Pular para o conteúdo

Probabilidade e Estatística Avançadas

Matemática Avançada do A-Level · Tópico 4

Treinar
Videoaula para este tópico Abrir a página do vídeo
8:08

Probabilidade e Estatística Avançadas

Dublin, mil novecentos e oito. Dentro da cervejaria Guinness, um jovem químico chamado William Gosset enfrenta um problema muito prático. Ele só pode testar alguns lotes de…

Narração em inglês · Legendas em inglês + 中文 gravadas

Este material cobre o Tópico 4: Probabilidade e Estatística Avançada 进阶概率统计. Adiciona distribuições contínuas, inferência para pequenas amostras, testes qui-quadrado e não paramétricos, e funções geradoras de probabilidade.

4.1

Variáveis aleatórias contínuas

Programa
Os candidatos devem ser capazes de: Notas e exemplos
usar uma função de densidade de probabilidade que pode ser definida por partes
usar o resultado geral $\text{E}(g(X)) = \int f(x)g(x) \, \mathrm{d}x$ onde $f(x)$ é a função de densidade de probabilidade da variável aleatória contínua $X$ e $g(X)$ é uma função de $X$
compreender e usar a relação entre a função de densidade de probabilidade (PDF) e a função de distribuição acumulada (CDF), e usar qualquer uma delas para avaliar probabilidades ou percentis
usar funções de distribuição acumulada (CDFs) de variáveis relacionadas em casos simples. p.ex. dada a CDF de uma variável $X$, encontrar a CDF de uma variável relacionada $Y$, e consequentemente sua PDF, p.ex. onde $Y = X^3$.

Fonte: Programa Cambridge International

Uma variável contínua $X$ é descrita por uma função densidade de probabilidade 概率密度函数 $f(x)$, que pode ser definida por partes. A probabilidade sobre um intervalo é a área sob $f$, e a média de qualquer função de $X$ é

$$E(g(X)) = \int g(x)\,f(x)\,dx.$$

Uma densidade com a área à esquerda da mediana sombreada como metade
A mediana está onde a área sob $f(x)$ à sua esquerda é exatamente $0.5$.

A função de distribuição acumulada 累积分布函数 $F(x) = P(X \leqslant x)$ é o total acumulado: $F(x) = \displaystyle\int_{-\infty}^{x} f(t)\,dt$, e $f(x) = F'(x)$. Use $F$ para encontrar probabilidades e percentis 百分位数 (por exemplo, a mediana 中imedia resolve $F(x) = 0.5$).

Uma curva crescente acumulada de 0 a 1 com a mediana lida na altura 0.5
O gráfico acumulado $F(x)$ sobe de $0$ para $1$; a altura $0.5$ é atingida na mediana.

Exemplo resolvido. Uma variável tem $f(x) = \tfrac12 x$ para $0 \leqslant x \leqslant 2$. Encontre a mediana.

A função de distribuição acumulada é $F(x) = \displaystyle\int_0^x \tfrac12 t\,dt = \tfrac14 x^2$. Defina $F(m) = 0.5$:

$$\tfrac14 m^2 = 0.5 \;\Rightarrow\; m^2 = 2 \;\Rightarrow\; m = \sqrt{2} = 1.41.$$

A distribuição de uma variável relacionada. Se $Y=g(X)$, encontre a distribuição de $Y$ através de sua função cumulativa. Para $Y=X^2$: $F_Y(y)=P(X^2\leqslant y)=P(-\sqrt y\leqslant X\leqslant\sqrt y)=F_X(\sqrt y)-F_X(-\sqrt y)$, então diferencie para $f_Y=F_Y'$. Quando $g$ é monotonicamente crescente há um atalho, $F_Y(y)=F_X\big(g^{-1}(y)\big)$.

Exemplo resolvido. Com $f_X(x)=\tfrac12 x$ em $[0,2]$ (logo $F_X(x)=\tfrac14 x^2$), seja $Y=X^2$. Para $0\leqslant y\leqslant 4$, $F_Y(y)=F_X(\sqrt y)=\tfrac14 y$, logo $f_Y(y)=F_Y'(y)=\tfrac14$ – isto é, $Y$ é uniforme em $[0,4]$.

