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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE UNIDADE ACADÊMICA DE AGRONOMIA E TECNOLOGIA DE ALIMENTOS DISCIPLINA: ESTATÍSTICA Probabilidades Profª Railene Hérica Carlos Rocha Desenvolvida por volta de 1872 pelo matemático alemão de origem russa, Georg Cantor (1845 - 1918) e aperfeiçoada no início do século XX por outros matemáticos. Teoria dos conjuntos: Fenômenos estudados pela Estatística: são aqueles que mesmo em condições normais de experimentação variam de uma observação para outra, dificultando a previsão de resultados futuros. Fenômenos aleatórios Modelo probabilístico Existe um elemento de acaso ou de incerteza Impossível por antecipação ----- O que ocorrerá? Possível ----- O que pode ocorrer? . Contração de um novo empregado . Previsão do tempo . Custo de produção . Loterias, cassinos de jogos, esportes organizados Exemplos Probabilidades: auxiliam a desenvolver estratégias . Aplicação de dinheiro na poupança . Plantio no inverno . Dirigir em alta velocidade . Etc. Exemplos 2. Conjuntos 2.1 Conceitos preliminares ... Conjunto: Grupo, coleção ou classe; Elemento: Objetos ou “coisas” que constituem os conjuntos; Pertinência: Associada a idéia de constituir o conjunto (pertencer). Conjunto: Letras maiúsculas (A, B, C,...) Elemento: Letras minúsculas (a, b, c,...) Pertinência: (pertence) e (não pertence) Notação: 2.2 Representação de um conjunto Exemplo: Considere o conjunto, D, formado pelos elementos dó, ré, mi, fá, sol, lá, e si. Representação Tabular D = {dó, ré, mi, fá, sol, lá, si} Representação através do Diagrama de Euler-Venn Representação através de uma propriedade D = {x|x é nota musical } re fa la do mi sol si D Enumeração dos seus elementos. Apresentados entre chaves, separados por vírgula e sem repetição. O conjunto é representado por uma propriedade que descreve todos os elementos do conjunto. Os elementos são simbolizados por pontos inteiros em uma região plana, limitada por uma região fechada. 2.3 Simbologia utilizada em conjunto = pertence = não pertence = está contido = não está contido = tal que = contém = existe = para todo 2.4 Tipos de conjunto a) Universo: (U) b) Vazio: { } e Ø c) Unitário: S = {x|x é par ‹ 4} A = { 2 } d) Binário: S = {x|x é par ‹ 6} A = { 2,4 } e) Finito: enumerável D = {a, e, i, o ,u} f) Infinito Y = {2, 4, 6, 8, ...} g) Conjunto enumerável É aquele conjunto que é finito ou que seus elementos podem ser arranjados em forma de seqüência, e neste caso é chamado de infinito enumerável. Seja N o conjunto dos números inteiros não negativos. N = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ,9, 10,...} O conjunto n é infinito enumerável Exemplo: h) Conjunto não enumerável É aquele conjunto que é infinito, e que seus elementos não são arranjados em forma de seqüência. Exemplo: Seja F o intervalo unitário de números reais, isto é: F = {x | 0 x 1} i) Conjunto das partes Seja um conjunto A finito. É possível construir um novo conjunto cujos elementos sejam todos subconjuntos possíveis de A. Esse novo conjunto é denominado conjunto das partes de A. P(A) = x|x A Exemplo: A = a,b Subconjuntos de A = , a, b, a,b P (A) = , a, b, a,b 2.4.1 Subconjunto Considere: B = Todas as pessoas brasileiras; C = Todos os homens brasileiros; D = Todas as mulheres brasileiras H e M são