Usamos o evento complementar: nenhum acerto.
  2. A probabilidade de errar uma tentativa é 0,6.
  3. A probabilidade de errar as três é 0,63=0,2160{,}6^{3} = 0{,}216.
  4. Subtraímos esse valor de 1.
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06
CAPÍTULO 6

Probabilidade condicional, independência e Bayes

Informações novas alteram o espaço de comparação. Probabilidade condicional, independência, probabilidade total e Teorema de Bayes formalizam essa atualização.

VISUALIZAÇÃO DA PROPRIEDADE

Árvore de probabilidades e atualização

ORIGEM DE UMA PEÇA DEFEITUOSAAB0,600,40D: 0,02Dᶜ: 0,98D: 0,05Dᶜ: 0,95ATUALIZAÇÃO DE BAYES
P(D)=0,032P(D)=0{,}032
P(BD)=0,400,050,032P(B\mid D)=\frac{0{,}40\cdot0{,}05}{0{,}032}
P(BD)=0,625P(B\mid D)=0{,}625
Cada caminho multiplica probabilidades condicionais; caminhos incompatíveis que levam ao mesmo resultado são somados. Bayes percorre a árvore no sentido inverso.

Probabilidade condicional

P(AB)P(A|B) mede a chance de A quando já sabemos que B ocorreu. O evento B passa a funcionar como novo universo de comparação, por isso sua probabilidade aparece no denominador.

A regra do produto reorganiza a definição e permite calcular a probabilidade de sequências. Sem reposição, as probabilidades costumam mudar de uma etapa para outra.

P(AB)=P(AB)P(B),P(B)>0P(A\mid B)=\frac{P(A\cap B)}{P(B)},\quad P(B)>0Definição de probabilidade condicional.
P(AB)=P(B)P(AB)P(A\cap B)=P(B)P(A\mid B)Regra do produto.

Independência

Dois eventos são independentes quando a ocorrência de um não altera a probabilidade do outro. Isso equivale a P(AB)=P(A)P(A|B)=P(A), desde que P(B)>0P(B)>0.

Independência não é o mesmo que eventos disjuntos. Se dois eventos não vazios são disjuntos, saber que um ocorreu torna impossível a ocorrência do outro; portanto, são dependentes.

P(AB)=P(A)P(B)P(A\cap B)=P(A)P(B)Critério de independência para dois eventos.

Probabilidade total e Teorema de Bayes

Uma partição divide Ω em eventos B1B_{1},...,Bₖ disjuntos, com união igual ao espaço amostral. A probabilidade total soma os caminhos que podem produzir A.

O Teorema de Bayes inverte a condição: combina a probabilidade anterior de cada causa com a chance de observar a evidência sob essa causa.

P(A)=i=1kP(Bi)P(ABi)P(A)=\sum_{i=1}^{k}P(B_i)P(A\mid B_i)Teorema da probabilidade total.
P(BjA)=P(Bj)P(ABj)i=1kP(Bi)P(ABi)P(B_j\mid A)=\frac{P(B_j)P(A\mid B_j)}{\sum_{i=1}^{k}P(B_i)P(A\mid B_i)}Teorema de Bayes.
D
VOCABULÁRIO

Definições essenciais

Probabilidade condicional

Probabilidade calculada após restringir o espaço ao evento informado.

Independência

Situação em que conhecer um evento não altera a probabilidade do outro.

Partição

Coleção de eventos disjuntos cuja união é todo o espaço amostral.

Probabilidade posterior

Probabilidade atualizada de uma hipótese após observar uma evidência.

T
RESULTADOS CENTRAIS

Teoremas e propriedades

Teorema da probabilidade total

Se B1B_{1},...,Bₖ formam uma partição, a probabilidade de A é a soma de P(Bi)P(B_{i})P(ABi)P(A|B_{i}).

Teorema de Bayes

A probabilidade de uma causa após a evidência é proporcional ao produto entre sua probabilidade anterior e a verossimilhança da evidência.