Explorar

Variáveis aleatórias contínuas

P(a < X < b) = ∫ f(x) dx

Para uma variável contínua, a probabilidade é a área sob a curva de densidade.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
probability density function/ˌprɒbəˈbɪlɪti ˈdensɪti ˈfʌŋkʃn/ 概率密度函数 gài lǜ mì dù hán shù
cumulative distribution function/ˈkjuːmjʊlətɪv ˌdɪstrɪˈbjuːʃn ˈfʌŋkʃn/ 累积分布函数 lěi jī fēn bù hán shù
percentiles/pəˈsentaɪlz/ 百分位数 bǎi fēn wèi shù
median/ˈmiːdiːən/ 中位数 zhōng wèi shù
hypothesis test/haɪˈpɒθəsɪs test/ 假设检验 jiǎ shè jiǎn yàn
confidence interval/ˈkɒnfɪdəns ˈɪntəvl/ 置信区间 zhì xìn qū jiān
pooled estimate/puːld ˈestɪmət/ 合并估计 hé bìng gū jì
chi-squared test/kaɪ skweəd test/ 卡方检验 kǎ fāng jiǎn yàn
theoretical distribution/θɪəˈretɪkl ˌdɪstrɪˈbjuːʃn/ 理论分布 lǐ lùn fēn bù
degrees of freedom/dɪˈɡriːz ɒv ˈfriːdəm/ 自由度 zì yóu dù
goodness of fit/ˈɡʊdnəs ɒv fɪt/ 拟合优度 nǐ hé yōu dù
independence/ˌɪndɪˈpendəns/ 独立性 dú lì xìng
contingency table/kənˈtɪndʒənsi ˈteɪbl/ 列联表 liè lián biǎo
non-parametric test/nɒn ˌpærəˈmetrɪk test/ 非参数检验 fēi cān shù jiǎn yàn
4.2

Inferência usando distribuições normal e t

Programa
Os candidatos devem ser capazes de: Notas e exemplos
formular hipóteses e aplicar um teste de hipótese referente à média populacional usando uma pequena amostra extraída de uma população normal de variância desconhecida, usando um teste-t
calcular uma estimativa agrupada da variância populacional a partir de duas amostras Podem ser necessárias cálculos baseados em dados brutos ou resumidos.
formular hipóteses relativas à diferença das médias populacionais e aplicar, conforme apropriado: - um teste-t para 2 amostras - um teste-t para amostras pareadas - um teste usando uma distribuição normal Espera-se a capacidade de selecionar o teste adequado às circunstâncias de um problema.
determinar um intervalo de confiança para a média populacional, baseado em uma pequena amostra de uma população normal com variância desconhecida, usando uma distribuição t
determinar um intervalo de confiança para a diferença das médias populacionais, usando uma distribuição t ou uma distribuição normal, conforme apropriado.

Fonte: Programa Cambridge International

Um tabuleiro de Galton com bolas empilhadas em forma de sino
Um tabuleiro de Galton: bolas caindo por pinos se acumulam na distribuição normal em forma de sino.

Quando uma amostra é pequena e a variância populacional é desconhecida, baseie seu teste de hipótese 假设检验 na distribuição $t$ em vez da normal. A mesma ideia dá um intervalo de confiança 置信区间 para a média:

$$\bar{x} \pm t\,\frac{s}{\sqrt{n}},$$
onde $t$ vem das tabelas $t$ com $n - 1$ graus de liberdade. Para comparar duas populações, use um teste t de amostra dupla (2-sample) ou amostra pareada $t$, após encontrar uma estimativa agrupada 合并估计 da variância compartilhada quando apropriado.

A curva da distribuição t sentada mais baixa e larga que a normal padrão
Para uma amostra pequena, a distribuição $t$ é mais achatada com caudas mais pesadas, então seus valores críticos são maiores.

Exemplo resolvido. Uma amostra de $n = 10$ tem média $\bar{x} = 50$ e desvio padrão $s = 4$. Encontre um intervalo de confiança $95\%$ para a média (use $t = 2.262$ para $9$ graus de liberdade).

$$50 \pm 2.262\times\frac{4}{\sqrt{10}} = 50 \pm 2.86 \;\Rightarrow\; (47.1,\ 52.9).$$

Explorar

Por que pequenas amostras precisam de t em vez de z

Com $\sigma$ desconhecido, você usa $t$, e $t$ tem caudas mais pesadas que a normal (desenhada tracejada atrás dela) — então seus valores críticos são maiores e o intervalo é mais amplo. No exemplo resolvido de $9$ graus de liberdade, o widget lê $t^* = 2.262$, exatamente o valor de tabela usado acima. Varie gl para cima e $t$ se sobrepõe à normal.

