Variáveis aleatórias
Função de probabilidade, densidade, distribuição acumulada, momentos e transformações.
Na inspeção de dez peças, o resultado é uma sequência de aprovadas e rejeitadas. A variável aleatória associa a cada sequência o número de falhas, de 0 a 10. Se falharem as peças 1 e 2 ou as peças 4 e 8, obtemos em ambos os casos . A distribuição de X reúne as probabilidades de todas as sequências que dão a mesma contagem.
Distribuição discreta
Se os valores possíveis formam um conjunto finito ou contável, a função de probabilidade é . Os valores são não negativos e somam 1. Para calcular a probabilidade de um acontecimento, somam-se as probabilidades dos valores que o satisfazem.
Exemplo. Uma variável tem valores com probabilidades . Como a soma deve ser 1, . Então , mas . Neste modelo, .
Distribuição acumulada
A função de distribuição é
É não decrescente, contínua à direita e tende para 0 e 1 quando x tende para e . Na variável anterior,
O ponto preenchido indica o valor na fronteira; o círculo aberto indica o patamar que termina antes dela. e : a massa no ponto é a diferença, não a altura total.
O salto em tem tamanho 0,5, igual a ; em geral,
Para incluir a, subtrai o limite à esquerda: , onde ; num modelo discreto, trocar por pode mudar a resposta.
Densidade contínua
Nos modelos contínuos com densidade, e . As probabilidades são áreas:
Quando a derivada existe, . Uma altura de densidade pode exceder 1; a área total é que vale 1. Neste modelo, para qualquer ponto. Isso não significa que X nunca tome um valor: uma medição cai sempre num ponto, mas cada ponto isolado tem probabilidade nula.
Normalização e mediana de uma densidade
Se para e zero fora desse intervalo, a condição da área dá
No interior, . Fora dele, F é 0 para e 1 para . Portanto,
A mediana populacional m satisfaz , logo ; não é o ponto médio do suporte, pois a densidade dá mais peso a valores elevados.
Valor esperado e variância
O valor esperado é uma média ponderada pela distribuição, não necessariamente um valor que X possa tomar:
Estas fórmulas requerem integrabilidade do valor absoluto para uma média finita; mais geralmente, obtém-se substituindo x por na soma ou integral, pois em geral .
A variância é
com e segundo momento finito. O desvio padrão é .
Na variável discreta com valores ,
No exemplo contínuo, e . A variância é .
Transformar uma variável
Para ,
Se X é a variável discreta anterior e , os valores de Y são , com as mesmas probabilidades; a média é e a variância é .
Para uma transformação não linear, volta à definição, porque a média não passa pela função: se , no mesmo exemplo , e não . Transformar os dados pode ajudar a analisar a forma, mas transforma também o parâmetro que estás a estudar.
Exercícios
Normalizar e calcular a variância
X toma valores 0, 1 e 3 com probabilidades 0,25, c e 0,50. Calcula Var(X).
Pista
As probabilidades somam 1.
Área sob uma densidade
Uma densidade é f(x)=2x para e zero fora. Calcula .
Pista
Integra a densidade entre os limites.
Mais uma pista
A acumulada no suporte é x².
Solução
. A altura f(0,8)=1,6 pode exceder 1; é uma densidade, não uma probabilidade pontual.
Erros frequentes
Não subtrair alturas f(0,8) e f(0,5) para obter a área.
Uma acumulada sem salto
F é zero até x=1, cresce linearmente de 0 a 1 entre 1 e 3 e é 1 a partir de 3. Qual é P(X=2)?
Pista
Probabilidade pontual é o tamanho do salto.
Solução
. Já é a probabilidade de X não passar de 2.
Erros frequentes
Não usar o valor da acumulada como probabilidade num ponto.
Distinguir acumulada e salto
O gráfico da acumulada de X salta em 0, 2 e 5, com patamares 0, 0,2 e 0,7 antes dos saltos e valor 1 a partir de 5. Calcula pela diferença entre o valor da acumulada em 2 e o seu limite à esquerda.
Pista
O limite à esquerda de 2 ainda não inclui a massa no ponto 2.
Mais uma pista
O patamar antes de 2 é 0,2, logo .
Solução
. Já inclui também a massa em zero.
Erros frequentes
Não confundir a altura da acumulada com o tamanho do salto nem usar a regra de probabilidade pontual zero numa variável discreta.