Introdução à Teoria das Probabilidades JOELMIR FELICIANO Conceitos Básicos Experimento Aleatório ou Fenômeno Aleatório Situações ou acontecimentos cujos resultados não podem ser previstos com certeza. Exemplos: • Condições climáticas do próximo domingo; • Taxa de inflação do próximo mês; • Resultado ao lançar um dado ou moeda; • Tempo de duração de uma lâmpada. Espaço Amostral ( ou S) Conjunto de todos os possíveis resultado de um experimento aleatório ou fenômeno aleatório. Exemplos: 1. Lançamento de um dado. ={1,2,3,4,5,6} 2. Tipo sanguíneo de um individuo. ={A, B, AB,0} 3. Opinião de um eleitor sobre um projeto. ={Favorável,Contrário} 4. Tempo de duração de uma lâmpada ={t; t>0) Evento subconjunto do espaço amostral Notação: A, B, C,... Exemplos: No exemplo 1, alguns eventos: A: sair face par: A={2,4,6} B: Sair face maior que 3 B={4,5,6} C: sair face 1 C={1} D: sair face 7 D={ } (evento impossível)= (conjunto vazio) Operação com eventos Sejam os eventos A e B definidos no mesmo espaço amostral •AB: União dos eventos A e B. Representa a ocorrência de pelo menos um dos eventos A ou B •AB: Intersecção dos eventos A e B. Representa a ocorrência simultânea dos eventos A e B. • A e B são disjuntos ou mutuamente exclusivos quando não têm elementos em comum, isto é, AB= • A e B são complementares se sua intersecção é vazia e sua união o espaço amostral, isto é. AB= e AB= . • O complementar de um evento A é representado por A C ou A Exemplo: Lançamento de um dado = {1, 2, 3, 4, 5, 6} Eventos: A = {2, 4, 6}, B = {4, 5, 6} e C = {1} • A B: = {2, 4, 6} {4, 5, 6} = {4, 6} • A C = {2, 4, 6} {1} = • A B = {2, 4, 6} {4, 5, 6} = {2, 4, 5, 6} • A C = {2, 4, 6} {1} = {1, 2, 4, 6} • AC = {1, 3, 5} Exercícios 1. Descrever o espaço amostral (S) a cada um dos experimentos a seguir: (1) Lançam-se dois dados honestos e observam-se os números nas faces voltadas para cima; (2) Cada uma das três pecas usinadas é classificada como acima da especificação (a) e abaixo da especificação (b) padrão para a peça; (3) Chamadas são repetidamente feitas em uma linha telefônica ocupada ate que uma conexão seja alcançada. 2. Descrever o espaço amostral (S) e eventos associados a cada um dos experimentos a seguir: E1: Lançar uma moeda três vezes, sucessivamente, e anotar a sequência de caras (c) e coroas (k). A1: Sair pelo menos duas caras. E2: Numa linha de produção conta-se o numero de pecas defeituosas num período de 1 hora. A2: Obter menos de 3 defeituosas. E3: Mede-se a duração de lâmpadas, deixando-as acesas ate queimarem. A3: O tempo de vida da lâmpada e inferior a 30 horas. E4: Um fabricante produz um determinado artigo. Da linha de produção são retirados 3 artigos e cada um é classificado como bom (b) ou defeituoso (d). A4: Pelo menos dois artigos são bons. Exercícios 3. Quatro estudantes de Engenharia Civil da UFMS são selecionados aleatoriamente em uma aula de Probabilidade e Estatística. Liste os elementos do espaço amostral S1 usando a letra m para representar estudantes do sexo masculino e f para feminino. Defina um segundo espaço amostral S2, onde os elementos representam o numero de estudantes do sexo feminino selecionados. 