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Matemática: Análise Combinatória e Probabilidade Vinícius Barbosa de Paiva Formação Inicial e Continuada + IFMG Vinícius Barbosa de Paiva Matemática: Análise Combinatória e Probabilidade 1ª Edição Belo Horizonte Instituto Federal de Minas Gerais 2021 FICHA CATALOGRÁFICA Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) P149m Paiva, Vinícius Barbosa de. Matemática : análise combinatória e probabilidade [recurso eletrônico] / Vinícius Barbosa de Paiva. – Belo Horizonte : Instituto Federal de Minas Gerais, 2021. 82 p. : il. color. E-book, no formato PDF. Material didático para Formação Inicial e Continuada. ISBN 978-65-5876-093-1 1. Análise combinatória. 2. Probabilidades. 3. Matemática. I. Título. CDD 519.2 Catalogação: Andreia Cristina Damasceno - CRB-6/1976 Índice para catálogo sistemático: Análise combinatória- 519.2 Pró-reitor de Extensão Diretor de Programas de Extensão Coordenação do curso Arte gráfica Diagramaçã978-65-5876-093-1o Carlos Bernardes Rosa Júnior Niltom Vieira Junior Vinícius Barbosa de Paiva Ângela Bacon Eduardo dos Santos Oliveira © 2021 by Instituto Federal de Minas Gerais Todos os direitos autorais reservados. Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida ou transmitida de qualquer modo ou por qualquer outro meio, eletrônico ou mecânico. Incluindo fotocópia, gravação ou qualquer outro tipo de sistema de armazenamento e transmissão de informação, sem prévia autorização por escrito do Instituto Federal de Minas Gerais. 2021 Direitos exclusivos cedidos ao Instituto Federal de Minas Gerais Avenida Mário Werneck, 2590, CEP: 30575-180, Buritis, Belo Horizonte – MG, Telefone: (31) 2513-5157 Sobre o material Este curso é autoexplicativo e não possui tutoria. O material didático, incluindo suas videoaulas, foi projetado para que você consiga evoluir de forma autônoma e suficiente. Caso opte por imprimir este e-book, você não perderá a possiblidade de acessar os materiais multimídia e complementares. Os links podem ser acessados usando o seu celular, por meio do glossário de Códigos QR disponível no fim deste livro. Embora o material passe por revisão, somos gratos em receber suas sugestões para possíveis correções (erros ortográficos, conceituais, links inativos etc.). A sua participação é muito importante para a nossa constante melhoria. Acesse, a qualquer momento, o Formulário “Sugestões para Correção do Material Didático” clicando nesse link ou acessando o QR Code a seguir: Para saber mais sobre a Plataforma +IFMG acesse https://mais.ifmg.edu.br Formulário de Sugestões http://forms.gle/b873EGYtkvK99Vaw7 https://mais.ifmg.edu.br/ Palavra do autor Prezado(a) estudante, seja bem-vindo ao curso de Formação Continuada “Matemática: Análise Combinatória e Probabilidade”. O estudo do conteúdo de Análise Combinatória e Probabilidade é abordado no Ensino Médio e, geralmente, tem sido um grande obstáculo por parte de estudantes que apresentam dificuldades em assimilar os assuntos e, consequentemente, na resolução de exercícios relacionados ao tema. O tema proposto no Curso em questão é de grande importância na formação dos estudantes e egressos do Ensino Médio e tem sido muito cobrado em concursos públicos, processos seletivos e no Exame Nacional do Ensino Médio (ENEM). Dividido em três módulos, este curso irá apresentar os assuntos de Análise Combinatória e Probabilidade de modo a contribuir com a consolidação do conteúdo proposto junto aos estudantes e egressos do Ensino Médio. É muito importante que você tenha disciplina e assista aos vídeos com muita atenção realizando as atividades propostas. A sugestão de estudos indica a realização do Curso em três semanas, considerando que a cada etapa é preciso dar um prazo para a reflexão e amadurecimento das informações que lhe serão apresentadas. Bons estudos! O autor. Apresentação do curso Este curso está dividido em três semanas, cujos objetivos de cada uma são apresentados, sucintamente, a seguir. SEMANA 1 Nesta semana, estudaremos os assuntos de análise combinatória: princípio fundamental da contagem, fatorial de um número natural, permutação simples e arranjo simples. SEMANA 2 Nesta semana, vamos abordar os assuntos: combinação simples, permutação com elementos repetidos e iniciaremos o estudo da probabilidade com os assuntos: espaço amostral, eventos, probabilidade e suas propriedades. SEMANA 3 Nesta semana, vamos abordar os assuntos: probabilidade da união de dois eventos, probabilidade condicional e probabilidade de eventos independentes. Carga horária: 30 horas. Estudo proposto: 2h por dia em cinco dias por semana (10 horas semanais). Apresentação dos Ícones Os ícones são elementos gráficos para facilitar os estudos, fique atento quando eles aparecem no texto. Veja aqui o seu significado: Atenção: indica pontos de maior importância no texto. Dica do professor: novas informações ou curiosidades relacionadas ao tema em estudo. Atividade: sugestão de tarefas e atividades para o desenvolvimento da aprendizagem. Mídia digital: sugestão de recursos audiovisuais para enriquecer a aprendizagem. Sumário Semana 1 – Análise Combinatória ................................................................ 15 1.1. Princípio fundamental da contagem ................................................... 15 1.2. Fatorial de um número natural ........................................................... 27 1.3. Permutação simples ........................................................................... 28 1.4. Arranjo simples .................................................................................. 35 Semana 2 – Análise Combinatória e Probabilidade ....................................... 41 2.1 Combinação ....................................................................................... 41 2.2 Permutação com elementos repetidos ............................................... 47 2.3 Espaço amostral e eventos ................................................................ 52 2.4 Probabilidade e propriedades ............................................................. 55 Semana 3 – Probabilidade ............................................................................ 61 3.1 Probabilidade da união de dois eventos ............................................. 61 3.2 Probabilidade condicional .................................................................. 63 3.3 Probabilidade de eventos independentes ........................................... 66 Referências ................................................................................................... 75 Currículo do autor .......................................................................................... 77 Glossário de códigos QR (Quick Response) ................................................. 78 file:///C:/Users/Niltom/Downloads/(E-book%20+IFMG)%20-%20Matemática%20Analise%20Combinatória%20e%20Probabilidade%20-%20versão%20final%20(1).docx%23_Toc76477728 file:///C:/Users/Niltom/Downloads/(E-book%20+IFMG)%20-%20Matemática%20Analise%20Combinatória%20e%20Probabilidade%20-%20versão%20final%20(1).docx%23_Toc76477733 file:///C:/Users/Niltom/Downloads/(E-book%20+IFMG)%20-%20Matemática%20Analise%20Combinatória%20e%20Probabilidade%20-%20versão%20final%20(1).docx%23_Toc76477740Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 15 Mídia digital: Antes de iniciar os estudos, vá até a sala virtual e assista ao vídeo “Apresentação do curso”. 1.1. Princípio fundamental da contagem Dispondo-se de três cores distintas é possível colorir o mapa do Brasil, figura 1, de modo que as regiões com uma fronteira em comum sejam coloridas de cores diferentes? Caso seja possível, qual é total de possibilidades? Figura 1. Mapa do Brasil. Fonte: http://asnovidades.com.br/mapas-dos-estados-do-brasil-para-pintar/. Acesso em 17/07/2020. Responderemos a essas perguntas no decorrer de nossos estudos. A análise combinatória é uma técnica de contagem que determina a quantidade total de possibilidades de um acontecimento, sem que haja necessidade de descrevermos todas as suas possibilidades. Objetivos Nesta semana, estudaremos as algumas técnicas de contagem e você vai compreender a utilização dessas técnicas para a resolução de problemas. Semana 1 – Análise Combinatória http://asnovidades.com.br/mapas-dos-estados-do-brasil-para-pintar/ Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 16 Dica do Professor: Sempre que for realizar a resolução dos exercícios procure se colocar na situação e, se possível, faça um desenho/ilustração da situação/problema. Mídia digital: Vá até a sala virtual e assista ao vídeo “Princípio fundamental da contagem”. Considere a seguinte situação: Pedro deseja chegar à cidade 𝐶3 partindo da cidade 𝐶1 passando, obrigatoriamente, pela cidade 𝐶2. Sabe-se que existem 2 estradas