subconjuntos de B 2.5 Operações em conjunto a) UNIÃO ( U ): A união de dois conjuntos A e B é o conjunto formado pelos elementos pertencentes a A ou a B. A B = x|x A ou x B Figura 1. Diagrama da operação união entre dois conjuntos A e B. Exemplos: 1) Sejam os eventos A e B dados por: A = {1, 3, 5, 6} B = {2, 4, 6} Temos que: A B = {1, 2, 3, 4, 5, 6} 2) Sejam os conjuntos D e E dados abaixo, então temos: D = {20, 1, 10} E = {1, 20} D E = {1, 10, 20}, isto é, se E D, D E = D Figura 2. Diagrama da operação união entre um conjunto D e um subconjunto E. Propriedades da União: 1) A A = A, A; 2) A Ø = A, A; 3) A B = B A, A, B; 4) (A B) C = A(B C), A, B, C; 5) A B = A B = B, A, B. b) INTERSEÇÃO (A B): A interseção de dois conjuntos A e B é o conjunto formado pelos elementos pertencentes a A e a B. A B = x|x A ou x B 1) Sejam os eventos A e B dados por: A = {1, 3, 5, 6} B = {2, 4, 6} Temos que: A B = {6} Exemplos: 2) Sejam os conjuntos B e C, então temos que: B = {2, 4, 6} C = {1, 10, 20} A C = Ø Figura 3. Diagrama de dois conjuntos A e B disjuntos, incompatíveis ou mutuamente exclusivos. Figura 4. Diagrama da operação interseção entre dois conjuntos A e B. Figura 5. Diagrama entre um conjunto D e um subconjunto E. 1) A A = A, A; 2) A Ø = Ø, A; 3) A B = B A, A, B; 4) (A B) C = A (B C), A, B, C; 5) A B A B = A, A, B. B A A B = B, A, B. Propriedades da Interseção: c) COMPLEMENTAR (AC): Dado o conjunto A contido no conjunto universo U, chama-se complementar de A ao conjunto dos elementos de U que não pertencem a A. Indica-se por A = Ac. Operação: complementação. A região hachurada na figura abaixo representa o complementar de A. A = AC = x|x U e x A Exemplos: 1) Sejam os conjuntos universo U e A dados por: U = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 10, 20} A = {1, 3, 5, 6} Então temos que: Ac = A = {2, 4, 10, 20} 2) Sejam os conjuntos universo U = N = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, ...} e A = N* = {1, 2, 3,4, 5, 6, ...}, então Ac = A= {0} Propriedades da Complementação: 1) A Ac = U; 2) A Ac = Ø; 3) Uc = Ø ; Øc = U; 4) (Ac)c = A. d) DIFERENÇA (A/B): Chama-se diferença A – B ao conjunto dos elementos do conjunto Universo U que pertencem a A e não pertencem a B. (A – B) = x U | x A e x B Figura 6. Diagrama da operação diferença entre dois conjuntos A e B. Figura 7. Diagrama da operação diferença entre um conjunto B e um subconjunto A. (B - A) = x U | x B e x A Ou 1) Sejam os conjuntos A e B, então temos que: A = {1, 3, 5, 6} B = {2, 4, 6} A – B =A\B = {1, 3, 5} Exemplos: 2) Sejam os conjuntos H e L, então temos que: U = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 10, 20} H = {0, 2, 4, 6, ...} L = {1, 3, 5, 7, ...} H – L = H 3) Sejam os conjuntos F e G, então temos que: U = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 10, 20} F = {1, 2, 3, 4, 5} G = {1, 2, 3} G – F = Ø Propriedades da Diferença: 1) A - A = Ø, A; 2) A - Ø = A, A; 3) Ø – A = Ø, A; 4) B A B – A = Ø, A, B; 5) A B A - B B - A, A, B; 6) A B = Ø A – B = A, A, B. 3. Conceitos de probabilidade (experimento, espaço amostral, evento) a) Experimento: É todo processo que gere dados brutos. Experimento determinístico: resultados previsíveis. Ex.: A água em um recipiente a certa temperatura passa do estado líquido para o gasoso. Experimento aleatório: Os resultados não são