4. Sejam A, B e C três eventos quaisquer. Estabeleça uma expressão para os eventos abaixo: (a) A e B ocorrem; (b) A ou B ocorrem; (c) B ocorre, mas A não ocorre; (d) A não ocorre; (e) não ocorre A e não ocorre B; (f) A e B ocorrem, mas C não corre; (g) somente A ocorre, mas B e C não ocorrem. Exercícios 5. Três componentes estão conectados para formar um sistema conforme exibido na figura a seguir. Como os componentes no subsistema 2-3 estão conectados em paralelo, esse subsistema funcionara se ao menos um dos dois componentes individuais funcionar. Para que todo o sistema funcione, o componente 1 deve funcionar, bem como o sistema 2-3. Figura 1: Sistema dos componentes. O experimento consiste em determinar a condição de cada componente (sucesso [S] para um componente que funciona bem e falha [F] para o componente que não funciona). (a) Que resultados estão contidos no evento A para que exatamente dois dos três componentes funcionem? (b) Que resultados estão contidos no evento B para que ao menos dois componentes funcionem? Probabilidade Pergunta: Como atribuir probabilidade aos elementos do espaço amostral? Definições de probabilidades Definição Clássica ou a priori Se um experimento aleatório tiver n() resultados mutuamente exclusivos e igualmente prováveis e se um evento A tiver n(A) desses resultados. A probabilidade do evento A representado por P(A), é dado por: P( A) n( A) n() Exemplo: Considere o lançamento de 2 dados balanceados. Calcular a probabilidade de: a) Obter soma 7; b) Obter soma maior que 10; c) Que o resultado do primeiro dado seja superior ao resultado do segundo. 1,1 2,1 3,1 4,1 5,1 6,1 a) 1,2 2,2 3,2 4,2 5,2 6,2 1,3 2,3 3,3 4,3 5,3 6,3 1,4 1,5 2,4 2,5 3,4 3,5 4,4 4,5 5,4 5,5 6,4 6,5 1,6 2,6 3,6 4,6 5,6 6,6 A={(1,6),(5,2),(4,3),(3,4),(2,5),(6,1)} P(A)=n(A)/n()=6/36=1/6 b) B={(5,6),(6,5),(6,6)} => P(B) = 3/36 = 1/12. c) P(C)= 15/36. Definição frequentista ou a posteriori Suponhamos que realizamos um experimento n vezes (n grande) e destas o evento A ocorre exatamente r<n vezes, então a frequência relativa de vezes que ocorreu o evento A, “r/n”, é a estimação da probabilidade que ocorra o evento A, ou seja, P ( A) r n Essa estimação da probabilidade por frequência relativa de um evento A, é próxima da verdadeira probabilidade do evento A, quando n tende ao infinito. Exemplo: Considere o lançamento de uma moeda. Calcular a probabilidade de A={ resultado obtido é cara}. Cara Coroa n fr1 2/5 3/5 5 fr2 6/10 4/10 10 fr3 22/50 28/50 50 fr4 47/100 53/100 100 frA 0,5 0,5 Definição axiomática A probabilidade de um evento A define-se com o número P(A), tal que satisfaz os seguintes axiomas: (i ) 0 P ( A) 1, A (ii) P () 1 (iii) Se A1 , , An são eventos mutuamente exclusivos, então n P A i i 1 n P( A ) i 1 i Propriedades 1. P( ) 0 Regra da adição de probabilidades 2. Se A então, P( A) 1 P( Ac ) ou P( Ac ) 1 P( A) 3. Se A B então, P( A) P( B) 4. Se A, B então, P( A B) P( A) P( B) P( A B) 5. Se A, B, C então, P( A B C ) P( A) P( B) P(C ) P( A B) P( B C ) P( A C ) P( A B C ) Exemplo 1. Na tabela 1, apresenta-se a composição por raça e sexo de uma população de um país. Tabela 1: Distribuição da população por raça e sexo. Sexo Raça Masculino Feminino Total Branca 1726384 2110253 3836637 Outra 628309 753125 1381434 Total 2354693 2863378 5218071 Suponha que selecionamos um habitante desse país e consideremos os eventos: H: "o habitante selecionado é do sexo masculino" Hc:"o habitante selecionado é do sexo feminino" B: "o habitante selecionado é da raça branca" Bc: "o habitante selecionado é de outra raça" H B : "o habitante selecionado é de sexo masculino e da raça branca" H B : "o habitante selecionado é de sexo