que ligam as cidades 𝐶1 à 𝐶2 e, 3 estradas, que ligam as cidades 𝐶2 à 𝐶3. De quantas maneiras distintas Pedro poderá realizar seu trajeto chegando ao seu destino final? De acordo com as informações da situação problema podemos representar a ilustração abaixo nomeando as estradas. Pedro, que está no seu local de partida, 𝐶1, deverá tomar uma decisão para se chegar a 𝐶2: escolher viajar pela estrada 𝑎 ou pela estrada 𝑏, uma vez que não é possível viajar pelas duas estradas ao mesmo tempo. Tomada a decisão e chegado à 𝐶2 deverá escolher, novamente, uma das opções para se chegar à 𝐶3, ou seja, viajar pela estrada 𝑐, 𝑑 ou 𝑒. Portanto, através de um quadro, podemos descrever todas as possibilidades de trajetos possíveis para que Pedro chegue ao seu destino. São eles: 𝑒 𝑪𝟏 𝑪𝟐 𝑪𝟑 𝑎 𝑏 𝑐 𝑑 Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 17 1ª escolha: 𝐶1 à 𝐶2 2ª escolha: 𝐶2 à 𝐶3 𝑎 𝑐 𝑑 𝑒 ou 𝑏 𝑐 𝑑 𝑒 Quadro 1. Total de possibilidades e possíveis trajetos para Pedro. Fonte: Arquivo próprio. Portanto, existem 6 trajetos distintos: 𝑎𝑐, 𝑎𝑑, 𝑎𝑒, 𝑏𝑐, 𝑏𝑑 ou 𝑏𝑒. Atenção: É fundamental que você entenda que da cidade 𝐶1 à 𝐶2, existem duas opções para Pedro, no entanto ele deverá optar por apenas uma delas. Realizada essa escolha surge uma nova dúvida: Qual estrada usar para se deslocar da cidade 𝐶2 à 𝐶3. Assim, após essas duas sucessivas escolhas e através do quadro 1 que descreve todas as possibilidades, vemos que Pedro tem seis opções de chegar à cidade 𝐶3 partindo da cidade 𝐶1 passando, obrigatoriamente, pela cidade 𝐶2. Esse resultado é justamente o produto do número de opções para a 1ª escolha pelo número de opções para a 2ª escolha. Portanto 2×3 = 6 Podemos, também, ter o seguinte raciocínio. Pedro deverá fazer uma escolha para percorrer da 𝐶1 à 𝐶2 e uma outra escolha para percorrer da 𝐶2 à 𝐶3: 1ª escolha 𝐶1 à 𝐶2 e 2ª escolha 𝐶2 à 𝐶3 _______ e _______ Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 18 1ª escolha e 2ª escolha 2º) Número de possibilidades 2 e 3 = 6 possibilidades 1º) Quais as possibilidades? 𝑎 ou 𝑏 𝑐 ou 𝑑 ou 𝑒 Dica do Professor: Leia os exercícios com muita atenção procurando sempre pelos conectivos: • e = usamos multiplicação; • ou = usamos adição. Princípio Fundamental da Contagem ou Princípio Multiplicativo Se uma decisão 𝐃𝟏 pode ser tomada de 𝒎 maneiras e se, uma vez tomada a decisão 𝐃𝟏, a decisão 𝐃𝟐 puder ser tomada de 𝒏 maneiras então o número de maneiras de se tomarem as decisões 𝐃𝟏 e 𝐃𝟐, sucessivamente, é 𝒎.𝒏 Atenção: Esse princípio multiplicativo pode ser estendido para três ou mais decisões independentes. Atenção: Cuidado com o termo distinto/diferente. Considere a situação: Criar senhas formadas de 4 dígitos do sistema decimal de numeração (0, 1, … ,9): • Senhas distintas de 4 dígitos: pode ocorrer repetição de dígitos, mas as senhas são distintas. Ex: 0721 ≠ 1271 ≠ 2222 ≠ 3346 ≠ 7799 ≠ ⋯ • Senhas de 4 dígitos distintos: não podem ocorrer repetição de dígitos na senha. Ex: 3721 ≠ 1237 ≠ 2579 ≠ 3846 ≠ 0739 ≠ ⋯ Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 19 Dica do Professor: O estudo dos números de possibilidades deve começar sempre pelas etapas em que há restrição, dando-se preferência para aquelas onde a restrição é maior. Mídia digital: Vá até a sala virtual e assista aos vídeos com a resolução de exemplos do “Princípio fundamental da contagem”. Exemplo: Uma moeda é lançada três vezes sucessivamente. Quais são as sequências possíveis de faces obtidas nesses lançamentos? Uma vez que a moeda será lançada três vezes, teremos, respectivamente, um resultado para cada lançamento realizado, ou seja: (1º Resultado, 2º Resultado e 3º Resultado) Perceba que foi identificado o conectivo “e” que será associado ao princípio multiplicativo. O resultado obtido no 1º lançamento, por exemplo cara, não vai interferir nos próximos lançamentos. Portanto, teremos: 1º Lançamento, 2º Lançamento e 3º Lançamento ___ ___ e ___ 1º) Quais as possibilidades? Cara ou Coroa Cara ou Coroa Cara ou Coroa Preenchido as possibilidades de cada resultado, em seguida conseguimos identificar o número que representa esse total de possibilidade: 1º Lançamento, 2º Lançamento e 3º Lançamento 2º) Número de possibilidades 2 2 e 2 Cara ou Coroa Cara ou Coroa Cara ou Coroa Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 20 Através do Princípio Fundamental da Contagem ou Princípio Multiplicativo, temos que o total de possíveis resultados é dado por: 2x2x2=8 possíveis sequências de resultados. São elas: C = cara e K = Coroa. (C,C,C), (C,C,K), (C,K,C), (K,C,C), (C,K,K), (K,C,K), (K,K,C), (K,K,K) Exemplo: Uma prova é composta por 10 questões de múltipla escolha com 4 alternativas (a, b, c, d) em cada questão. De quantas maneiras distintas podem ser respondidas todas as questões dessa prova? Uma vez que a prova possui 10 questões com 4 alternativas cada uma, teremos que tomar uma decisão para cada uma das 10 questões, ou seja: (1ª Questão, 2ª Questão, ... , 9ª Questão e 10ª Questão) Novamente foi identificado o conectivo “e” que será associado ao princípio multiplicativo. Ao responder a 1ª Questão a escolha não vai interferir para as respostas das outras Questões restantes. Portanto, teremos: 1ª Questão 2ª Questão ... 9ª Questão e 10ª Questão ___ ___ ... ___ e ___ 1º) Quais as possibilidades? a ou b ou c ou d a ou b ou c ou d a ou b ou c ou d a ou b ou c ou d Preenchido as possibilidades de cada resultado, em seguida conseguimos identificar o número que representa esse total de possibilidade: Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 21 1ª Questão 2ª Questão ... 9ª Questão e 10ª Questão2º) Número de possibilidades 4 4 ... 4 e 4 a ou b ou c ou d a ou b ou c ou d a ou b ou c ou d a ou b ou c ou d Através do Princípio Fundamental da Contagem ou Princípio Multiplicativo, temos que o total de possíveis resultados distintos para se responder as 10 questões da prova é dado por: 4 × 4 ×⋯× 4 ×⏟ = 410 10 𝑞𝑢𝑒𝑠𝑡õ𝑒𝑠 Exemplo: (Uneb-BA) Uma senhora idosa foi retirar um dinheiro em um caixa automático, mas se esqueceu da senha. Lembrava que não havia o algarismo 0, que o primeiro algarismo era 8, o segundo era par, o terceiro era menor que cinco e o quarto e último era ímpar. Qual o maior número de tentativas que ela pode fazer, no intuito de acertar a senha? (Considere que o banco não bloqueie as diversas tentativas.) a) 13 b) 60 c) 75 d) 78 e) 80 Para conseguir retirar/sacar o dinheiro do caixa automático é necessário que a Senhora acerte todos os dígitos da senha na sequência correta, ou seja: 1º dígito, 2º dígito, 3º dígito “e” 4 dígito. A base do sistema decimal de numeração é formada pelos números (0, 1, 2, 3, ..., 9). Uma vez que o exercício informou que a senha não existe o número 0 (zero) vamos considerar apenas os números: (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9). Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 22 1º dígito 2º dígito 3º dígito e 4º dígito _____ _____ _____ e _____ 1º) Quais as possibilidades? É o número 8 É par: 2, 4, 6 ou 8 Menor que 5: 4, 3, 2 ou 1 É ímpar: 1, 3, 5, 7, 9 Preenchido as possibilidades de cada resultado, em seguida conseguimos identificar o número que representa esse total de possibilidade: Através do Princípio Fundamental da Contagem ou Princípio Multiplicativo, temos que o total de possibilidades distintas para que a Senhora tente acertar a senha do caixa automático é: 1x4x4x5 = 80 possibilidades. Opção letra E. Exemplo: (ENEM-2004) No Nordeste brasileiro, é comum encontrarmos peças de artesanato constituídas por garrafas preenchidas com areia de diferentes cores, formando desenhos. Um artesão deseja fazer peças com areia de cores cinza, azul, verde e amarela, mantendo o mesmo desenho, mas variando as cores da paisagem (casa, palmeira e fundo), conforme a figura. O fundo pode ser representado nas cores azul ou cinza; a casa, nas cores azul, verde ou amarela; e a palmeira, nas cores cinza ou verde. Se o fundo não pode ter a mesma cor nem da casa nem da palmeira, por uma questão de contraste, então o número de variações que podem ser obtidas para a paisagem é: a) 6 b) 7 c) 8 d) 9 e) 10 1º dígito 2º dígito 3º dígito e 4º dígito 2º) Número de possibilidades e É o número 8 É par: 2, 4, 6 ou 8 Menor que 5: 4, 3, 2 ou 1 É ímpar: 1, 3, 5, 7, 9 1 4 4 5 Existe apenas 1 número 8 na base decimal Existem 4 possibili- dades. Existem 4 possibili- dades. Existem 5 possibili- dades. Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 23 Teremos que pintar: Casa, Palmeira “e” Fundo. Perceba que o exercício traz uma restrição: “o fundo da garrafa não pode ter a mesma cor nem da casa nem da palmeira, por uma questão de contraste”. Portanto, começaremos nossa análise pelo fundo da garrafa! Seguiremos a seguinte ordem de análise: Casa Palmeira Fundo 2º 3º 1º Uma vez que existe a possibilidade da casa e da palmeira assumirem a mesma cor do fundo, vamos dividir o exercício em duas situações: • 1ª situação: Assumiremos que o fundo será pintado na cor Azul, ou: • 2ª situação: Assumiremos que o fundo será pintado na cor Cinza; 1ª situação “ou” 2ª situação Casa, Palmeira “e” Fundo “ou” Casa, Palmeira “e” Fundo + Azul verde ou Amarelo Cinza ou Verde Azul ou verde ou Amarelo Cinza Verde Através do Princípio Fundamental da Contagem ou Princípio Multiplicativo, temos que o total de possibilidades distintas para que o artesão execute sua tarefa é dado por: (2x2x1) + (3x1x1) = 7 possibilidades. Opção letra B. Azul Cinza 2 2 1 3 1 1 Casa e Palmeira não podem ser azul! Portanto temos que excluir a cor azul da casa, sobrando, assim, 2 cores: verde ou amarelo. Casa e Palmeira não podem ser cinza! Portanto temos que excluir a cor cinza da palmeira, sobrando, assim, 1 cor: verde. Existe restrição! Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 24 Exemplo: Considerando os algarismos do sistema decimal de numeração (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9), quantos são os números pares com três algarismos distintos que podemos formar? Queremos formar números pares compostos de três algarismos distintos, ou seja, os números deverão ter: centena, dezena e unidade. Portanto temos que garantir que ocorram as exigências: ser par e ter 3 algarismos distintos. Perceba que os nossos números não poderão iniciar pelo algarismo zero, pois nesse caso estaríamos formando números de dois algarismos por exemplo: 016, 072, 054, 078 e etc. Nesse caso temos que ficar atentos ao preencher as casas da unidade (definirá se o número é par) e centena (não pode iniciar pelo algarismo zero). Diante desse fato vamos separar o nosso exercício em duas situações: • 1ª situação: terminar pelo algarismo zero; • 2ª situação: terminar em 2, 4, 6 ou 8. Aqui temos que ficar atentos para o caso em que a centena será diferente de zero. Vamos analisar cada situação na seguinte ordem de prioridade: unidade, centena e dezena. 1ª situação “ou” 2ª situação Centena, Dezena “e” Unidade “ou” Centena, Dezena “e” Unidade + 2º) Uma vez que estamos garantindo que o número está terminando por zero e estamos trabalhando com algarismos distintos não existe a possibilidade de iniciar por zero. Portanto temos as opções: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9. Dessas 9 opções vamos escolher um 3º) Aqui não poderá aparecer nem o 0 (zero) nem o 7 (sete) utilizados, respectivamente, nas casas da unidade e centena. Portanto temos 8 opções: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8 e 9 1º) Terminar por 0. 2º) Aqui não poderemos iniciar por 0 (zero) pois ao invés de termos 3 algaristmos teríamos apenas 2 algarismos. Aqui também não poderá aparecer o número 2 que foi utilizado na casa da unidade. Temos as opções: 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9. Dessas 8 opções vamos 3º) Aqui não poderá aparecer nem o 2 (dois) nem o 5 (cinco) utilizados, respectivamente, nas casas da unidade e centena. Mas agora poderá aparecer, além dos outros números, o ) (zero). Portanto temos 8 opções: 0, 1, 3, 4, 6, 7, 8 e 9. 1º) Terminar por 2, 4, 6 ou 8. Dessas 4 opções, vamos escolher uma, por exemplo, o número 2. 9 8 1 8 8 4 Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 25 número, por exemplo: 7. Ao preenchermos a casa das dezenas temos que levar em consideração os números escolhidos para a unidade e centena. escolher um número, por exemplo: 5. Ao preenchermos a casa das dezenas temos que levar em consideração os números escolhidos para a unidade e centena. Quadro 2. Comentários sobre a resolução do exemplo. Fonte: Arquivo próprio. Através do Princípio Fundamental da Contagem ou Princípio Multiplicativo, temos que o total de números pares formados por 3 algarismo distintos será: (9x8x1) + (8x8x4) = 328. Agora vamos responder às perguntas realizadas no início de nosso estudo sobre análise combinatória! Exemplo: Dispondo-se de três cores distintas é possível colorir o mapa do Brasil, figura 1, de modo que asregiões com uma fronteira em comum sejam coloridas de cores diferentes? Caso seja possível, qual é total de possibilidades? Figura 2. Mapa do Brasil. Fonte: http://asnovidades.com.br/mapas-dos-estados-do-brasil-para-pintar/. Acesso em 17/07/2020. http://asnovidades.com.br/mapas-dos-estados-do-brasil-para-pintar/ Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 26 Ao colorirmos o Mapa do Brasil devemos respeitar o fato de que regiões com fronteiras em comum não tenham as mesmas cores. Portanto, para uma melhor organização do raciocínio, vamos iniciar colorindo nosso Mapa da região Norte para a região Sul. Portanto teremos que colorir na seguinte ordem: 1º Norte, 2º Nordeste, 3º Centro- Oeste, 4º Sudeste “e” 5º Sul. Considere três cores: azul, verde e rosa. Colorida uma região, ao colorirmos a seguinte, temos que verificar as fronteiras. 1º Norte 2º Nordeste 3º Centro- Oeste 4º Sudeste 5º Sul 1º) possibilidades de colorir. azul ou verde ou rosa azul ou rosa azul verde rosa Comentário: Existem 3 possibilidades para se colorir a primeira região. Vamos supor que escolhemos a cor verde. Nordeste não pode ser colorida de verde pois faz fronteira com Norte. Sobram duas opções. Vamos supor que escolhemos a cor rosa. Centro- Oeste faz fronteira com Norte e Nordeste. Portanto não pode ser colorida com as cores: verde e rosa. Sobra apenas uma opção: a cor azul. Sudeste faz fronteira com Nordeste e Centro-Oeste que foram coloridas, respectivamente, nas cores rosa e azul. Mas perceba que Sudeste não faz fronteira com Norte. Portanto pode assumir a cor verde! De forma análoga, Sul faz fronteira com Centro-Oeste e Sudeste que foram coloridas, respectivamente, nas cores azul e verde. Mas Sul não faz fronteira com Nordeste. Portanto pode assumir a cor rosa! Quadro 3. Comentários sobre a resolução do exemplo. Fonte: Arquivo próprio. Através do Princípio Fundamental da Contagem, verificamos que é possível colorir o Mapa do Brasil utilizando três cores distintas, de modo que regiões com fronteira em comum tenham cores diferentes. O total de possibilidades de Mapas coloridos de formas distintas é dado por: 3x2x1x1x1 = 6 possibilidades. 3 2 1 1 1 Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 27 1.2. Fatorial de um número natural Mídia digital: Vá até a sala virtual e assista ao vídeo “Fatorial de um número natural”. Em problemas que envolvem a Análise Combinatória é comum aparecerem produtos de sequências de números naturais consecutivos, por exemplo: a) 3 × 2 × 1 = 6 b) 4 × 3 × 2 × 1 = 24 c) 5 × 4 × 3 × 2 × 1 = 120 Esses produtos são chamados fatoriais. Definição: Seja 𝒏 um número natural. Indicamos o fatorial de 𝒏 por 𝒏! “Lê-se 𝑛! : 𝑛 fatorial” • Se 𝑛 = 0, então 0! = 1 • Se 𝑛 = 1, então 1! = 1 • Se 𝑛 ≥ 2, então 𝑛! = 𝑛. (𝑛 − 1). (𝑛 − 2). ⋯ .3.2.1 Portanto, fatorial de 𝑛 representa o produto dos 𝑛 primeiros números naturais positivos escritos de 𝑛 até 1. Dica do Professor: Com o fatorial não podemos realizar as operações básicas: adição, subtração, multiplicação e divisão. Podemos apenas simplificar fatoriais idênticos. Exemplo: Resolva os fatoriais abaixo: a) 2! = 2 × 1 = 2 b) 3! = 3 × 2 × 1 = 6 c) 4! = 4 × 3 × 2 × 1 = 24 d) 5! = 5 × 4 × 3 × 2 × 1 = 120 e) 6! = 6 × 5 × 4 × 3 × 2 × 1 = 720 f) 8! + 6! = 8 × 7 × 6! + 6! = 6! (8 × 7 + 1) = 57 × 6! = 57 × 720 = 41.040 g) 4! 6! − 3! 4! = 4! 6×5×4! − 3! 4×3! = 1 30 − 1 4 = 2−15 60 = − 13 60 Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 28 h) 10! 7!.3! = 10×9×8×7! 7!3×2×1 = 720 6 = 120 i) (𝑛+3)! (𝑛+1)! = (𝑛+3)×(𝑛+2)×(𝑛+1)! (𝑛+1)! = (𝑛 + 3). (𝑛 + 2) 1.3. Permutação simples Mídia digital: Vá até a sala virtual e assista ao vídeo “Permutação simples”. De quantas maneiras distintas podemos organizar na parede da sala os três quadros da figura abaixo? Figura 3. Quadros expostos na parede de uma sala. Fonte: http://img.elo7.com.br/product/main/2E97DE4/kit-conjunto-3-quadros-romero-floral-sala-mais-barato- britto-quadro-para-quarto.jpg. Acesso em: 26 jul 2020. Observe que teremos que organizar os três quadros em, exatamente, três posições: 1ª posição, 2ª posição e 3ª posição. http://img.elo7.com.br/product/main/2E97DE4/kit-conjunto-3-quadros-romero-floral-sala-mais-barato-britto-quadro-para-quarto.jpg http://img.elo7.com.br/product/main/2E97DE4/kit-conjunto-3-quadros-romero-floral-sala-mais-barato-britto-quadro-para-quarto.jpg Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 29 Portanto, temos que pensar em todas as formas de “embaralhar” os quadros da figura, ou seja, formar novos agrupamentos distintos utilizando-se os três quadros: 𝑄1, 𝑄2 e 𝑄3. De acordo com o problema podemos dispor os quadros em cada uma das três posições, portanto podemos escrever que: 1ª posição 2ª posição 3ª posição 3 2 1 𝑄1 ou 𝑄2 ou 𝑄3 𝑄1 ou 𝑄3 𝑄3 Para a 1ª posição temos 3 possibilidades, escolhido um quadro, sobram 2 possibilidades para a 2ª posição e, novamente escolhido um quadro, em seguida sobra 1 possibilidade para a 3ª posição. Através do Princípio Fundamental da Contagem, verificamos que o total de possibilidades distintas de dispormos os três quadros na parede da sala é dado por: 3x2x1 = 6 possibilidades. 