1
EXEMPLO RESOLVIDO

Retirada sem reposição

Uma urna possui 5 bolas verdes e 3 amarelas. Duas bolas são retiradas sem reposição. Qual é a probabilidade de ambas serem verdes?

  1. Na primeira retirada, P(V1)=58P(V_{1})=\frac{5}{8}.
  2. Após retirar uma verde, restam 4 verdes entre 7 bolas.
  3. Multiplicamos 58\frac{5}{8} por 47\frac{4}{7}.
2
EXEMPLO RESOLVIDO

Origem de uma peça defeituosa

Uma fábrica A produz 60% das peças e tem 2% de defeitos; B produz 40% e tem 5% de defeitos. Se uma peça é defeituosa, qual é a probabilidade de ter vindo de B?

  1. Calculamos P(D)=0,600,02+0,400,05=0,032P(D)=0{,}60\cdot 0{,}02 + 0{,}40\cdot 0{,}05 = 0{,}032.
  2. O caminho B e defeito tem probabilidade 0,400,05=0,0200{,}40\cdot 0{,}05 = 0{,}020.
  3. Aplicamos P(BD)=0,0200,032P(B|D)=0,\frac{020}{0},032.
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07
CAPÍTULO 7

Variáveis aleatórias

Uma variável aleatória associa números aos resultados de um experimento. Sua distribuição descreve quais valores podem ocorrer e com que probabilidades.

VISUALIZAÇÃO DA PROPRIEDADE

Distribuição e função acumulada

P(X=x)0,1000,2510,4020,253F(x)=P(X≤x)01231
Para uma variável discreta, as barras representam P(X=x). A função acumulada F(x)=P(X≤x) cresce em degraus até atingir 1.

Variáveis discretas e contínuas

Uma variável aleatória discreta possui valores finitos ou enumeráveis, como o número de acertos. Uma variável contínua pode assumir qualquer valor em intervalos, como tempo ou massa.

No caso discreto, probabilidades podem ser atribuídas a valores isolados. No caso contínuo, a probabilidade de um valor exato é zero; probabilidades correspondem a áreas sob uma densidade.

X:ΩRX:\Omega\longrightarrow\mathbb RVariável aleatória como função dos resultados para os reais.
xP(X=x)=1\sum_x P(X=x)=1Normalização de uma distribuição discreta.
f(x)dx=1\int_{-\infty}^{\infty}f(x)\,dx=1Normalização de uma densidade contínua.

Função de distribuição acumulada

A função F(x)=P(Xx)F(x)=P(X\le x) reúne toda a distribuição em uma única função. Ela nunca decresce, tende a 0 à esquerda e a 1 à direita.

Para variáveis discretas, F apresenta saltos iguais às probabilidades dos valores. Para variáveis contínuas com densidade, F é obtida por integração.

F(x)=P(Xx)F(x)=P(X\leq x)Definição da função distribuição acumulada.
F(x)=xf(t)dtF(x)=\int_{-\infty}^{x}f(t)\,dtAcumulada de uma variável contínua com densidade f.

Esperança, variância e interpretação

A esperança matemática é uma média ponderada de longo prazo. Ela não precisa ser um resultado possível do experimento; representa o equilíbrio esperado após muitas repetições.

A variância mede a dispersão em torno da esperança. Propriedades algébricas permitem calcular o efeito de somas e transformações lineares sem reconstruir toda a distribuição.

E(X)=xxP(X=x)E(X)=\sum_x x\,P(X=x)Esperança de uma variável discreta.
Var(X)=E(X2)[E(X)]2\operatorname{Var}(X)=E(X^2)-[E(X)]^2Forma computacional da variância.
E(aX+b)=aE(X)+bE(aX+b)=aE(X)+bLinearidade da esperança.
D
VOCABULÁRIO

Definições essenciais

Variável aleatória

Função que associa um número real a cada resultado do experimento.

Função massa

Regra que fornece P(X=x)X=x) para valores de uma variável discreta.

Densidade

Função não negativa cuja área em um intervalo representa probabilidade contínua.