previsíveis, mesmo que haja um grande número de repetições do mesmo fenômeno. Exemplos: - Lançamento de uma moeda honesta - Lançamento de umdado - Retirada de uma carta de baralho de 52 cartas - Determinação da vida útil de um componente eletrônico b) Espaço amostral (S): conjunto de todos os resultados possíveis de um experimento. Exemplo 1: Jogar um dado e observar o número mostrado na face superior. S = ? Exemplo 2: Jogar duas moedas e observar o resultado. S = ? c) Evento (E): Qualquer subconjunto do espaço amostral S de um experimento aleatório. Se E = S, E é chamado evento certo; Se E S e E é um subconjunto unitário, E é chamado evento elementar; Se E = Ø, E é chamado evento impossível. Tipos de eventos Eventos simples: formado por um único elemento do espaço amostral. Evento composto: formado por mais de um elemento do espaço amostral Eventos mutuamente excludentes Dois eventos A e B não podem ocorrer simultaneamente, A ∩ B=Ø. Eventos não excludentes: Ocorre se A e B ocorrerem, A ∩ B. Eventos independentes: a ocorrência de um evento não possui efeito algum na probabilidade de ocorrência do outro. P(A∩B) = P(A) . P(B) Eventos dependentes: Se (A) e (B) são eventos, deseja-se definir uma quantidade denominada probabilidade condicional do evento (A) dado que o evento (B) ocorre, ou sob a forma simbólica: P (A/B) = P (A∩B) P(B) Exemplo: Se dois dados são lançados, qual a probabilidade de que cada um mostre no mínimo 5 pontos? A1= 5 ou 6 no lançamento do 1º dado A2= 5 ou 6 no lançamento do 2º dado Espaço amostral para cada dado: S1={1, 2, 3, 4, 5, 6} S2={1, 2, 3, 4, 5, 6} P(A1) = 2 P(A2) = 2 6 6 P(A1∩A2) = P(A1). P(A2) = 2 . 2 = 4 6 6 36 Solução direta pela contagem dos pontos do espaço amostral: Seja o evento: A={(5,5), (5,6), (6,5), (6,6)} (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) S= (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=36 Evento impossível: Não ocorre em qualquer realização de um experimento P (A) = Ø Evento certo (S): Ocorre em qualquer realização de um experimento A = S Ex: No lançamento de um dado, sairá a face 1,2,3,4,5 ou 6 1. A probabilidade de qualquer evento A é representada por um número entre 0 e 1,00: 0,00 ≤ P(A) ≤ 1,00 2. A probabilidade representada pelo espaço amostral é de 100%: P (qualquer evento do espaço amostral) = 1,00 3. A probabilidade de não ocorrência de um evento é 1,00 menos a probabilidade de sua ocorrência: 1,00 – P(A) = P(A´) ou P(A) + P(A´) = 1,00 Lembre-se!!! 4. Probabilidade e suas leis - Origens: A – Clássico: os resultados são igualmente prováveis. Ex: lançamento de uma moeda, jogo de dados etc. B – Empírico: se baseia na freqüência relativa de ocorrência de um evento num grande número de provas repetidas. Número vendido Número de dias 0 3 1 2 2 5 3 6 16 Ex: Arquivos de uma companhia imobiliária revelam que num período de 16 dias, a freqüência de casas vendidas por dia foi de: P (3) = 6/16 C – Subjetivo: utiliza estimativas pessoais de probabilidades baseado num certo grau de crença. Ex: Que nota receberá em seu próximo exame? Definição: Seja A um evento associado a um determinado experimento, a sua probabilidade é verificada por: P (A) = nº de maneiras que ocorre o evento A = #A nº de maneira que ocorre o espaço amostral #S Exemplos: a) Lança-se um dado. Qual a probabilidade de sair um número ímpar? Qual a probabilidade de sair o número 2? b) Uma carta é extraída ao acaso de um baralho. Qual a probabilidade de sair um ás? P(ás) = 4/52 = 1/13 = 0,076 = 7,6 %. 