𝑄1 𝑄2 𝑄3 𝑄1 𝑄2 𝑄3 𝑄1 𝑄3 𝑄2 𝑄2 𝑄1 𝑄3 𝑄2 𝑄3 𝑄1 𝑄3 𝑄2 𝑄1 𝑄3 𝑄1 𝑄2 Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 30 Definição: Considere 𝒏 elementos distintos de um conjunto: {𝑎1, 𝑎2, 𝑎3, … , 𝑎𝑛} Chama-se permutação simples todo agrupamento ordenado formado por esses 𝒏 elementos. Posição 1 Posição 2 Posição 3 ⋯ Posição n 𝑛 𝑛 − 1 𝑛 − 2 ⋯ 1 Pelo princípio fundamental da contagem, temos que o número de grupos é igual a: 𝑃𝑛 = 𝑛. (𝑛 − 1). (𝑛 − 2).⋯ .1 𝑃𝑛 = 𝑛! Atenção: Em Permutação Simples, a palavra simples significa que em cada agrupamento formado não haverá repetição de elementos. Usamos permutação quando quisermos embaralhar os elementos, ou seja, colocar os elementos em fila sempre utilizando todos os elementos. Definição: Anagrama é um processo no qual permutamos/embaralhamos a ordem das letras de uma determinada palavra obtendo-se assim uma nova palavra que tenha sentido ou não. A própria palavra é considerada um anagrama. Mídia digital: Vá até a sala virtual e assista aos vídeos com a resolução de exemplos de “Permutação simples”. Exemplo: Considere a sigla IFMG. a) Quantos anagramas podemos formar? b) Quantos anagramas iniciam pela letra F? c) Quantos anagramas iniciam por consoante? d) Quantos anagramas iniciam e terminam por consoante? Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 31 Queremos obter anagramas com a sigla IFMG, ou seja, vamos “embaralhar” as 4 letras da sigla de modo a formar outras siglas que também vão possuir as mesmas 4 letras, respeitando as exigências estabelecidas. Perceba que a sigla IFMG não possui letras repetidas. a) As letras I, F, M e G devem ser dispostas em 4 posições de modo que podemos obter, por exemplo: IFMG, IFGM, IGFM, IGMF, ... Como não há exigências vamos preencher da 1ª posição até a 4ª posição. 1ª posição 2ª posição 3ª posição 4ª posição 4 3 2 1 Portanto, com a sigla IFMG temos: 𝑃𝑛 = 𝑛! ⇒ 𝑃4 = 4! ⇒ 𝑃4 = 4 × 3 × 2 × 1 ⇒ 𝑃4 = 24 anagramas. b) Quantos anagramasiniciam pela letra F? Perceba que agora existe a exigência de que os anagramas iniciem pela letra F, ou seja, devemos dispor as letras de modo a obtermos anagramas que iniciam pela letra F, por exemplo: FIMG, FIGM, FGIM, FGMI, ... Vamos preencher a 1ª posição uma vez que existe exigência de iniciar por F e em seguida preencheremos as demais posições. Temos 4 possibilidades para a 1ª posição: I, F, M ou G. Vamos supor que escolhemos a letra M para a 1ª posição. Diante disso a letra M não poderá mais aparecer nas demais posições. Temos 3 possibilidades para a 2ª posição: I, F ou G. Vamos supor que escolhemos a letra G para a 2ª posição. Diante disso a letra G não poderá mais aparecer nas demais posições. Temos 2 possibilidades para a 3ª posição: I ou F. Vamos supor que escolhemos a letra I para a 3ª posição. Diante disso a letra I também não poderá mais aparecer. Temos apenas uma possibilidade para a 4ª posição: F. Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 32 1ª posição 2ª posição 3ª posição 4ª posição 1 3 2 1 Portanto, com a sigla IFMG temos: 𝑃𝑛 = 𝑛! 1 × 𝑃3 = 1 × 3! 1 × 𝑃3 = 1 × 3 × 2 × 1 6 anagramas que iniciam pela letra F. Vimos que na letra (a) obtemos um total de 24 anagramas com as letras I, F, M e G. Se dividirmos os 24 anagramas por 4 letras obtemos 6 anagramas que iniciam por cada uma das letras respectivas letras I, F, M e G. c) Quantos anagramas iniciam por consoante? Perceba que agora existe a exigência de que os anagramas iniciem por consoantes: F, M ou G. Vamos preencher a 1ª posição uma vez que existe exigência de iniciar por uma das consoantes. Deve iniciar pela letra F. Diante disso a letra F não poderá mais aparecer nas demais posições. Temos 3 possibilidades para a 2ª posição: I, M ou G. Vamos supor que escolhemos a letra G para a 2ª posição. Diante disso a letra G não poderá mais aparecer nas demais posições. Temos 2 possibilidades para a 3ª posição: I ou M. Vamos supor que escolhemos a letra I para a 3ª posição. Diante disso a letra I também não poderá mais aparecer. Temos apenas uma possibilidade para a 4ª posição: M. Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 33 1ª posição 2ª posição 3ª posição 4ª posição 3 3 2 1 Portanto, com a sigla IFMG temos: 𝑃𝑛 = 𝑛! 3 × 𝑃3 = 3 × 3! 3 × 𝑃3 = 3 × 3 × 2 × 1 18 anagramas que iniciam por consoante. Vimos que na letra (c) obtemos um total de 6 anagramas que iniciam pela consoante F. Uma vez que temos um total de 3 consoantes (F, G e M) basta multiplicarmos 3 (total de consoantes) por 6 (total de anagramas que iniciam por cada consoante) obtendo, assim, 18 anagramas que iniciam por consoante. d) Quantos anagramas iniciam e terminam por consoante? Perceba que agora existem as exigências de que os anagramas iniciem e terminem por uma das consoantes: F, M ou G. Uma vez que o anagrama iniciar por uma consoante ele não poderá terminar com a mesma consoante. Deve iniciar por uma das letras: F, M ou G. Portanto temos 3 opções. Escolhida uma delas para a primeira posição, por exemplo F, irão sobrar para serem embaralhadas para as 3 seguintes posições as 3 letras (G, M ou I). Temos 3 possibilidades para a 2ª posição: G, M ou I. Vamos supor que escolhemos a letra I para a 2ª posição. Diante disso a letra I não poderá mais aparecer nas demais posições. Temos 2 possibilidades para a 3ª posição: G ou M. Vamos supor que escolhemos a letra G para a 3ª posição. Diante disso a letra G também não poderá mais aparecer. Temos apenas uma possibilidade para a 4ª posição: M. Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 34 Portanto vamos preencher a 1ª posição e a 4ª posição que trazem exigências e, em seguida, as 2ª e 3ª posições. 1ª posição 2ª posição 3ª posição 4ª posição 3 2 1 2 Portanto, com a sigla IFMG temos: 𝑃𝑛 = 𝑛! 3 × 𝑃2 × 2 = 3 × 2! × 2 3 × 𝑃2 × 2 = 3 × 2 × 1 × 2 12 anagramas que iniciam por consoante. Exemplo: Na figura abaixo, da esquerda para a direita, temos os personagens da “Turma da Mônica”: Cebolinha, Magali, Mônica, Cascão e Chico Bento, distribuídos na 1ª, 2ª, 3ª, 4ª e 5ª posição, respectivamente. Figura 4. Personagens Turma da Mônica. Fonte: http://mega.ibxk.com.br///2016/08/11/11165840492432.jpg?w=1200&h=480&mode=crop. Acesso: 26 jul 2020. Deve iniciar por uma das letras: F, M ou G. Portanto temos 3 opções. Escolhida uma delas para a 1ª posição, por exemplo F, irão sobrar para a 4ª posição 2 letras (G ou M). Temos 2 possibilidades para a 2ª posição: M ou I. Vamos supor que escolhemos a letra I para a 2ª posição. Temos 1 possibilidades para a 3ª posição: M. Uma vez que decidimos que iniciaremos com a letra F, restaram as 2 letras G ou M para a última posição. Vamos supor que escolhemos a letra G. Agora temos que embaralhar as letras M e I nas duas posições restantes. http://mega.ibxk.com.br/2016/08/11/11165840492432.jpg?w=1200&h=480&mode= https://mega.ibxk.com.br/2016/08/11/11165840492432.jpg?w=1200&h=480&mode=crop Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 35 a) De quantas maneiras podemos dispor os personagens de modo que venhamos obter figuras distintas? b) Quantas figuras teremos com as personagens Magali e Mônica lado a lado? a) Queremos permutar/embaralhar os cinco personagens de modo a obter novas possibilidades de imagens que contenham os cinco personagens. 𝑃𝑛 = 𝑛! 𝑃5 = 5 × 4 × 3 × 2 × 1 Podemos obter 120 figuras distintas. b) Aqui temos uma exigência de mantermos Magali e Mônica lado a lado ao procedermos o embaralhamento dos personagens. Para isso vamos colocar Magali e Mônica em uma “caixa” de modo que ao procedermos o embaralhamento temos a garantia de que as duas continuem lado a lado. Magali e Mônica , Cascão, Cebolinha e Chico Bento. Com esse procedimento passamos a ter “4 personagens”: caixa, Cascão, Cebolinha e Chico Bento. Agora, perceba que, uma vez que Magali e Mônica devem estar lado a lado podemos ter duas possibilidades: Magali e Mônica ou Mônica e Magali. Logo, termos que embaralhar os 4 personagens “e” a Caixa (Magali e Mônica). 𝑃𝑛 × 𝑃𝑛 𝑃4 × 𝑃2 𝑃4 × 𝑃2 = 4! × 2! 𝑃4 × 𝑃2 = 4 × 3 × 2 × 1 × 2 × 1 São possíveis 48 novas figuras com os 5 personagens de modo que Magali e Mônica fiquem juntas em qualquer ordem. 1.4. Arranjo simples Mídia digital: Vá até a sala virtual e assista ao vídeo “Arranjo simples”. Gustavo, Leandro, Paulo e Tiago se reuniram para a disputa de um torneio de Tênis de Mesa. Quais são os possíveis resultados desse torneio sabendo que haverá premiações para o Campeão e Vice-Campeão? Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 36 Figura 5. Partida de Tênis de Mesa. Fonte: http://www.coladaweb.com/wp-content/uploads/2018/03/20180322-tenis-mesa.jpg. Acesso em: 28 jul 2020. Observe que, dos quatro participantes, teremos que pensar em dois nomes para ocupar, exatamente, duas posições: Diante dessa situação temos o seguinte quadro de possibilidades: As 12 (doze) possibilidades distintas representam agrupamentos ordenados de 2 pessoas escolhidas de um total de 4 pessoas e são chamados Arranjo de quatro “elementos” tomados “dois a dois”. Indicamos por: 𝐴4,2 = 12 possibilidades. Podemos obter o resultado através do PrincípioFundamental da Contagem – PFC: CAMPEÃO “e” VICE-CAMPEÃO CAMPEÃO 1ª Posição 4 Gustavo Leandro Paulo Tiago VICE-CAMPEÃO 2ª Posição 3 Leandro Paulo Tiago Campeão Vice-campeão Gustavo Leandro Paulo Tiago Leandro Gustavo Paulo Tiago Paulo Gustavo Leandro Tiago Tiago Gustavo Leandro Paulo http://www.coladaweb.com/wp-content/uploads/2018/03/20180322-tenis-mesa.jpg Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 37 Pelo Princípio Fundamental da Contagem, temos: 4 × 3 = 12 possibilidades. Definição: Dado um conjunto com 𝑛 elementos distintos: {𝑎1, 𝑎2, 𝑎3, … , 𝑎𝑛}, chama-se Arranjo desses 𝑛 elementos, tomados 𝑘 a 𝑘 (com 𝑘 ≤ 𝑛), todo agrupamento ordenado de 𝑘 elementos distintos escolhidos dentre os 𝑛 elementos. Indicaremos o arranjo desses 𝑛 elementos tomados 𝑘 a 𝑘 por: 𝐴𝑛,𝑘 Escolhendo os 𝑘 elementos do total de 𝑛 elementos: 1ª escolha 2ª escolha 3ª escolha ⋯ 𝒌 escolha 𝑛 𝑛 − 1 𝑛 − 2 ⋯ 𝑛 − (𝑘 − 1) 𝐴𝑛,𝑘 = 𝑛. (𝑛 − 1). (𝑛 − 2) .⋯ . [𝑛 − (𝑘 − 1)] 𝐴𝑛,𝑘 = 𝑛. (𝑛 − 1). (𝑛 − 2) .⋯ . (𝑛 − 𝑘 + 1) 𝐴𝑛,𝑘 = 𝑛. (𝑛 − 1). (𝑛 − 2) .⋯ . (𝑛 − 𝑘 + 1). (𝑛 − 𝑘). (𝑛 − 𝑘 − 1) .⋯ .3.2.1 (𝑛 − 𝑘). (𝑛 − 𝑘 − 1) .⋯ .3.2.1 𝐴𝑛,𝑘 = 𝑛! (𝑛−𝑘)! , com 𝑘 ≤ 𝑛. Dica do Professor: Dado um conjunto com 𝑛 elementos distintos: {𝑎1, 𝑎2, 𝑎3, … , 𝑎𝑛}: • Formar grupos ordenados de elementos distintos com todos elementos do conjunto: Permutação; • Formar grupos ordenados de elementos distintos com alguns elementos do conjunto: Arranjo. A ordem que dispomos os elementos é importante! Mídia digital: Vá até a sala virtual e assista aos vídeos com a resolução de exemplos de “Arranjo simples”. Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 38 Exemplo: Gustavo, Leandro, Paulo e Tiago se reuniram para a disputa de um torneio de Tênis de Mesa. Quais são os possíveis resultados desse torneio sabendo que haverá premiações para o Campeão e Vice-Campeão? Temos 4 participantes disputando dois prêmios de Campeão e Vice-campeão. Portanto temos “4 elementos” para serem agrupados “2 a 2”. Para termos certeza de que vamos trabalhar com Arranjo verificaremos, agora, se a ordem que dispomos os elementos é importante! Escolha, aleatoriamente, dois elementos do conjunto dos 4 participantes do torneio, por exemplo: Gustavo e Leandro, e imagine as duas situações: Gustavo (campeão) e Leandro (vice) ≠ Leandro (campeão) e Gustavo (vice) Perceba que ao alterarmos a ordem da escrita dos nomes estamos formando uma nova possibilidade de premiação. Portanto a ordem é importante e nesse caso usaremos Arranjo! 𝐴𝑛,𝑘 = 𝑛! (𝑛−𝑘)! , com 𝑘 ≤ 𝑛 𝐴4,2 = 4! (4 − 2)! 𝐴4,2 = 4! 2! 𝐴4,2 = 4 × 3 × 2! 2! 𝐴4,2 = 12 possibilidades. Exemplo: (UFSM-RS) Num acidente rodoviário, após ouvir várias testemunhas, concluiu-se que o motorista culpado pelo acidente dirigia um carro cuja placa era constituída de 2 vogais distintas e 4 algarismos diferentes, sendo que o algarismo das unidades era o 5. Isso não facilitou o trabalho da polícia, pois o número de placas suspeitas é de: a) 10.800 b) 10.080 c) 8.100 d) 1.080 e) 524 Vamos imaginar uma possibilidade de placa que atenda às exigências do exercício, por exemplo: AE 0125. Agora vamos embaralhar a ordem das letras e algarismo e verificar se a ordem é importante. 𝐴𝐸 0125 ≠ 𝐸𝐴1205 Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 39 Ao alterarmos a posição das vogais e algarismos obtemos placas diferentes. Portanto, a ordem é importante e usaremos Arranjo! 2 vogais distintas “e” 4 algarismos diferentes Para a posição das vogais vamos escolher 2 dentre as 5 existentes: {𝑎, 𝑒, 𝑖, 𝑜, 𝑢}; Para os algarismo, uma vez que já utilizamos o algarismo 5 na unidade, vamos escolher 3 dentre os 9 existentes: {0, 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9} 𝐴𝑛,𝑘 = 𝑛! (𝑛−𝑘)! , com 𝑘 ≤ 𝑛 𝐴5,2 × 𝐴9,3 = 5! (5 − 2)! × 9! (9 − 3)! = 5! 3! × 9! 6! = 5 × 4 × 3! 3! × 9 × 8 × 7 × 6! 6! 5 × 4 × 9 × 8 × 7 = 10.080 possibilidades de placas. Letra B. Exemplo: (ÉTICO) Em uma sessão de fotos, o fotógrafo contava com um grupo de modelos e usou apenas 2 deles para cada foto, obtendo assim 132 fotografias distintas apenas pelas pessoas e posição delas. O número de modelos de que o fotógrafo dispunha nessa sessão era: a) 13 b) 12 c) 11 d) 10 e) 9 Considere os modelos nas fotografias 1 e 2 abaixo. Perceba que a ordem em que os modelos são dispostos é importante pois obtemos fotos distintas. Portanto usaremos Arranjo. números vogais 5 Figura 6. Fotografia 1 e 2. Fonte: Recorde de pessoas da imagem Word. Acesso em: 28 jul 2020. Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 40 Queremos descobrir o número 𝑛 de modelos que foram agrupados 2 a 2 de modo a obtermos um total de 132 fotografias. 𝐴𝑛,𝑘 = 𝑛! (𝑛−𝑘)! , com 𝑘 ≤ 𝑛 𝐴𝑛,2 = 𝑛! (𝑛 − 2)! = 132 𝑛. (𝑛 − 1). (𝑛 − 2)! (𝑛 − 2)! = 132 𝑛. (𝑛 − 1) = 132 𝑛2 − 𝑛 = 132 𝑛2 − 𝑛 − 132 = 0 ⇒ { 𝑎 = 1 𝑏 = −1 𝑐 = 132 ∆= 𝑏2 − 4. 𝑎. 𝑐 ⇒ ∆= 529 𝑛 = −𝑏 ± √∆ 2. 𝑎 ⇒ 𝑛 = 1 ± 23 2 ⇒ { 𝑛′ = 12 𝑛" = −11 O número de modelos procurado é positivo, portanto o fotógrafo contava com exatamente 12 modelos. Letra B. Atividade: Para concluir a primeira semana de estudos, vá até a sala virtual e resolva o 1º questionário no valor de 10 pontos. Você terá três tentativas para a realização do mesmo e deverá obter 60% de aproveitamento em pelo menos um dos questionários. Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 41 2.1 Combinação Mídia digital: Vá até a sala virtual e assista ao vídeo “Combinação”. Na vitrine de uma lanchonete existem 4 opções de salgados: coxinha, empada, pastel e quibe. De quantas maneiras distintas podemos escolher 2 opções de salgados dentre as 4 existentes? Figura 7. Vitrine com salgados. Fonte: http://i.pinimg.com/originals/bf/7e/57/bf7e572d86bae5a8d68668f7518a9106.jpg. Acesso em: 28 dez 2020 Observe que, das 4 opções (coxinha, empada, pastel e quibe), teremos que pensar em 2 delas para ocupar, exatamente, duas posições referente às escolhas: 1ª escolha 2ª escolha Vamos descrever o quadro de possibilidades: Coxinha e Empada Empada e Coxinha Pastel e Coxinha Quibe e Coxinha Coxinha e Pastel Empada e Pastel Pastel e Empada Quibe e Empada Coxinha e Quibe Empada e quibe Pastel e Quibe Quibe e Pastel Quadro 4. Possibilidades distintas de escolher 2 salgados dentre 4 opções. Fonte: Arquivo próprio. Objetivos Nesta semana finalizaremos o estudo das técnicas de contagem abordando os temas combinação simples e permutação com elementos repetidos. Iniciaremos o estudo de probabilidade com os assuntos: espaço amostral, eventos, probabilidade e suas propriedades. Semana 2 – Análise Combinatória e Probabilidade Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 42 Após preenchermos o quadro verificamos que algumas opções de possibilidades repetem. Portanto, desconsiderando as opções repetidas, obtemos um total de 6 possibilidades. Esses 6 (seis) resultados de possibilidades obtidos são chamados Combinações de quatro “elementos” tomados “dois a dois”. Indicamos por: 𝐶4,2 ou ( 4 2 ) Definição: Dado um conjunto com 𝑛 elementos distintos: {𝑎1, 𝑎2, 𝑎3, … , 𝑎𝑛}, chama-se Combinação desses 𝑛 elementos, tomados 𝑘 a 𝑘 (com 𝑘 ≤ 𝑛), todo subconjunto de 𝑘 elementos distintos escolhidos dentre os 𝑛 elementos. Indicaremos a Combinação desses 𝑛 elementos tomados 𝑘 a 𝑘 por: 𝐶𝑛,𝑘ou ( 𝑛 𝑘 ) Escolhendo os 𝒌 elementos do total de 𝒏 elementos: Dica do Professor: Dado um conjunto com 𝑛 elementos distintos: {𝑎1, 𝑎2, 𝑎3, … , 𝑎𝑛}: • Formar grupos não ordenados de elementos distintos com alguns elementos do conjunto: Combinação. A ordem que dispomos os elementos não é importante! Mídia digital: Vá até a sala virtual e assista aos vídeos com a resolução de exemplos de “Combinação”. 𝐶𝑛,𝑘 = 𝐴𝑛,𝑘 𝑃𝑘 𝑛! (𝑛 − 𝑘)! 𝑘! 𝐶𝑛,𝑘 = 𝑛! (𝑛 − 𝑘)! 𝑘! 𝐶𝑛,𝑘 = 𝑛! (𝑛−𝑘)!𝑘! , com 𝑘 ≤ 𝑛 Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 43 Exemplo: Na vitrine de uma lanchonete existem 4 opções de salgados: coxinha, empada, pastel e quibe. De quantas maneiras distintas podemos escolher 2 opções de salgados dentre as 4 existentes? Temos 4 salgados onde teremos que escolher dois tipos. Portanto temos “4 elementos” para serem agrupados “2 a 2”. Para termos certeza de que vamos trabalhar com Combinação verificaremos, agora, que a ordem que dispomos os elementos não é importante! Escolha, aleatoriamente, dois elementos do conjunto dos 4 salgados, por exemplo: Coxinha e empada, e imagine as duas situações: Coxinha e Empada = Empada e Coxinha Perceba que ao alterarmos a ordem da escrita dos nomes dos salgados não estamos formando uma nova possibilidade de escolha, ou seja, estamos escolhendo os mesmos salgados. Portanto a ordem não é importante e nesse caso usaremos Combinação! 