masculino ou da raça branca" Hc B : "o habitante selecionado é de sexo feminino e da raça branca" Hc B : "o habitante selecionado é de sexo feminino ou da raça branca" Hc Bc :"o habitante selecionado é de sexo feminino e de outra raça " Hc Bc "o habitante selecionado é de sexo feminino ou de outra raça" As probabilidades de cada um destes eventos são: 2354693 0,4512; 5218071 P ( H c ) 1 P ( H ) 1 0,451 0,5488; 3836637 P( B) 0,7352 5218071 P ( B c ) 1 P ( B ) 1 0,7352 0,2648 1726384 P( H B) 0,3308 5218071 P( H B) P( H ) P( B) P( H B) 0,4512 0,7352 0,3308 0,8556; 2110253 P( H c B) 0,4044; 5218071 P( H c B) P( H c ) P( B) P( H c B) 0,5488 0,7352 0,4044 0,8796. 753125 P( H c B c ) 0,1443 5218071 P( H c B c ) P( H c ) P( B c ) P( H c B c ) 0,5488 0,2648 0,1443 0,6693. P( H ) Exercícios Exercícios 3. Sejam A e B acontecimentos tais que P(A)+P(B) = x e P(A∩B) = y. Determine em função de x e de y a probabilidade de: (a) Não se realizar nenhum dos dois acontecimentos. (b) Que se realize um e só um dos dois acontecimentos. (c) Que se realize pelo menos um dos dois acontecimentos. (d) Que se realize no máximo um único acontecimento. 4. Dados P ( A) 1 , P( B) 3 e P( A B) 1 . 2 8 8 Calcule P ( A B ), P ( Ac B c ), P ( Ac B c ), P ( A B c ) e P ( Ac B ). Respostas : 0,75; 0,25; 0,875; 0,375 e 0,25. 5. Suponha que P ( A / B ) 0,4 e P ( B ) 0,5. Calcule P ( Ac B ). Resposta : P(A c B) 0,3. Exercícios 6. Uma associação de industrias transformadoras de resinas plásticas e composta de 20 empresas que produzem sacos plásticos (S), 10 que produzem garrafas (G), 8 que produzem utensílios domésticos (U) e 2 que se encarregam de brinquedos (B). Ao escolhermos uma empresa ao acaso, achar a probabilidade de que: (a) seja uma indústria que produza sacos plásticos ou utensílios domésticos; (b) seja uma indústria produtora de sacos plásticos ou brinquedos; (c) não seja uma indústria que produza garrafas. Respostas: (a) 28/40; (b) 22/40; (c) 30/40. 7. Uma sala de aula de Engenharia consiste em 25 estudantes de Engenharia de Produção, 10 de Computação, 10 de Elétrica e 8 de Engenharia Civil. Se uma pessoa e selecionada aleatoriamente pelo professor para responder a uma pergunta, determine a probabilidade de que o estudante escolhido seja: (a)um estudante de Engenharia de Produção; (b)um estudante de Engenharia Civil ou Elétrica. Respostas: (a) 25/53; (b) 18/53. Probabilidade Condicional e Independência Definição:[Probabilidade condicional] Sejam A e B dois eventos em um mesmo espaço amostral, , a probabilidade condicional de A dado que ocorreu o evento B, é representado por P(A|B) é dado por: P( A B) P( A | B) , P ( B ) 0. P( B) (1) Exemplo 2. Selecionamos uma semente, ao acaso, uma a uma e sem reposição de uma sacola que contem 10 sementes de flores vermelhas e 5 de flores brancas. Qual é a probabilidade de que : (a) a primeira semente seja vermelha. ? (b) a segunda seja branca se a primeira foi vermelha.? Probabilidade Condicional e Independência Sejam os eventos: V1 : " A 1a semente é vermelha"; V1c :" A 1a semente é branca" V2 : " A 2 a semente é vermelha"; V2c :" A 2 a semente é branca" (a) (b) 10 2 P(V1 ) 15 3 P(V2c 5 | V1 ) 14 Essas probabilidades podem ser representados em um diagrama da árvore de probabilidades, a qual é mostrado na figura 1 Probabilidade Condicional e Independência Figura 1: Diagrama de árvore de probabilidade Da expressão (1), pode-se deduzir uma relação