4.1 Probabilidade e chance Probabilidade: compara o número de resultados favoráveis com o número total de resultados possíveis. Chance: compara o número de resultados favoráveis com o número de casos desfavoráveis. Ex1: Suponhamos que uma urna contém 10 bolas, 8 vermelhas e 2 verdes. A probabilidade de escolher uma verde numa única extração é: A chance a favor de verde é de A chance a favor da vermelha é de ??? P(verde) = 2/10 = 1/5. 2 : 8, ou seja, 1 : 4. A chance a favor de um evento é igual à razão do número de resultados favoráveis para o número de resultados não-favoráveis Chance Experimento Evento P (evento) A favor Contra Lançar uma moeda uma vez Cara Lançar um dado uma vez Face 3 Extrair 1 carta de um baralho de 52 cartas 6 vermelho Extrair 1 carta de um baralho de 52 cartas Valete de ouro 1/2 1:1 1:1 1/6 1:5 5:1 2/52 2:50 50:2 1/52 1:51 51:1 Exercício... Na tabela abaixo, para cada experimento, determine a P (evento), a favor e contra Probabilidade do espaço amostral S = 1. Isto é, P(S) = 1 ou P(S) = 100 % P (A) + P(A’) = 1 EX: Jogar uma moeda. Probabilidade de: C ou K é 1,0. Probabilidade de um evento complementar Consiste de todos os resultados no espaço amostral que não façam parte do evento EX: evento E: ocorrência do número 3 ou 4 no único lançamento de um dado. p = Pr {E} = 2/6 = 1/3 ( faz parte do evento) q = Pr {não E} = 1 – 1/3 = 2/3 (não faz parte do evento) Matemática da probabilidade Ocorrência de “ambos” os eventos: P (A e B) Ocorrência de “um ou outro”: P (A ou B) Exemplos: Considere dois elevadores de um edifício a) Qual a probab. de um elevador estar em serviço? b) Qual a probab. de ambos estarem em serviço? c) Qual a probab. De um ou outro estar em serviço? Eventos independentes: a ocorrência de um não influencia a ocorrência do outro. EX: lançamento de dois dados. Se dois eventos são independentes então a probabilidade de ocorrência de ambos é igual ao produto de suas probabilidades individuais. P(A ⋂ B) = P(A) x P(B) Ex1: lançamento de duas moedas S={cc, ck, kc, kk} Qual a probabilidade de ambas darem cara? produto das probabilidades P(cc) = P (c). P (c)= 1/2 x 1/2 = 1/4. Exercício: 1. Suponhamos que queiramos estender este resultado ao acaso de três moedas. Qual a probabilidade de três caras? 2. Um terço dos eleitores de certa comunidade é constituído de mulheres, e 40% dos eleitores votaram na última eleição presidencial. Supondo que esses dois eventos sejam independentes, determine a probabilidade de escolher aleatoriamente um eleitor da lista geral, que seja mulher e que tenha votado na última eleição presidencial. P (mulher que votou na última eleição) = 1/3 . (0,40) = 0,133 Eventos compostos Ocorrência de ambos os eventos E1 e E2. Pr {E2 E1} = Pr {E1} Pr {E2} → Eventos Independentes. ↓ Ex: lançamento de um dado e duas moedas. Qual a probabilidade de obter um cinco e duas coroas em um único lançamento. P(5KK) = P (5 ∩ K ∩ K) = P (5) x P (K) x P (K) = Adição de probabilidades A probabilidade de ocorrência do evento A, ou de B, ou de ambos: P(A, B ou ambos)= P(A) + P(B) – P(A ∩ B) A e B mutuamente exclusivos (ocorrência de um deles exclui a dos outros): P(A ou B)= P(A) + P(B). Ex: Probabilidadede retirar uma carta vermelha ou um Rei, onde A = {carta vermelha} e B = {Rei}. - A e B não são mutuamente exclusivos (rei de ouro e copas). P(A, B, ou ambos)= P(A) + P(B) – P(A ∩ B) Ex: Probabilidade de retirar uma carta de espadas ou dama de ouros, onde A = {carta de espada} e B = {dama de ouros}. - A e B são mutuamente exclusivos, pois P(A ∩ B) = Ø. P(A ou B)= P(A) + P(B) Probabilidade condicional Denomina-se probabilidade condicional a probabilidade de ocorrer determinado evento sob uma dada condição. ↓ Eventos: A e B → Probabilidade de B ocorrer depois de A ter acontecido → P {B | A}. Ex: 10 rótulos de papel (distinguidos pelo número e pela cor). Numerados por 1, 2 e 3 (amarelos) e os restantes ( brancos). * Na urna e retirados ao acaso: P (A)= 1/10. ↓ • Retirando um rótulo ao acaso e se for amarelo qual a probabilidade de ser aquele com número 1? P (R1 e amarelo) = 1/10 = 1/3. 3/10 Eventos A e B não independentes: P (A/B) = P (A x B) / P (B) = P (A ∩ B) / P (B). Ex: uma carta é retirada de um baralho. Qual a probabilidade de ser um rei preto, dado que a carta retirada foi uma figura (valete, dama ou rei)? A = {rei preto} e B = {figura}. -- No baralho, existem dois reis pretos , os quais são também figuras. Exercícios ...ws.75 1. Joga-se um par de dados: a. Qual a probabilidade de ambas as faces serem seis? b. Qual a probabilidade de ambas as faces serem dois? 2. As falhas de diferentes máquinas são independentes umas das outras. Se há quatro máquinas, e se suas respectivas probabilidades de falha são 1%, 2%, 5% e 10% em determinado dia, calcule as probabilidades: a. De todas falharem em determinado dia. b. De nenhuma falhar. 3. Um florista garante: “90% das sementes contidas neste pacote germinarão”. Supondo que cada semente tenha 90% de probabilidade de germinar e que cada pacote contenha 5 sementes, calcule: a. A probabilidade de nenhuma semente do pacote germinar. b. A probabilidade de todas germinarem. a. 1/36 b. 1/36 a. 0,000001 b. 0,83 a. (1 – 0,90)5 b. 0,905 4. As probabilidades de 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7 acidentes em um dia de semana entre 1 e 6 horas da manhã são, respectivamente 0,08, 0,15, 0,20, 0,25, 0,18, 0,07, 0,04 e 0,01. Determine as seguintes probabilidades para um dia qualquer da semana naquele horário: a. Menos de 3 acidentes b. 3 ou menos acidentes c. Exatamente 3 acidentes d. Nenhum acidente e. Mais de 7 acidentes 5. Bob aguarda com ansiedade o resultado de dois exames que acaba de fazer. Ele estima em 0,80 a probabilidade de obter A em língua inglesa, e em 0,40 a probabilidade de obter A em filosofia. Determine as seguintes probabilidades: a. Grau A em ambos os exames b. Nenhum exame c. A em inglês, não A em filosofia d. Nenhum dos resultados anteriores Eventos mutuamente exclusivos P(A ou B) = P(A) + P(B) Eventos independentes P(A ⋂ B) = P(A) x P(B) 5. Teorema de Bayes Sua utilidade consiste em permitir-nos calcular a probabilidade a “Posteriori” P(A/B), em termos das informações a “Priori” P(A) e P(B). - Casos de revisão de probabilidades a medida que forem obtidas novas informações. Gaveta 1 Gaveta 2 Gaveta 3 2 moedas de $ 0,50 2 moedas de $ 1,00 1 moeda de $ 0,50 e 1 de $ 1,00 P (G1) = P (G2) = P (G3) – probabilidade a priori Ex: E1 = Gaveta 1; E2 = Gaveta 2; E3 = Gaveta 3. A = moeda de $ 1,00. P(G1) = P(G2)=P(G3) = 1/3 Retira-se uma moeda ao acaso de uma gaveta, e verifica-se que a moeda é de $ 1,00. Probabilidade a priori: ajustada em função desta informação -Processo utilizado para obter probabilidades a posteriori ( teorema de Bayes). Relaciona resultados a priori P (Ei) com probabilidade a posteriori P (Ei/A). Ex: E1 = gaveta 1; E2 = Gaveta 2; E3 = Gaveta 3; A = moeda de $ 1,00. Logo: P(E1/A) 1/3 + 1/6 = 1/2. 