𝐶𝑛,𝑘 = 𝑛! (𝑛−𝑘)!𝑘! , com 𝑘 ≤ 𝑛 𝐶4,2 = 4! (4−2)!2! ⇒ 𝐶4,2 = 4! 2!2! ⇒ 𝐶4,2 = 4×3×2! 2!2×1 Existem 6 possibilidades de escolhermos 2 opções de salgados dentre um total de 4 opções. Observação: 𝐶𝑛,𝑘 = 𝑛! (𝑛−𝑘)!𝑘! , com 𝑘 ≤ 𝑛. i) (𝑛 0 ) = 𝐶𝑛,0 = 1 Exemplo: 𝐶7,0 = 7! (7 − 0)! 0! = 7! 7! 0! = 1 ii) (𝑛 1 ) = 𝐶𝑛,1 = 𝑛 Exemplo: 𝐶7,1 = 7! (7 − 1)! 1! = 7! 6! 0! = 7 × 6! 6! 0! = 7 Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 44 iii) (𝑛 𝑛 ) = 𝐶𝑛,𝑛 = 1 Exemplo: 𝐶7,7 = 7! (7 − 7)! 7! = 7! 0! 7! = 1 iv) (𝑛 𝑘 ) = ( 𝑛 𝑛−𝑘 ) ou 𝐶𝑛,𝑘 = 𝐶𝑛,𝑛−𝑘 (complementares) Exemplo: 𝐶7,3 = 7! (7 − 3)! 3! = 7! 4! 3! = 7 × 6 × 5 × 4! 4! 3 × 2 × 1 = 35 𝐶7,4 = 7! (7 − 4)! 4! = 7! 3! 4! = 7 × 6 × 5 × 4! 3 × 2 × 1 × 4! = 35 Exemplo: Em uma sala estão presentes 6 mulheres, dentre elas Paula, e 4 homens, dentre eles Pedro. Deseja-se formar comissões de 4 integrantes. a) Quantas comissões distintas podemos formar? b) Quantas comissões com 2 mulheres e 2 homens podemos formar? c) Quantas comissões participa Pedro e não participa Paula? a) Não temos nenhuma exigência. Imagine que será realizado um sorteio, ou seja, em uma sacola existem 10 nomes (6 mulheres e 4 homens) e você vai sortear 4 integrantes de um total de 10 pessoas para compor a comissão. Sejam 4 nomes aleatórios: João, José, Ana e Maria. Ao embaralhar esses nomes percebemos que a Comissão ficará a mesma, ou seja, a ordem não é importante. Portanto usaremos Combinação. 𝐶𝑛,𝑘 = 𝑛! (𝑛−𝑘)!𝑘! , com 𝑘 ≤ 𝑛 𝐶10,4 = 10! (10−4)!4! = 10! 6!4! = 10×9×8×7×6! 6!4×3×2×1 = 210 comissões Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 45 b) Aqui temos uma exigência de que a comissão seja composta de 4 integrantes e tenha 2 mulheres e 2 homens. Nesse caso vamos separar as mulheres e homens em duas sacolas, ou seja, vamos sortear mulheres dentre mulheres e homens dentre os homens. Portanto, vamos escolher 2 mulheres de um total de 6 mulheres “e” 2 homens de um total de 4 homens. 𝐶𝑛,𝑘 = 𝑛! (𝑛−𝑘)!𝑘! , com 𝑘 ≤ 𝑛 𝐶6,2 e 𝐶4,2 6! (6 − 2)! 2! × 4! (4 − 2)! 2! 6! 4! 2! × 4! 2! 2! 6 × 5 × 4! 4! 2 × 1 × 4 × 3 × 2! 2! 2 × 1 30 2 × 12 2 São possíveis 90 comissões de 4 integrantes sendo 2 mulheres e 2 homens. c) Aqui temos uma exigência de que a comissão seja composta de 4 integrantes sendo que Pedro seja um deles de modo que Paula não participe. Portanto nossa comissão será formada por: “Pedro + 3 integrantes (homens ou mulheres)”. Temos que escolher mais 3 integrantes para compor a comissão. Essa escolha será feita de um total de 8 integrantes pois temos que retirar Pedro, que já foi escolhido, e Paula, que não poderá participar. + 3 integrantes. 𝐶𝑛,𝑘 = 𝑛! (𝑛−𝑘)!𝑘! , com 𝑘 ≤ 𝑛 𝐶8,3 = 8! (8 − 3)! 3! = 8! 5! 3! = 8 × 7 × 6 × 5! 5! 3 × 2 × 1 = 56 Pedro Paula Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 46 Podemos formar 56 comissões de 4 integrantes sendo que participa Pedro e não participa Paula. Exemplo: (UFOP-MG) Numa assembleia, de que participam 5 matemáticos e 5 físicos, são constituídas comissões formadas por três membros, incluindo, no mínimo, um matemático. Podemos afirmar que o número de comissões que podem ser formadas é: a) 15 b) 20 c) 50 d) 100 e) 110 Queremos formar comissões de 3 membros de modo que cada comissão contenha, no mínimo, um matemático. Perceba que, uma vez que temos o termo “no mínimo um matemático”, temos que pensar em todas as possibilidades, ou seja, podemos ter mais de um matemático na comissão, desde que atenda ao total de 3 membros. Portanto, temos as seguintes situações para as comissões: “1 Matemático e 2 Físicos” ou “2 Matemáticos e 1 Físico” ou “3 Matemáticos e 0 Físico” Considere os Professores da área de Matemática: Denilson, Douglas e Vinícius. Vamos embaralhar essa comissão e verificar se a ordem importa ou não. Perceba que temos a mesma comissão após o embaralhamento, ou seja, a ordem não importa. Portanto vamos trabalhar com combinação, onde iremos escolher matemático dentro de matemático e físico dentro de físico. Temos um total de 5 matemáticos e 5 físicos para formarmos comissão de 3 membros incluindo, no mínimo um matemático, então: “1 Matemático e 2 Físicos” ou “2 Matemáticos e 1 Físico” ou “3 Matemáticos e 0 Físico” 𝐶𝑛,𝑘 = 𝑛! (𝑛−𝑘)!𝑘! , com 𝑘 ≤ 𝑛 𝐶5,1 e 𝐶5,2 ou 𝐶5,2 e 𝐶5,1 ou 𝐶5,3 e 𝐶5,0 𝐶5,1.𝐶5,2 + 𝐶5,2.𝐶5,1 + 𝐶5,3.𝐶5,0 (∗) Sabemos que: 𝐶5,1 = 5 𝐶5,0 = 1 𝐶5,2 = 𝐶5,3 = 10 (são complementares) Denilson, Douglas e Vinícius Vinícius, Denilson e Douglas Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 47 𝐶5,2 = 5! (5 − 2)! 2! = 5! 3! 2! = 5 × 4 × 3! 3! 2 × 1 = 10 Substituindo os valores em (∗): 5.10 + 10.5 + 10.1 = 110 Portanto, podemos formar 110 comissões. Letra E. Poderíamos resolver o exercício de uma outra forma, ou seja, do total de 10 professores (5 matemáticos e 5 físicos) obtemos todas as comissões possíveis de 3 membros e, desse resultado, subtrairmos as comissões que não possuem nenhum matemático (comissões formadas apenas por físicos. 𝐶10,3 − 𝐶5,3 = 120 − 10 = 110. 2.2 Permutação com elementos repetidos Mídia digital: Vá até a sala virtual e assista ao vídeo “Permutação com elementos repetidos”. De quantas maneiras distintas podemos organizar as quatro almofadas na cabeceira da cama? Figura 8. Almofadas cabeceira da cama. Fonte: Arquivo pessoal Para responder ao questionamento devemos proceder com o embaralhamento das almofadas de modo a esgotar todas as possibilidades. Perceba que no conjunto de 4 almofadas existem 2 pares de almofadas idênticas. Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 48 Portanto, existem 6 possibilidades distintas de organizarmos as 4 almofadas na cabeceira da cama. Exemplo: Quantos anagramas podemos formar com a palavra FEVEREIRO? A palavra FEVEREIRO possui 9 letras, sendo algumas repetidas: • “E” aparece 3 vezes; • “R” aparece 2 vezes;Vamos imaginar que essas letras se diferenciam pelas cores: FEVEREIRO. Portanto temos que embaralhar essas 9 letras “distintas”, ou seja, formar palavras com 9 letras. Uma vez que assumimos que as letras são “distintas” (pelas cores) vamos preencher os 9 espaços destinados a cada uma das letras da palavra FEVEREIRO. 1º) Vamos distribuir as 3 letras “E”. Perceba que a ordem que colocamos as letras E será importante uma vez que elas são “distintas”. 𝐴9,3 Mas as letras “E” são idênticas! Agora dividimos 𝐴9,3 por 3! (possibilidades de embaralhamento das letras E) 𝐴9,3 3! 2º) De forma análoga, vamos distribuir as 2 letras “R” nos 6 espaços restantes. 𝐴6,2 E E E R E E E R Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 49 Mas as letras “R” são idênticas! Agora dividimos 𝐴6,2 por 2! (possibilidades de embaralhamento das letras R) 𝐴6,2 2! 3º) Após distribuirmos as letras repetidas, vamos distribuir as 4 letras restantes (F, V, I, O) nos 4 espaços restantes. 𝑃4 Portanto, é necessário realizarmos o 1º, 2º “e” 3º passos. 𝐴9,3 3! . 𝐴6,2 2! .𝑃4 9! (9 − 3)! 3! . 6! (6 − 2)! 2! . 4! 9! 6! . 1 3! . 6! 4! . 1 2! . 4! 9! 3!2! = 30.240 anagramas. Perceba que: FEVEREIRO = 9 letras E = repete 3 vezes R = repete 2 vezes Definição: Considere 𝑛 elementos, nem todos distintos, de um conjunto {𝑎1, 𝑎2, 𝑎3, ⋯ , 𝑎𝑛}. O número de permutações formado com todos os 𝑛 elementos desse conjunto é dado por: 𝑃𝑛 𝑛1,𝑛2,𝑛3,⋯ = 𝑛! 𝑛1! 𝑛2! 𝑛3!⋯ Onde 𝑛1, 𝑛2, 𝑛3, … indicam o número de repetições de cada elemento do conjunto de 𝑛 elementos. R E F O E I V E R Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 50 Mídia digital: Vá até a sala virtual e assista aos vídeos com a resolução de exemplos de “Permutação com elementos repetidos”. Exemplo: De quantas maneiras distintas podemos organizar as quatro almofadas na cabeceira da cama? Figura 9. Almofadas cabeceira da cama. Fonte: Arquivo pessoal Temos 4 “elementos/almofadas” sendo que 2 são coloridas e 2 são marrons. 𝑃𝑛 𝑛1,𝑛2 = 𝑛! 𝑛1! 𝑛2! 𝑃4 2,2 = 4! 2!2! = 4×3×2! 2!2×1 = 6 possibilidades Exemplo: (FGV-SP) Quantos anagramas da palavra SUCESSO começam por S e terminam em O? a) 5! b) 7! c) 30 d) 60 e) 90 Primeiramente vamos atender a exigência de iniciar com a letra S e terminar pela letra O. Diante disso temos que preencher os 5 espaços com as 5 letras que sobraram, sendo que destas, a letra S repete 2 vezes. 𝑃𝑛 𝑛1 = 𝑛! 𝑛1! S O Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 51 𝑃5 2 = 5! 2! = 5×4×3×2! 