Valor esperado

Média teórica ponderada pelos valores de probabilidade.

T
RESULTADOS CENTRAIS

Teoremas e propriedades

Linearidade da esperança

Para constantes a e b, E(aX+b)=aE(X)+bE(aX+b)=aE(X)+b, sem exigir independência.

Variância de transformação linear

Var(aX+b)=a2Var(X)Var(aX+b)=a^{2}Var(X).

1
EXEMPLO RESOLVIDO

Esperança no lançamento de um dado

Se X é o resultado de um dado equilibrado, calcule E(X)E(X).

  1. Cada valor de 1 a 6 possui probabilidade 16\frac{1}{6}.
  2. Somamos 16\frac{1}{6} + 26\frac{2}{6} + 36\frac{3}{6} + 46\frac{4}{6} + 56\frac{5}{6} + 66\frac{6}{6}.
  3. A soma dos valores é 21.
2
EXEMPLO RESOLVIDO

Jogo e ganho esperado

Um jogo paga R$ 12 com probabilidade 0,25 e cobra R$ 4 nos demais casos. Qual é o ganho esperado do jogador?

  1. Representamos os ganhos líquidos por 12 e -4.
  2. Multiplicamos cada ganho por sua probabilidade.
  3. Calculamos 12·0,25 + (-4)·0,75.
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08
CAPÍTULO 8

Distribuições de probabilidade

Modelos probabilísticos resumem experimentos recorrentes. Binomial, Poisson, uniforme, exponencial e normal descrevem estruturas diferentes e exigem hipóteses próprias.

VISUALIZAÇÃO DA PROPRIEDADE

Do discreto ao contínuo

BINOMIAL: PROBABILIDADES EM BARRAS01234
P(X=k)=(nk)pk(1p)nkP(X=k)=\binom nkp^k(1-p)^{n-k}
NORMAL: PROBABILIDADES COMO ÁREASμ
Z=XμσZ=\frac{X-\mu}{\sigma}
A distribuição binomial aparece em barras; a normal é uma curva contínua e simétrica. Em ambos os casos, probabilidades são somas ou áreas.

Distribuição binomial e Poisson

A binomial conta sucessos em n tentativas independentes, cada uma com a mesma probabilidade p. A variável X pode assumir os valores 0,1,...,n.

A distribuição de Poisson modela contagens em um intervalo quando os eventos ocorrem independentemente a uma taxa média λ. Ela também aproxima uma binomial com n grande e p pequeno quando λ=np.

P(X=k)=(nk)pk(1p)nkP(X=k)=\binom{n}{k}p^k(1-p)^{n-k}Probabilidade binomial de exatamente k sucessos.
E(X)=npeVar(X)=np(1p)E(X)=np\quad\text{e}\quad\operatorname{Var}(X)=np(1-p)Média e variância da binomial.
P(X=k)=eλλkk!P(X=k)=e^{-\lambda}\frac{\lambda^k}{k!}Função massa da distribuição de Poisson.

Distribuição normal e padronização

A distribuição normal é contínua, simétrica e determinada pela média μ e pelo desvio padrão σ. Sua curva possui área total 1 e média, mediana e moda coincidem.

A transformação z converte qualquer normal em uma normal padrão com média 0 e desvio 1. Tabelas ou calculadoras fornecem áreas acumuladas sob essa curva.

  • Cerca de 68% dos valores ficam a até 1σ da média.
  • Cerca de 95% ficam a até 2σ.
  • Cerca de 99,7% ficam a até 3σ.
Z=XμσZ=\frac{X-\mu}{\sigma}Padronização de uma variável normal.
XN(μ,σ2)X\sim N(\mu,\sigma^2)Notação de uma normal com média μ e variância σ².

Uniforme e exponencial

Na distribuição uniforme contínua, intervalos de mesmo comprimento dentro de [a,b] têm a mesma probabilidade. Sua densidade é constante nesse intervalo.