6.Técnicas de contagem 6.1 O princípio da multiplicação Exemplo: Teste de 3 questões do tipo “V” ou “F” Estudante --- Não estudou: palpite todos os resultados possíveis Diagrama em árvore Nº Questões Total de resultados 1 2 = 2 2 2 x 2 = 4 3 2 x 2 x 2 = 8 quadro Qual a probabilidade do estudante acertas as 3 questões? Exemplo: Qual a probabilidade de um estudante acertar 20 questões do tipo “V” ou “F”, considerando que o mesmo irá chutar as alternativas, com base no seu palpite? Princípio da multiplicação Serve de base para outras duas técnicas Permutações (arranjos) Combinações De um modo geral, se há n decisões seqüenciais com x escolhas, o número total de resultados possíveis é xn 6.2 Permutações, arranjos e combinações Arranjo ou permutação: a ordem em que os elementos se dispõem é importante. Ex.: Respostas a um teste de múltipla escolha Combinação: a ordem não interessa Ex.: Uma equipe formada por duas pessoas, Marta e Paula. É a mesma equipe formada por Paula e Marta. Ex.: Soma ou produto de dois números 10 + 5 = 5 + 10 10 x 5 = 5 x 10 Exemplo 1: Suponhamos que haja 4 times de futebol em um torneio. De quantas maneiras pode apresentar-se o resultado final, 1º, 2º, 3º e 4º lugar? E se houvesse 6 times? quadro Fatorial ! Exemplo 2: Se há sete cavalos num páreo, quantos arranjos há considerando 1º, 2º e 3º lugares? Utilizando o princípio da multiplicação? Utilizando arranjos? A n,x = n! (n-x)! Permutações distinguíveis: Exemplo 1: Suponhamos que haja 3 moedas de R$0,10 centavos e 2 moedas de R$ 0,20 centavos, quantas permutações distinguíveis é possível se obter? P n n1, n2, n3, ..., nk = n! (n1 !) (n2 !) (n3!) ... nk ! quadro Exemplo 2: Quantas permutações distintas de 3 letras podemos formar com as letras R R R R U U U N? quadro Combinações: Quando não interessa a ordem De um modo geral, para grupamentos de tamanho x extraídos de uma lista de n itens, o número de combinações possíveis é: Exemplo 1: Quantos comitês distintos, de 3 pessoas cada um, podemos formar com um grupo de 10 pessoas? Exemplo 2: De quantas maneiras podemos formar um comitê de 1 mulher e 2 homens, de um total de 4 mulheres e 6 homens? quadro quadro Exercícios ...ws.75 1. Um cardápio oferece cinco tipos de carne ou peixe, três de salada, dois de batatas e quatro de vegetais. Quantos jantares é possível formar, com um tipo de cada um? 2. Um vendedor de automóveis deseja impressionar os possíveis compradores com o número de combinações diferentes possíveis. Um modelo pode ser dotado de três tipos de motor, dois tipos de transmissão, cinco cores externas e duas internas. Quantas são as escolhas possíveis? 3. De quantas maneiras podemos escolher um comitê de cinco pessoas dentre oito? 4. Joga-se uma moeda sete vezes. De quantas maneiras podem ocorrer os seguintes resultados? a. Cinco caras b. Quatro caras c. Todas caras d. Uma cara
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