bastante útil, P( A B) P( B) P( A | B), Que é conhecida como regra do produto de probabilidades ou probabilidade da interseção Probabilidade Condicional e Independência Exemplo 3: No exemplo 2, suponha que temos interesse em determinar a probabilidade que as duas sementes selecionadas sejam brancas. O evento é V1c V2c : " a 1a e 2a semente são brancas" 5 4 2 P(V V ) P(V ) P(V | V ) 15 14 21 c 1 c 2 c 1 c 2 c 1 Teorema 1: Se B é um evento em , tal que P(B)>0, então: 1. P( | B) 0 2. Se A, B , então : P(Ac | B) 1 P( A | B) ou P( A | B) 1 P(Ac | B) 3. Se A, B, C , então: P( A C | B) P( A | B) P(C | B) P( A C | B). Probabilidade Condicional e Independência Exemplo 3: Na Cidade de São Paulo, a probabilidade de chuva no primeiro dia de setembro é 0,50 e a probabilidade de chuva nos dois primeiros dias de setembro é 0,40. Se no primeiro de setembro choveu, qual é a probabilidade que no dia seguinte não chova ? Solução: Sejam os eventos: A:” chove no primeiro de setembro”, B:”chove no segundo dia de setembro”. Do enunciado do problema temos : P(A)=0,50 e P(AB)=0,40. A probabilidade pedida é: P( A B) 0,40 P( B | A) 1 P( B | A) 1 1 0,20 P( A) 0,50 c * * Pelo teorema 1.2. Probabilidade Condicional e Independência Definição[Independência de eventos] Dois eventos A e B são independentes se a informação da ocorrência ou não de B não altera a probabilidade da ocorrência de A. Isto é, P(A|B)=P(A), P(B)>0 Consequentemente, temos que dois eventos A e B são independentes se somente se, P(AB)=P(A)P(B). Exemplo 4: Em uma escola 20% dos alunos tem problemas visuais, 8% problemas auditivos e 4% tem problemas visuais e auditivos. Selecionamos um aluno desta escola ao acaso: (a) os eventos de ter problemas visuais e auditivos são eventos independentes? (b) se aluno selecionado tem problemas visuais, qual é a probabilidade de que tenha problemas auditivos? (c)qual é a probabilidade de não ter problemas visuais ou ter problemas auditivos ? Probabilidade Condicional e Independência Solução: sejam os eventos: V:” o aluno tem problemas visuais” A:” o aluno tem problemas auditivos”. Do enunciado temos: P(V)=0,20, P(A)=0,08 e P(AV)=0,04. (a ) P(V ) P( A) 0,2 0,08 0,016 P(V A) 0,04. Como P (V A) P (V ) P ( A), A e V não são independentes. P (V A) 0,04 (b) P ( A | V ) 0,20. P (V ) 0,20 (c) P (V c A) P (V c ) P( A) P (V c A) 1 P (V ) P( A) P ( A) P(V c | A) 1 P (V ) P ( A) P ( A)1 P (V | A) P (V A) 1 P (V ) P ( A) P ( A) 1 P( A) 0,04 1 0,2 0,08 0,081 0,84 0,08 Probabilidade Condicional e Independência Teorema 2: Se A , B eventos em são eventos independentes, então: (i ) A e B c são independen tes. (ii ) A c e B são independen tes (iii) A c e B c são independen tes Exemplo 5: Um atirador acerta 80% de seus disparos e outro (na mesmas condições de tiro), 70%. Qual é a probabilidade de acertar se ambos atiradores disparam simultaneamente no alvo.? Considere que o alvo foi acertado quando pelo menos, uma das duas balas tenha feito impacto no alvo. Probabilidade Condicional e Independência Sejam os eventos : Bi :" o atirador i acerta o alvo" , i 1,2. P(B1 ) 0,8 e P( B2 ) 0,7. Logo, P( B1 B2 ) P(B1 ) P(B2 ) P( B1 B2 ) P(B1 ) P(B2 ) P(B1 ) P(B2 ) 0,8 0,7 0,8 0,7 0,94 Alternativamente este exemplo, pode ser resolvido de uma segunda forma : P( B1 B2 ) 1 P( B1c B2c ) 1 P( B1c ) P( B2c ) 1 1 P(B1 )1 P(B2 ) 1 [1 0,8][1 0,7] 0,94. Teorema de Bayes Definição [Partição do espaço amostral]. Uma coleção de eventos