A distribuição exponencial modela tempos de espera entre eventos de um processo de Poisson. Ela possui a propriedade de falta de memória: o tempo já esperado não altera a distribuição do tempo adicional.

f(x)=1ba,axbf(x)=\frac{1}{b-a},\quad a\leq x\leq bDensidade uniforme em [a,b].
f(x)=λeλx,x0f(x)=\lambda e^{-\lambda x},\quad x\geq0Densidade exponencial de taxa λ.
D
VOCABULÁRIO

Definições essenciais

Ensaio de Bernoulli

Tentativa com dois resultados, sucesso e fracasso, e probabilidade de sucesso p.

Distribuição binomial

Modelo para o número de sucessos em tentativas de Bernoulli independentes.

Distribuição normal

Modelo contínuo simétrico caracterizado por média e variância.

Taxa

Número médio de ocorrências por unidade de tempo, espaço ou exposição.

T
RESULTADOS CENTRAIS

Teoremas e propriedades

Regra empírica da normal

Em uma normal, aproximadamente 68%, 95% e 99,7% da área ficam nos intervalos μ±σ, μ±2σ e μ±3σ.

Aproximação de Poisson

Quando n é grande e p é pequeno, Bin(n,p)Bin(n,p) pode ser aproximada por Poisson(λ=np)Poisson(λ=np).

1
EXEMPLO RESOLVIDO

Probabilidade binomial

Um sensor identifica corretamente uma peça com probabilidade 0,7. Em quatro peças independentes, qual é a probabilidade de exatamente duas identificações corretas?

  1. Temos n=4,k=2n=4, k=2 e p=0,7p=0{,}7.
  2. Calculamos C(4,2)=6C(4{,}2)=6.
  3. Aplicamos 6·0,720{,}7^{2}·0,320{,}3^{2}.
2
EXEMPLO RESOLVIDO

Padronização de uma nota

As notas de uma avaliação seguem aproximadamente N(70,82)N(70{,}8^{2}). Qual é o escore z de uma nota 86?

  1. Subtraímos a média: 8670=16-70=16.
  2. Dividimos pelo desvio padrão 8.
  3. Interpretamos a distância na escala padronizada.
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09
CAPÍTULO 9

Inferência estatística

Inferência usa uma amostra para estimar parâmetros e avaliar hipóteses sobre a população. Toda conclusão vem acompanhada de incerteza amostral e de condições que precisam ser verificadas.

VISUALIZAÇÃO DA PROPRIEDADE

Estimativa, margem de erro e decisão

AMOSTRAS DIFERENTES, INTERVALOS DIFERENTESparâmetro μamostra 1amostra 2amostra 3amostra 4amostra 5
xˉ±zσn\bar x\pm z^*\frac{\sigma}{\sqrt n}
Um intervalo de confiança combina uma estimativa pontual e uma margem de erro. Repetindo o procedimento, a proporção declarada dos intervalos contém o parâmetro verdadeiro.

Distribuições amostrais e Teorema Central do Limite

Uma estatística varia de amostra para amostra. A distribuição amostral descreve essa variação e permite calcular erros padrão.

Sob condições adequadas, a média amostral possui distribuição aproximadamente normal quando o tamanho da amostra é grande, mesmo que a população original não seja normal. Sua variabilidade diminui com n\sqrt{n}.

E(Xˉ)=μE(\bar X)=\muA média amostral é não viesada para μ.
SE(Xˉ)=σnSE(\bar X)=\frac{\sigma}{\sqrt n}Erro padrão da média quando σ é conhecido.
SE(p^)=p(1p)nSE(\hat p)=\sqrt{\frac{p(1-p)}{n}}Erro padrão teórico de uma proporção.

Estimação e intervalos de confiança

Uma estimativa pontual fornece um único valor para o parâmetro. Um intervalo de confiança acrescenta uma margem de erro determinada pelo nível de confiança, pelo erro padrão e pelo modelo adotado.