Explorar

A distribuição normal

Sombreie uma cauda para encontrar uma probabilidade — a base dos intervalos de confiança e testes de hipótese.

4.3

Testes Qui-Quadrado

Programa
Os candidatos devem ser capazes de: Notas e exemplos
ajustar uma distribuição teórica, conforme prescrito por uma hipótese dada, aos dados fornecidos As questões não envolverão cálculos extensos.
usar um teste $\chi^2$-quadrado, com o número apropriado de graus de liberdade, para realizar a correspondente análise de ajuste de boa qualidade As classes devem ser combinadas de modo que cada frequência esperada seja pelo menos 5.
usar um teste $\chi^2$-quadrado, com o número apropriado de graus de liberdade, para independência em uma tabela de contingência. A correção de Yates não é exigida. Quando apropriado, linhas ou colunas devem ser combinadas de modo que a frequência esperada em cada célula seja pelo menos 5.

Fonte: Programa Cambridge International

Um teste $\chi^2$ (teste qui-quadrado 卡方检验) compara contagens observadas $O$ com contagens esperadas $E$ de uma distribuição teórica 理论分布:

$$\chi^2 = \sum \frac{(O - E)^2}{E}.$$
Compare isso com um valor de tabela para o número correto de graus de liberdade 自由度. Dois usos: um teste de ajuste de bondade 拟合优度 (se os dados seguem o modelo proposto?) e um teste de independência 独立性 de duas variáveis em uma tabela de contingência 列联表.

Uma curva qui-quadrado assimétrica à direita com sua cauda superior de 5% sombreada além do valor crítico
O teste rejeita o modelo quando $\chi^2$ excede o valor crítico, caindo na cauda sombreada $5\%$.

Exemplo resolvido. Quatro categorias igualmente prováveis dão contagens observadas $20, 30, 25, 25$ (logo cada contagem esperada é $25$). Teste o ajuste no nível $5\%$.

$$\chi^2 = \frac{(20-25)^2 + (30-25)^2 + 0 + 0}{25} = \frac{25 + 25}{25} = 2.$$
Com $4 - 1 = 3$ graus de liberdade, o valor da tabela é $7.815$. Como $2 < 7.815$, não rejeite o modelo.

Explorar

A distribuição qui-quadrado e sua cauda de 5%

O exemplo resolvido nesta página dá $\chi^2 = 2$ com $3$ graus de liberdade contra um valor de tabela de $7.815$ — o widget reproduz ambos. Arraste gl para ver por que o valor crítico muda com o número de categorias.

Explorar

Rota do teste qui-quadrado

Siga as contagens observadas e esperadas até uma decisão de teste.

4.4

Testes não paramétricos

Programa
Os candidatos devem ser capazes de: Notas e exemplos
compreender a ideia de um teste não paramétrico e apreciar situações em que tal teste poderia ser útil p.ex. ao amostrar de uma população que não possa ser assumida como normalmente distribuída.
compreender a base do teste de sinais, o teste de postos assinados de Wilcoxon e o teste de soma de postos de Wilcoxon Incluindo conhecimento de que os testes de Wilcoxon são válidos apenas para distribuições simétricas.
usar um teste de sinais de uma única amostra e um teste de postos assinados de Wilcoxon de uma única amostra para testar uma hipótese sobre a mediana populacional Incluindo o uso de aproximações normais quando apropriado. As questões não envolverão postos iguais ou observações iguais ao valor da mediana populacional sendo testada.
usar um teste de sinais para amostras pareadas, um teste de postos assinados pareados de Wilcoxon e um teste de soma de postos de Wilcoxon, conforme apropriado, para testar a identidade de populações. Incluindo o uso de aproximações normais quando apropriado. As questões não envolverão postos iguais ou pares de diferenças zero.

Fonte: Programa Cambridge International

Um teste não paramétrico 非参数检验 não faz suposição de que os dados são normais, sendo útil quando essa suposição falha. Os básicos são:

  • o teste dos sinais 符号检验: conte quantos valores estão acima e abaixo de uma mediana proposta, e teste essas contagens com um modelo binomial;
  • o teste de posto sinalizado de Wilcoxon 威尔科克森符号秩检验 (o teste para pareamento matched-pairs para dados pareados), que também usa os tamanhos das diferenças, não apenas seus sinais;
  • o teste de soma de postos de Wilcoxon 威尔科克森秩和检验, para comparar duas amostras separadas.
Uma reta numérica com uma mediana tracejada: três pontos abaixo dela marcados como menos e quatro acima marcados como mais
O teste dos sinais conta quantos valores estão acima e abaixo da mediana proposta, e testa essas contagens com um modelo binomial

Exemplo resolvido. Teste se uma mediana é $5$. Em uma amostra de $10$ valores (nenhum igual a $5$), $9$ ficam acima $5$ e $1$ fica abaixo. Teste no nível $5\%$ (bilateral).