B1 , , B k formam uma partição do espaço amostral se eles não têm intersecção entre si e sua união é igual ao espaço amostral. Bi B j para i j k e B i i 1 Teorema da probabilidade total. Se B1 , , B k , formam uma partição do espaço amostral , então qualquer evento A em , satifaz: P( A) P( B1 ) P( A | B1 ) P( Bk ) P( A | Bk ) k P( B ) P( A | B ) i i 1 i Teorema de Bayes Teorema Bayes. Se B1 ,, Bk , formam uma partição do espaço amostral , e A é qualquer evento em , então: P (Bi | A) P (Bi )P ( A | Bi ) k P (Bi )P ( A | Bi ) i 1 Exemplo 6: Uma montadora trabalha com 2 fornecedores (A e B) de uma determinada peça. As chances de que uma peça proveniente dos fornecedores A e B esteja fora das especificações são 10% e 5% respectivamente. A montadora recebe 30% das peças do fornecedor A e 70% de B. Se uma peça do estoque inteiro é escolhido ao acaso: (a) Calcule a probabilidade de que ela esteja fora das especificações. (b) Se uma peça escolhida ao acaso está fora das especificações, qual é a probabilidade que venha do fornecedor A ? Teorema de Bayes Solução: Sejam os eventos: A: “ peça selecionada seja do fornecedor A” B:” peça selecionada seja do fornecedor B” E:” peça selecionada esteja fora das especificações” Do enunciado do problemas temos: (A)=0,30; P(B)=0,70; P(E|A)=0,10 e P(E|B)=0,05. Teorema de Bayes Pelo teorema da probabilidade total temos: (a) P(E)=P(A)P(E|A)+P(B)P(E|B)=(0,30)(0,10)+(0,70)(0,05)=0,065 (b) P(A|E)=? Pelo teorema de Bayes temos: P( A | E ) P( A) P( E | A) 0,30 0,10 0,03 0,46 P( A) P( E | A) P( B) P( E | B) 0,30 0,10 0,70 0,05 0,065 A solução do exemplo anterior é facilitada pelo diagrama de árvore de probabilidades. Exercícios 1. Um aluno vai se formar em Engenharia Civil no final do semestre. Depois de ser entrevistado por duas empresas de construção civil, ele avalia que a probabilidade de conseguir uma oferta da empresa A e de 0.8 e da empresa B e de 0.6. Se, por outro lado, ele crê que a probabilidade de conseguir uma oferta das duas empresas e de 0.5, qual e a probabilidade de que ele consiga uma oferta de pelo menos uma das empresas? Resposta: 0.9. 2. Certo tipo de motor elétrico falha se ocorrer uma das seguintes situações: emperramento dos mancais, queima dos enrolamentos, desgaste das escovas. Suponha que o emperramento seja duas vezes mais provável do que a queima, esta sendo quatro vezes mais provável do que o desgaste das escovas. Qual será a probabilidade de que a falta seja devida a cada uma dessas circunstâncias? Respostas: 8/13, 4/13 e 1/13. Exercícios 3. Certo motor de um Peneirador elétrico tem duas lâmpadas que podem estar acesas ou apagadas, tendo sido observadas as seguintes probabilidades apresentada no quadro adiante. O quadro mostra por exemplo, que ambas as lâmpadas estavam simultaneamente apagadas 30% do tempo. Lâmpada 1 Acesa Apagada Lâmpada 2 Acesa Apagada 0,15 0,45 0,10 0,30 Pergunta-se: (a) O fato da lâmpada 1 acesa e independente da lâmpada 2 acesa? Justifique sua resposta. (b) O fato da lâmpada 2 apagada e independente da lâmpada 2 acesa? Justifique sua resposta. Respostas: (a)Sim; (b)Não. Exercícios 4. Amostras de emissões de três fornecedores são classificados com relação a satisfazer as especificações de qualidade do ar. Os resultados de 100 amostras são resumidos a seguir: Fornecedor Conforme Sim Não I 22 8 II 25 5 III 30 10 Seja A o evento em que uma amostra seja proveniente do fornecedor I e B o