Para uma média com desvio populacional desconhecido, usa-se a distribuição t de Student e substitui-se σ pelo desvio amostral s. Para proporções, a aproximação normal exige números esperados suficientes de sucessos e fracassos.

xˉ±z1α/2σn\bar{x}\pm z_{1-\alpha/2}\frac{\sigma}{\sqrt n}Intervalo para μ quando σ é conhecido.
xˉ±t1α/2,n1sn\bar{x}\pm t_{1-\alpha/2,n-1}\frac{s}{\sqrt n}Intervalo t para μ com σ desconhecido.
p^±z1α/2p^(1p^)n\hat p\pm z_{1-\alpha/2}\sqrt{\frac{\hat p(1-\hat p)}{n}}Intervalo aproximado para uma proporção.

Testes de hipóteses e tipos de erro

Um teste começa com uma hipótese nula H0H_{0} e uma alternativa H1H_{1}. A estatística de teste mede a incompatibilidade entre os dados e H0H_{0}. O valor-p é a probabilidade, supondo H0H_{0} verdadeira, de observar um resultado tão extremo quanto o obtido ou mais.

Rejeitar H0H_{0} quando ela é verdadeira produz erro tipo I, controlado pelo nível α. Não rejeitar H0H_{0} quando ela é falsa produz erro tipo II. Ausência de rejeição não prova que H0H_{0} é verdadeira.

  • Declare H0H_{0} e H1H_{1} antes de examinar o resultado.
  • Verifique independência e condições do modelo.
  • Compare valor-p com α.
  • Escreva a conclusão no contexto, sem afirmar certeza absoluta.
D
VOCABULÁRIO

Definições essenciais

Estimador

Regra baseada na amostra usada para estimar um parâmetro.

Erro padrão

Desvio padrão da distribuição amostral de uma estatística.

Intervalo de confiança

Faixa construída por um procedimento com frequência de cobertura declarada.

Valor-p

Probabilidade de dados tão extremos quanto os observados sob a hipótese nula.

T
RESULTADOS CENTRAIS

Teoremas e propriedades

Teorema Central do Limite

Sob condições regulares, a distribuição padronizada da média amostral aproxima-se da normal conforme n cresce.

Efeito do tamanho amostral

O erro padrão da média é proporcional a 1/n\sqrt{n}.

1
EXEMPLO RESOLVIDO

Intervalo de confiança para uma média

Uma amostra de 64 medições tem média 52 e o desvio populacional conhecido é 8. Construa um intervalo de 95% usando z*=1,96.

  1. O erro padrão é 8/64=18/\sqrt{64} = 1.
  2. A margem de erro é 1,961=1,961{,}96\cdot 1 = 1{,}96.
  3. Somamos e subtraímos 1,96 da média 52.
2
EXEMPLO RESOLVIDO

Interpretação de um valor-p

Em um teste com α=0,05\alpha =0{,}05, foi obtido valorp=0,018-p=0{,}018. Qual é a decisão estatística?

  1. Comparamos 0,018 com 0,05.
  2. Como o valor-p é menor que α, o resultado está na região de rejeição.
  3. A conclusão deve ser escrita em termos da hipótese alternativa e do contexto.
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10
CAPÍTULO 10

Correlação e regressão linear

Duas variáveis quantitativas podem variar em conjunto. Diagramas de dispersão, correlação e regressão descrevem associação linear, mas não transformam associação em causalidade.

VISUALIZAÇÃO DA PROPRIEDADE

Nuvem de pontos e reta ajustada

DIAGRAMA DE DISPERSÃOvariável explicativa xresposta yAJUSTE LINEAR
y^=b0+b1x\hat y=b_0+b_1x
ei=yiy^ie_i=y_i-\hat y_i
R2=r2R^2=r^2
associação não prova causalidade
A correlação resume direção e força da associação linear. A regressão escolhe a reta que minimiza a soma dos quadrados dos resíduos verticais.

Covariância e coeficiente de correlação

A covariância indica se desvios de X e Y tendem a ter o mesmo sinal ou sinais opostos. Como depende das unidades, sua magnitude não é diretamente comparável entre estudos.