2! = 60 possibilidades. Letra D. Exemplo: (VUNESP-2010) A figura mostra a planta de um bairro de uma cidade. Uma pessoa quer caminhar do ponto A ao ponto B por um dos percursos mais curtos. Assim, ela caminhará sempre nos sentidos “de baixo para cima” ou “da esquerda para a direita”. O número de percursos diferentes que essa pessoa poderá fazer de A até B é: a) 95040. b) 40635. c) 924 d) 792. e) 35. Figura 10. Planta do bairro da cidade com o deslocamento do ponto A ao ponto B. Fonte: Processo seletivo VUNESP-2010. O objetivo da pessoa é chegar no ponto B partindo do ponto A. Vamos definir o sentido Norte como sendo “de baixo para cima” e Leste sendo “da esquerda para a direita”. Representando uma possibilidade de trajeto da pessoa por setas, temos a seguinte situação: LLLLNNNNNLLL Ou seja, independente de qual caminho a pessoa escolher ela sempre estará formando uma “palavra” de 12 letras sendo que a letra L e N repetirão 7 vezes e 5 vezes, respectivamente. 𝑃𝑛 𝑛1,𝑛2 = 𝑛! 𝑛1! 𝑛2! 𝑃12 7,5 = 12! 7!5! = 12×11×10×9×8×7! 7!5×4×3×2×1 = 792 possibilidades. Letra D. Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 52 2.3 Espaço amostral e eventos Mídia digital: Vá até a sala virtual e assista ao vídeo “Espaço amostral e eventos”. No estudo de probabilidade estudaremos as possibilidades da ocorrência de um determinado acontecimento na realização de um experimento aleatório. Experimentos Aleatórios: São experimentos que, repetidos em condições idênticas, não produzem sempre o mesmo resultado, ou seja, os resultados não são previsíveis. Por mais que sejam mantidas as mesmas condições, não podemos prever qual será o resultado, mas conhecemos as possibilidades. Exemplos: • Lançamento de uma moeda; • Lançamento de uma moeda e um dado; • Lançamento de dois dados; • Sorteio de uma rifa. ESPAÇO AMOSTRAL: É o conjunto de todos os resultados possíveis de um experimento aleatório. Indicaremos o espaço amostral pela letra 𝑼 e 𝒏(𝑼) representará o número de elementos do espaço amostral. Dica do Professor: Em alguns casos, para determinarmos a quantidade de elementos do Espaço Amostral, usaremos as técnicas de contagem. 𝑼 Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 53 Exemplos: • Lançamento de uma moeda; 𝑈 = {𝑐𝑎𝑟𝑎, 𝑐𝑜𝑟𝑜𝑎} 𝑛(𝑈) = 2 • Lançamento de uma moeda e um dado; 𝑈 = { (𝑐𝑎𝑟𝑎, 1)(𝑐𝑎𝑟𝑎, 2)(𝑐𝑎𝑟𝑎, 3)(𝑐𝑎𝑟𝑎, 4)(𝑐𝑎𝑟𝑎, 5)(𝑐𝑎𝑟𝑎, 6) (𝑐𝑜𝑟𝑜𝑎, 1)(𝑐𝑜𝑟𝑜𝑎, 2)(𝑐𝑜𝑟𝑜𝑎, 3)(𝑐𝑜𝑟𝑜𝑎, 4)(𝑐𝑜𝑟𝑜𝑎, 5)(𝑐𝑜𝑟𝑜𝑎, 6) } 𝑛(𝑈) = 12 • Lançamento de dois dados; 𝑈 = { (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)} 𝑛(𝑈) = 36 Evento: “Aposta” É qualquer subconjunto do Espaço Amostral (𝑈) de um experimento aleatório. Denominaremos o evento por uma letra maiúscula do alfabeto. Exemplo: Uma rifa é composta de 100 bilhetes numerados de 1 a 100. Será sorteado um desses bilhetes. Sejam os eventos: a) O número sorteado é múltiplo de 12; b) O número sorteado é um quadrado perfeito; c) O número sorteado é natural positivo menor ou igual a 100; d) O número sorteado possui três algarismos distintos. 𝑈 = {1, 2, 3, … , 99, 100} 𝑛(𝑈) = 100 a) 𝐴 = {12, 24, 36, 48, 60, 72, 84, 96} 𝑛(𝐴) = 8 b) 𝐵 = {1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81, 100} 𝑛(𝐵) = 10 c) C = {1, 2, 3, … , 99, 100} 𝑛(𝐶) = 100 (Evento certo) 𝑼 𝑨 Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 54 d) D = { } 𝑛(𝐷) = 0 (Evento impossível) Dica do Professor: O conjunto vazio e o próprio conjunto são considerados subconjuntos de um conjunto. • Quando o evento coincide com o espaço amostral dizemos que o evento é certo! • Quando o evento é o conjunto vazio dizemos evento impossível. • O número de elementos de um Evento 𝐴 será sempre da forma: 0 ≤ 𝑛(𝐴) ≤ 𝑛(𝑈) Evento complementar: Mídia digital: Vá até a sala virtual e assista ao vídeo “Evento complementar”. Seja 𝐴 um evento de um Espaço Amostral (𝑈). Definimos o evento complementar de 𝐴, em relação a 𝑈 o evento que ocorre quando o evento 𝐴 não ocorre. Indicamos o evento complementar do evento 𝐴 por: �̅� ou 𝐶𝑈 𝐴 = 𝑈 − 𝐴 Dica do Professor: Para um Evento 𝐴 e seu complementar �̅� podemos escrever: • 𝐴 ∪ �̅� = 𝑈 ⇒ 𝑛(𝐴) + 𝑛(�̅�) = 𝑛(𝑈) • 𝐴 ∩ �̅� = ∅ 𝐔 𝐀 �̅� Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 55 Exemplo: Uma rifa é composta de 100 bilhetes numerados de 1 a 100. Será sorteado um desses bilhetes. Sejam os eventos: a) O número sorteadoé múltiplo de 12. Qual é o complementar? b) O número sorteado é um quadrado perfeito. Qual é o complementar? 𝑈 = {1, 2, 3, … , 99, 100} 𝑛(𝑈) = 100 a) 𝐴 = {12, 24, 36, 48, 60, 72, 84, 96} 𝑛(𝐴) = 8 �̅� = {𝑛ã𝑜 𝑠𝑒𝑟 𝑚ú𝑙𝑡𝑖𝑝𝑙𝑜 𝑑𝑒 12} 𝑛(�̅�) = 92 b) 𝐵 = {1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81, 100} 𝑛(𝐵) = 10 �̅� = {𝑛ã𝑜 𝑠𝑒𝑟 𝑞𝑢𝑎𝑑𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑒𝑟𝑓𝑒𝑖𝑡𝑜} 𝑛(�̅�) = 90 2.4 Probabilidade e propriedades Mídia digital: Vá até a sala virtual e assista ao vídeo “Probablilidade e propriedades”. Espaço Amostral Equiprovável Denominamos Espaço Amostral Equiprovável aquele cujos resultados possuem a mesma chance de ocorrerem, ou seja, realizado o experimento indefinidamente, os diferentes eventos unitários tendem a aparecer na mesma frequência. Probabilidade de um evento: A probabilidade de ocorrência de um evento 𝐴 em um experimento aleatório com espaço amostral equiprovável 𝑈 é dada pela razão entre o número de elementos do evento 𝐴 e o número de elementos do espaço amostral 𝑈. Atenção: Evento e seu complementar: 𝐴: Ganhar �̅�: Não ganhar 𝐵: Chover �̅�: Não chover Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 56 Denotamos a probabilidade de ocorrência de um evento 𝐴 por: P(A) 𝑃(𝐴) = 𝑛(𝐴) 𝑛(𝑈) Propriedades: I) Eventos: impossível e certo: 0 ≤ 𝑛(𝐴) ≤ 𝑛(𝑈) ÷ 𝑛(𝑈) ≠ 0 0 𝑛(𝑈) ≤ 𝑛(𝐴) 𝑛(𝑈) ≤ 𝑛(𝑈) 𝑛(𝑈) 0 ≤ 𝑃(𝐴) ≤ 1 ou 0 ≤ 𝑃(𝐴) ≤ 100% II) Evento Complementar: 𝐴 + �̅� = 𝑈 𝑛(𝐴) + 𝑛(�̅�) = 𝑛(𝑈) ÷ 𝑛(𝑈) ≠ 0 𝑛(𝐴) 𝑛(𝑈) + 𝑛(�̅�) 𝑛(𝑈) = 𝑛(𝑈) 𝑛(𝑈) 𝑃(𝐴) + 𝑃(�̅�) = 1 ou 𝑃(𝐴) + 𝑃(�̅�) = 100% 𝑼 𝑨 𝐔 𝐀 �̅� Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 57 Atenção: Evento e seu complementar: 𝐴: Ganhar. Se 𝑃(𝐴) = 0,3. �̅�: Não ganhar. Então 𝑃(�̅�) = 0,7. 𝐵: Chover. Se 𝑃(𝐵) = 32%. �̅�: Não chover. Então 𝑃(�̅�) = 68%. Mídia digital: Vá até a sala virtual e assista aos vídeos com a resolução de exemplos de “Probabilidade”. Exemplo: Uma rifa é composta de 100 bilhetes numerados de 1 a 100. Será sorteado um desses bilhetes. Qual a probabilidade de obtermos: a) O número sorteado ser múltiplo de 12; b) O número sorteado ser um quadrado perfeito; c) O número sorteado ser natural positivo menor ou igual a 100; d) O número sorteado ter três algarismos distintos. 𝑈 = {1, 2, 3, … , 99, 100} 𝑛(𝑈) = 100 a) 𝐴 = {12, 24, 36, 48, 60, 72, 84, 96} 𝑛(𝐴) = 8 𝑃(𝐴) = 𝑛(𝐴) 𝑛(𝑈) ⇒ 𝑃(𝐴) = 8 100 ⇒ 𝑃(𝐴) = 2 25 b) 𝐵 = {1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81, 100} 𝑛(𝐵) = 10 𝑃(𝐵) = 𝑛(𝐵) 𝑛(𝑈) ⇒ 𝑃(𝐵) = 10 100 ⇒ 𝑃(𝐵) = 1 10 c) C = {1, 2, 3, … , 99, 100} 𝑛(𝐶) = 100 (Evento certo) 𝑃(𝐶) = 𝑛(𝐶) 𝑛(𝑈) ⇒ 𝑃(𝐶) = 100 100 ⇒ 𝑃(𝐶) = 1 Quando a probabilidade de um evento é igual a um dizemos que o evento é certo! d) D = { } 𝑛(𝐷) = 0 (Evento impossível) 𝑃(𝐷) = 𝑛(𝐷) 𝑛(𝑈) ⇒ 𝑃(𝐷) = 0 100 ⇒ 𝑃(𝐷) = 0 Quando a probabilidade de um evento é igual a zero dizemos que o evento é impossível! Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 58 Exemplo: No lançamento de uma moeda e um dado, qual a probabilidade de obtermos cara e uma face com número maior que 4? 𝑈 = { (𝑐𝑎𝑟𝑎, 1)(𝑐𝑎𝑟𝑎, 2)(𝑐𝑎𝑟𝑎, 3)(𝑐𝑎𝑟𝑎, 4)(𝑐𝑎𝑟𝑎, 5)(𝑐𝑎𝑟𝑎, 6) (𝑐𝑜𝑟𝑜𝑎, 1)(𝑐𝑜𝑟𝑜𝑎, 2)(𝑐𝑜𝑟𝑜𝑎, 3)(𝑐𝑜𝑟𝑜𝑎, 4)(𝑐𝑜𝑟𝑜𝑎, 5)(𝑐𝑜𝑟𝑜𝑎, 6) } 𝑛(𝑈) = 12 𝐴 = {(𝑐𝑎𝑟𝑎, 5)(𝑐𝑎𝑟𝑎, 6)} 𝑛(𝐴) = 2 𝑃(𝐴) = 𝑛(𝐴) 𝑛(𝑈) ⇒ 𝑃(𝐴) = 2 12 ⇒ 𝑃(𝐴) = 1 6 Exemplo: No lançamento de dois dados, qual a probabilidade de obtermos produto dos pontos obtidos igual 12? 𝑈 = { (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)} 𝑛(𝑈) = 36 𝐵 = {(2,6)(3,4)(4,3)(6,2)} 𝑛(𝐵) = 4 𝑃(𝐵) = 𝑛(𝐵) 𝑛(𝑈) ⇒ 𝑃(𝐵) = 4 36 ⇒ 𝑃(𝐵) = 1 9 Exemplo: (ENEM) As 23 ex-alunas de uma turma que completou o Ensino Médio há 10 anos se encontraram em uma reunião comemorativa. Várias delas haviam se casado e tido filhos. A distribuição das mulheres, de acordo com a quantidade de filhos, é mostrada no gráfico ao lado. Um prêmio foi sorteado entre todos os filhos dessas ex-alunas. A probabilidade de que a criança premiada tenha sido um(a) filho(a) único(a) é: a) 1/3 b) 1/4 c) 7/15 d) 7/23 e) 7/25 Figura 11. Gráfico ex-alunas e número de filhos. Fonte: ENEM. Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 59 Perceba que queremos obter a probabilidade de que a criança premiada seja filho(a) único(a). Portanto temos que descobrir o número de crianças que estavam presentes na reunião comemorativa. Para isso, de acordo com o gráfico, basta multiplicarmos o número de mães (eixo y) pelo seu respectivo número de filhos (eixo x). • 8 mães possuem 0 filho. Então temos 0 crianças; • 7 mães possuem 1 filho. Então temos 7 crianças que são filhos(as) únicos(as); • 6 mães possuem 2 filhos. Então temos 12 crianças; • 2 mães possuem 3 filhos. Então temos 6 crianças. 