evento em que uma amostra atenda as especificações. Se uma amostra aleatória for selecionada ao acaso, determine as seguintes probabilidades: P( A), P( B), P(A C ), P( A B), P( A B) e P( Ac B). Respostas : 0,3; 0,77; 0,7; 0,22; 0,85 e 0,92. Exercícios 5. Discos de plástico de policarbonato, provenientes de um fornecedor, são analisados com relação a resistência a arranhões e a choque. Os resultados de 100 discos estão resumidos a seguir: Resistência a Arranhões Resistência a Choque Alta Baixa Alta 70 9 Baixa 16 5 (a) Se um disco for selecionado ao acaso, qual será a probabilidade de sua resistência a arranhões ser alta e de sua resistência a choque ser alta? (b) Se um disco for selecionado ao acaso, qual será a probabilidade de sua resistência a arranhões ser alta ou de sua resistência a choque ser alta? (c) Considere o evento em que um disco tenha alta resistência a arranhões e o evento em que um disco tenha alta resistência a choque. Esses dois eventos são mutuamente excludentes (exclusivos)? Respostas: (a) 0.70; (b) 0.95 e (c) Não. Exercícios 6. Numa faculdade 30% dos homens e 20% das mulheres estudam Engenharia Civil. Além disso, 45% dos estudantes são mulheres. Se um estudante selecionado aleatoriamente esta estudando Engenharia Civil, qual a probabilidade de que este estudante seja mulher? Resposta: 0.3529. 7. A chance é 1% de que um conector elétrico, que seja mantido seco, falhe durante o período de garantia de um Compactador. Se o conector for molhado, a chance de falha durante o período de garantia será de 5%. Se 90% dos conectores forem mantidos secos e 10% forem mantidos molhados, qual será a probabilidade de conectores que falharão durante o período de garantia? Resposta: 0.014. 8. Se P( A / B) 0,3, P( B) 0,8 e P(A) 0,3. Os eventos A e B são independentes? Resposta : Sim. Exercícios 9. A aspereza nas bordas de produtos de papel cortado aumenta a medida que as laminas de uma faca vão sendo gastas. Somente 1% dos produtos cortados com novas laminas tem bordas ásperas, 3% dos produtos cortados com novas laminas mediante afiadas exibem rugosidade e 5% dos produtos cortados com novas laminas gastas exibem rugosidade. Se 25% das laminas na fabricação de papel forem novas, 60% forem mediante afiadas e 15% forem gastas, qual será a proporção dos produtos que exibem uma aspereza nas bordas? Resposta: 0.028. 10. Três alarmes estão dispostos de tal maneira que qualquer um deles funcionara independentemente, quando qualquer coisa indesejável ocorrer. Se cada alarme tem probabilidade 0.9 de trabalhar eficientemente, qual e a probabilidade de se ouvir o alarme quando necessário? Resposta: 0.999. ANÁLISE COMBINATÓRIA Variáveis Aleatórias Discretas. Distribuição Uniforme Discreta Considere uma v.a. X cujos valores são inteiros de 𝑥1 , 𝑥2 , … , 𝑥𝑁 , equiprováveis, ou seja, todos os valores têm igual probabilidade de ocorrência. Assim 𝑋 tem distribuição Uniforme se, e somente se, 𝑃 𝑋 = 𝑥𝑖 = 𝑝 𝑥𝑖 = N 1 E( X ) 2 1 , para todo 𝑖 = 1, 2, … , 𝑁. 𝑁 N 2 1 Var ( X ) 12 Exemplo: Lança-se um dado e define-se uma v.a. X como o valor obtido neste dado. X: {1, 2, ..., 6} EX 6 1 3,5 2 𝑃 𝑋 = 𝑥𝑖 Var ( X ) 1 = 6 36 1 2,92 12 56 Variáveis Aleatórias Contínuas. Distribuição Exponencial Uma variável aleatória contínua X tem distribuição exponencial com parâmetro , se sua função de densidade é dado por 1 x e , f ( x) 0, x0 c.c Notação: X~Ex(). Pode-se mostrar: E ( X ) , Var ( X ) 2