A correlação padroniza a covariância e varia de -1 a 1. Valores próximos de ±1 indicam forte associação linear; valores próximos de 0 indicam pouca associação linear, mas ainda pode existir uma relação não linear.

sxy=i=1n(xixˉ)(yiyˉ)n1s_{xy}=\frac{\sum_{i=1}^{n}(x_i-\bar{x})(y_i-\bar{y})}{n-1}Covariância amostral.
r=sxysxsyr=\frac{s_{xy}}{s_xs_y}Coeficiente de correlação linear de Pearson.
1r1-1\leq r\leq1Limites do coeficiente de correlação.

Regressão linear simples e resíduos

A regressão simples modela a média de Y em função de X por uma reta ŷ=b0b_{0}+b1b_{1}x. A inclinação b1b_{1} representa a mudança prevista em Y para cada unidade adicional de X.

Resíduo é a diferença y-ŷ entre valor observado e valor previsto. O método dos mínimos quadrados escolhe os coeficientes que minimizam a soma dos quadrados dos resíduos.

y^=b0+b1x\hat y=b_0+b_1xReta de regressão estimada.
b1=rsysxeb0=yˉb1xˉb_1=r\frac{s_y}{s_x}\quad\text{e}\quad b_0=\bar y-b_1\bar xCoeficientes da regressão simples.
ei=yiy^ie_i=y_i-\hat y_iResíduo da observação i.

Determinação, previsão e limites

Em regressão simples com intercepto, R2=r2R^{2}=r^{2} representa a proporção da variabilidade de Y explicada linearmente por X no conjunto analisado. Um R2R^{2} alto não garante causalidade nem ausência de vieses.

Previsões dentro da faixa observada são interpolações. Extrapolar para valores distantes pode ser perigoso porque o padrão pode mudar. Resíduos devem ser examinados para identificar curvatura, heterogeneidade e observações influentes.

  • Comece pelo diagrama de dispersão.
  • Investigue valores atípicos e grupos ocultos.
  • Interprete inclinação com unidades.
  • Evite extrapolação excessiva.
  • Correlação não implica causalidade.
D
VOCABULÁRIO

Definições essenciais

Correlação

Medida padronizada da direção e força de uma associação linear.

Regressão

Modelo que estima a resposta média de uma variável a partir de outra.

Resíduo

Diferença entre o valor observado e o previsto pelo modelo.

Coeficiente de determinação

Proporção da variabilidade da resposta explicada pelo ajuste.

T
RESULTADOS CENTRAIS

Teoremas e propriedades

Limites da correlação

O coeficiente r sempre pertence ao intervalo [-1,1] e não muda com transformações lineares positivas de escala e origem.

Relação entre r e inclinação

Na regressão simples, b1=r(sγ/sx)b_{1}=r(sᵧ/sₓ); portanto, a inclinação e a correlação têm o mesmo sinal.

1
EXEMPLO RESOLVIDO

Ajuste de uma reta perfeita

Os pares (1,3), (2,5) e (3,7) descrevem horas de estudo x e pontuação adicional y. Determine a reta que passa pelos pontos.

  1. Quando x aumenta 1, y aumenta 2; portanto, a inclinação é 2.
  2. Usamos o ponto (1,3) em y=2x+by=2x+b.
  3. Obtemos 3=21+b3=2\cdot 1+b, logo b=1b=1.
2
EXEMPLO RESOLVIDO

Interpretação de correlação

Um estudo encontra r=0,82r=-0{,}82 entre tempo diário de tela e horas de sono. O que esse valor permite afirmar?

  1. O sinal negativo indica que valores maiores de uma variável tendem a acompanhar valores menores da outra.
  2. O módulo 0,82 indica associação linear forte no conjunto estudado.
  3. O desenho observacional não estabelece qual variável causa a outra.
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AGORA É SUA VEZ

Exercícios de Estatística e Probabilidade

Escolha um dos dez tópicos e pratique em uma seção separada, com correção automática e explicação detalhada.

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