𝑈 = {0 + 7 + 12 + 6} 𝑛(𝑈) = 25 crianças 𝐴 = {7} 𝑛(𝐴) = 7 crianças são filhos(as) únicos(as) 𝑃(𝐴) = 𝑛(𝐴) 𝑛(𝑈) ⇒ 𝑃(𝐴) = 7 25 Letra E. Atividade: Para concluir a segunda semana de estudos, vá até a sala virtual e resolva o 2º questionário no valor de 10 pontos. Você terá três tentativas para a realização do mesmo e deverá obter 60% de aproveitamento em pelo menos um dos questionários Plataforma +IFMG Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 60 Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 61 3.1 Probabilidade da união de dois eventos Mídia digital: Vá até a sala virtual e assista ao vídeo “Probabilidade da união de dois eventos”. Sejam 𝐴 e 𝐵 dois eventos de um mesmo espaço amostral 𝑈, equiprovável, finito e não vazio. Queremos obter a probabilidade da ocorrência dos eventos 𝐴 ou 𝐵. Da união de conjuntos, temos que: 𝑛(𝐴 ∪ 𝐵) = 𝑛(𝐴) + 𝑛(𝐵) − 𝑛(𝐴 ∩ 𝐵) ÷ 𝑛(𝑈) ≠ 0 𝑛(𝐴 ∪ 𝐵) 𝑛(𝑈) = 𝑛(𝐴) 𝑛(𝑈) + 𝑛(𝐵) 𝑛(𝑈) − 𝑛(𝐴 ∩ 𝐵) 𝑛(𝑈) 𝑃(𝐴 ∪ 𝐵) = 𝑃(𝐴) + 𝑃(𝐵) − 𝑃(𝐴 ∩ 𝐵) Observação: Conjuntos disjuntos ou eventos mutuamente exclusivos. Quando temos dois eventos disjuntos ou mutuamente exclusivos o 𝑛(𝐴 ∩ 𝐵) = 0 e, então, 𝑃(𝐴 ∩ 𝐵) = 0. 𝑃(𝐴 ∪ 𝐵) = 𝑃(𝐴) + 𝑃(𝐵) Objetivos Nesta semana, vamos finalizar o estudo de probabilidade abordando os temas: probabilidade da união de dois eventos, probabilidade condicional e probabilidade de eventos independentes. Semana 3 – Probabilidade 𝐔 𝐁 𝑨 𝐔 𝐁 𝑨 Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 62 Mídia digital: Vá até a sala virtual e assista aos vídeos com a resolução de exemplos de “Probabilidade da união de dois eventos”. Exemplo: Uma rifa é composta de 100 bilhetes numerados de 1 a 100. Será sorteado um desses bilhetes. Qual a probabilidade de obtermos um múltiplo de 8 ou um múltiplo 12? 𝑈 = {1, 2, 3, … , 99, 100} 𝑛(𝑈) = 100 Queremos obter múltiplo de 8 “ou” múltiplo de 12. Temos dois eventos: 𝐴 = {8, 16, 24, 32, 40, 48, 56, 64, 72, 80, 88, 96} 𝑛(𝐴) = 12 𝐵 = {12, 24, 36, 48, 60, 72, 84, 96} 𝑛(𝐵) = 8 𝐴 ∩ 𝐵 = {24, 48, 72, 96} 𝑛(𝐴 ∩ 𝐵) = 4𝑃(𝐴 ∪ 𝐵) = 𝑃(𝐴) + 𝑃(𝐵) − 𝑃(𝐴 ∩ 𝐵) 𝑃(𝐴 ∪ 𝐵) = 𝑛(𝐴) 𝑛(𝑈) + 𝑛(𝐵) 𝑛(𝑈) − 𝑛(𝐴 ∩ 𝐵) 𝑛(𝑈) 𝑃(𝐴 ∪ 𝐵) = 12 100 + 8 100 − 4 100 𝑃(𝐴 ∪ 𝐵) = 16 100 𝑃(𝐴 ∪ 𝐵) = 4 25 = 16% Exemplo: (ENEM) Um município de 628 km² é atendido por duas emissoras de rádio cujas antenas A e B alcançam um raio de 10 km do município, conforme mostra a figura: Para orçar um contrato publicitário, uma agência precisa avaliar a probabilidade que um morador tem de, circulando livremente pelo município, encontrar-se na área de alcance de pelo menos uma das emissoras. Essa probabilidade é de, aproximadamente: a) 20% b) 25% c) 30% d) 35% e) 40% Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 63 Queremos obter a probabilidade de que um morador tem de, circulando livremente pelo município, encontrar-se na área de alcance de pelo menos uma das emissoras. Ou seja, o morador pode escutar a rádio A “ou” a rádio B. 𝑃(𝐴 ∪ 𝐵) = 𝑃(𝐴) + 𝑃(𝐵) − 𝑃(𝐴 ∩ 𝐵) Pela figura, percebemos que as rádios A e B não alcançam áreas comuns, portanto, são conjuntos disjuntos. Logo: 𝑃(𝐴 ∪ 𝐵) = 𝑃(𝐴) + 𝑃(𝐵) Sabemos que a soma dos ângulos internos de um quadrilátero (trapézio retângulo) é 360°. �̂� + �̂� + 90° + 90° = 360° �̂� + �̂� = 180° Portanto, uma vez que �̂� + �̂� = 180°, a soma das áreas de alcance das rádios A e B definem um semicírculo de raio 10 𝑘𝑚. • Área semicírculo: 𝐴 = 𝜋𝑟2 2 ⇒ 𝐴 = 𝜋(10)2 2 ⇒ 𝐴 = 100𝜋 2 ⇒ 𝐴 = 50𝜋 𝑘𝑚2 𝑃(𝐴 ∪ 𝐵) = 𝑃(𝐴) + 𝑃(𝐵) ⇒ 𝑃(𝐴 ∪ 𝐵) = 𝑛(𝐴) 𝑛(𝑈) + 𝑛(𝐵) 𝑛(𝑈) ⇒ 𝑃(𝐴 ∪ 𝐵) = 𝑛(𝐴) + 𝑛(𝐵) 𝑛(𝑈) 𝑈 = {á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑜 𝑚𝑢𝑛𝑖𝑐í𝑝𝑖𝑜} 𝑛(𝑈) = 628 𝑘𝑚2 𝐴 + 𝐵 = {𝑠𝑒𝑚𝑖𝑐í𝑟𝑐𝑢𝑙𝑜} 𝑛(𝐴 + 𝐵) = 50𝜋 𝑘𝑚2 𝑃(𝐴 ∪ 𝐵) = 50𝜋 628 ⇒ 𝑃(𝐴 ∪ 𝐵) = 50.3,14 628 ⇒ 𝑃(𝐴 ∪ 𝐵) = 1 4 ⇒ 𝑃(𝐴 ∪ 𝐵) = 25% Letra B 3.2 Probabilidade condicional Mídia digital: Vá até a sala virtual e assista ao vídeo “Probabilidade condicional”. Considere os eventos 𝑨 e 𝑩 de um espaço amostral (𝑼), equiprovável, finito e não vazio. 𝐔 𝐁 𝑨 Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 64 A probabilidade condicional de ocorrer o evento 𝐴 sabendo que o evento 𝐵 já tenha ocorrido é indicada e definida por: 𝑃(𝐴/𝐵) = 𝑛(𝐴∩𝐵) 𝑛(𝐵) ou 𝑃(𝐴/𝐵) = 𝑃(𝐴∩𝐵) 𝑃(𝐵) Atenção: Na probabilidade condicional, 𝑃(𝐴/𝐵), o espaço amostral fica restringido, ou seja, o “evento 𝐵” passa a ser o espaço amostral. É comum aparecer os termos: “Verificou-se...sabe-se...” Mídia digital: Vá até a sala virtual e assista aos vídeos com a resolução de exemplos de “Probabilidade condicional”. Exemplo: (ENEM) Um experimento foi conduzido com o objetivo de avaliar o poder germinativo de duas culturas de cebola, conforme a tabela. Germinação de sementes de duas culturas de cebola Culturas Germinação Total Germinaram Não Germinaram A 392 8 400 B 381 19 400 Total 773 27 800 BUSSAB, W. O; MORETIN, L. G. Estatística para as ciências agrárias e biológicas (adaptado). Desejando-se fazer uma avaliação do poder germinativo de uma das culturas de cebola, uma amostra foi retirada ao acaso. Sabendo-se que a amostra escolhida germinou, a probabilidade de essa amostra pertencer Cultura A é de: a) 8/27 b) 19/27 c) 381/773 d) 392/773 e) 392/ 800 Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 65 Queremos obter a probabilidade de uma amostra pertencer a Cultura A “sabendo-se” que a amostra escolhida germinou. 𝑃(𝐴/𝐵) = 𝑛(𝐴 ∩ 𝐵) 𝑛(𝐵) 𝐴: Cultura 𝐴 𝐺: Germinou 𝑃(𝐴/𝐺) = 𝑛(𝐴 ∩ 𝐺) 𝑛(𝐺) Pela tabela apresentada temos que: • Número da cultura 𝐴 que germinaram, ou seja, 𝑛(𝐴 ∩ 𝐺) = 392 • Cultura que germinaram, ou seja, 𝑛(𝐺) = 773 𝑃(𝐴/𝐺) = 392 773 Letra D. Exemplo: Uma rifa é composta de 100 bilhetes numerados de 1 a 100. Será sorteado um desses bilhetes. Qual a probabilidade de obtermos um múltiplo de 8 sabendo que ocorreu um múltiplo 12? Queremos a probabilidade de obter múltiplo de 8 “sabendo-se” que ocorreu múltiplo de 12. 𝑃(𝐴/𝐵) = 𝑛(𝐴 ∩ 𝐵) 𝑛(𝐵) 𝑃(𝑀(8)/𝑀(12)) = 𝑛(M(8) ∩𝑀(12)) 𝑛(𝑀(12)) 𝐴 ∩ 𝐵 = 𝑀(8) ∩ 𝑀(12) = {24, 48, 72, 96} 𝑛(𝐴 ∩ 𝐵) = 𝑛(M(8) ∩𝑀(12)) = 4 𝐵 = 𝑀(12) = {12, 24, 36, 48, 60, 72, 84, 96} 𝑛(𝐵) = 𝑛(𝑀(12)) = 8 𝑃(𝐴/𝐵) = 𝑃(𝑀(8)/𝑀(12)) = 4 8 = 50% Exemplo: (ENEM) Para verificar e analisar o grau de eficiência de um teste que poderia ajudar no retrocesso de uma doença numa comunidade, uma equipe de biólogos aplicou-o em um grupo de 500 ratos, para detectar a presença dessa doença. Porém, o teste não é totalmente eficaz podendo existir ratos saudáveis com resultado positivo e ratos doentes com resultado negativo. Sabe-se, ainda, que 100 ratos possuem a doença, 20 ratos são saudáveis com resultado positivo e 40 ratos são doentes com resultado negativo. Um rato foi escolhido ao acaso, e verificou-se que o seu resultado deu negativo. A probabilidade de esse rato ser saudável é: a) 1/5 b) 4/5 c) 19/21 d) 19/25 e) 21/ 25 Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 66 Queremos a probabilidade de termos um rato saudável (𝑆) após saber que o resultado de seu exame ser negativo (𝑁). 𝑃(𝐴/𝐵) = 𝑛(𝐴 ∩ 𝐵) 𝑛(𝐵) ⇒ 𝑃(𝑆/𝑁) = 𝑛(𝑆 ∩ 𝑁) 𝑛(𝑁) Do texto apresentado na questão podemos escrever que: 𝑃(𝑆/𝑁) = 𝑛(𝑆 ∩ 𝑁) 𝑛(𝑁) = 380 40 + 380 = 380 420 = 19 21 Letra C. 3.3 Probabilidade de eventos independentes Probabilidade da interseção de dois eventos: Mídia digital: Vá até a sala virtual e assista ao vídeo “Probabilidade da interseção de dois eventos”. Considere os eventos 𝐴 e 𝐵 de um espaço amostral (𝑈), equiprovável, finito e não vazio. Vimos que a probabilidade condicional de ocorrer o evento 𝐴 sabendo que o evento 𝐵 já tenha ocorrido é indicada e definida por: 𝑃(𝐴/𝐵) = 𝑛(𝐴∩𝐵) 𝑛(𝐵) ou 𝑃(𝐴/𝐵) = 𝑃(𝐴∩𝐵) 𝑃(𝐵) Portanto, definimos a probabilidade da interseção de dois eventos 𝐴 e 𝐵 como sendo o produto da probabilidade do evento 𝐵 pela probabilidade do evento 𝐴, sabendo que o evento 𝐵 ocorreu. 𝑃(𝐴 ∩ 𝐵) = 𝑃(𝐵). 𝑃(𝐴/𝐵) 500 ratos 100 ratos doentes 400 ratos saudáveis 40 ratos - negativo 60 ratos - positivo 20 ratos - positivo 380 ratos - negativo Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 67 Dica do Professor: Atenção ao resolver os exercícios: • Experimentos com reposição: espaço amostral permanece o mesmo; • Experimentos sem reposição: espaço amostral fica alterado. Mídia digital: Vá até a sala virtual e assista aos vídeos com a resolução de exemplos de “Probabilidade da interseção de dois eventos”. Exemplo: Em um estojo existem 8 canetas azuis e 6 canetas vermelhas. Duas delas serão retiradas sucessivamente e sem reposição. Qual a probabilidade de obtermos duas canetas azuis? Podemos representar o diagrama abaixo: Queremos duas bolas azuis 𝑃(𝐴 𝑒 𝐴), ou seja: 𝑃(𝐴 ∩ 𝐵) = 𝑃(𝐵). 𝑃(𝐴/𝐵) 𝑃(𝐴 ∩ 𝐴) = 𝑃(𝐴). 𝑃(𝐴/𝐴) 𝑃(𝐴 ∩ 𝐴) = 8 14 . 7 13 𝑃(𝐴 ∩ 𝐴) = 4 13 𝐴 = 8 14 𝑉 = 6 14 𝐴 = 7 13 𝑉 = 6 13 𝐴 = 8 13 𝑉 = 5 13 Instituto Federal de Minas Gerais Pró-Reitoria de Extensão 68 Exemplo: Em um estojo existem 8 canetas azuis e 6 canetas vermelhas. Duas delas serão retiradas sucessivamente e sem reposição. Qual a probabilidade de obtermos duas canetas de cores distintas? Queremos obter canetas de cores distintas, ou seja, “azul e vermelha” ou “vermelha e azul”. 𝑃(𝐴 ∩ 𝑉) ou 𝑃(𝑉 ∩ 𝐴) 𝑃(𝐴 ∩ 𝑉) = 𝑃(𝐴). 𝑃(𝑉/𝐴) ou 𝑃(𝑉 ∩ 𝐴) = 𝑃(𝑉). 𝑃(𝐴/𝑉) 8 14 . 6 13 + 6 14 . 8
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