Sob $H_0$ (mediana $= 5$), o número acima segue $B(10, 0.5)$. O resultado observado ($9$ acima) é extremo, então encontre $P(X \geq 9) = \binom{10}{9}(0.5)^{10} + (0.5)^{10} = \dfrac{11}{1024} = 0.0107$. Para um teste bilateral, compare com $\tfrac{1}{2}(5\%) = 0.025$. Como $0.0107 < 0.025$, rejeite $H_0$: há evidências de que a mediana não é $5$.

Explorar

Selecionador de testes não paramétricos

Escolha o teste baseado em postos que corresponda à situação dos dados.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
sign test/saɪn test/ 符号检验 fú hào jiǎn yàn
Wilcoxon signed-rank test/ˈwɪlkɒksn saɪnd ræŋk test/ 威尔科克森符号秩检验 wēi ěr kē kè sēn fú hào zhì jiǎn yàn
Wilcoxon rank-sum test/ˈwɪlkɒksn ræŋk sʌm test/ 威尔科克森秩和检验 wēi ěr kē kè sēn zhì hé jiǎn yàn
probability generating function/ˌprɒbəˈbɪlɪti ˈdʒenəreɪtɪŋ ˈfʌŋkʃn/ 概率母函数 gài lǜ mǔ hán shù
Further Probability & Statistics/ˈfɜːðə ˌprɒbəˈbɪlɪti ænd stəˈtɪstɪks/ 进阶概率统计 jìn jiē gài lǜ tǒng jì
4.5

Funções geradoras de probabilidade

Programa
Os candidatos devem ser capazes de: Notas e exemplos
compreender o conceito de uma função geradora de probabilidade (PGF) e construir e usar a PGF para distribuições dadas Incluindo as distribuições uniforme discreta, binomial, geométrica e de Poisson.
usar fórmulas para a média e variância de uma variável aleatória discreta em termos de sua PGF, e usar essas fórmulas para calcular a média e variância de uma dada distribuição de probabilidade
usar o resultado de que a PGF da soma de variáveis aleatórias independentes é o produto das PGFs dessas variáveis aleatórias.

Fonte: Programa Cambridge International

Uma variedade de dado poliedrais
Dados: um ponto de partida para probabilidade e variáveis aleatórias discretas.

A função geradora de probabilidade 概率母函数 de uma variável discreta $X$ é

$$G(t) = E(t^X) = \sum_x P(X = x)\,t^x.$$
Ela compacta toda a distribuição em uma única função. A média e a variância vêm de suas derivadas em $t = 1$: $E(X) = G'(1)$ e $\mathrm{Var}(X) = G''(1) + G'(1) - \big(G'(1)\big)^2$. Além disso, a FGP de uma soma de variáveis independentes é o produto de suas FGPs.

Exemplo resolvido. $X$ tem $P(X=0) = 0.5$, $P(X=1) = 0.3$, $P(X=2) = 0.2$. Encontre $E(X)$ usando a FGP.

Aqui $G(t) = 0.5 + 0.3t + 0.2t^2$, então $G'(t) = 0.3 + 0.4t$ e

$$E(X) = G'(1) = 0.3 + 0.4 = 0.7.$$

FGP de um dado justo empacota massas iguais de 1 a 6 em G(t)
FGP de um dado justo empacota massas iguais de 1 a 6 em G(t)
Explorar

Laboratório de função geradora de probabilidade

G(x) = p0 + p1 x + p2 x^2 + ...

Altere x e veja como uma PGF armazena probabilidades em potências de x.

4.5

Dicas de prova

  • Para uma variável aleatória contínua, a pdf integra-se a $1$ sobre seu intervalo, e $E(X) = \int x f(x)\,dx$.
  • Use a distribuição $t$ quando a amostra é pequena e a variância populacional é desconhecida; declare os graus de liberdade.
  • Para um teste qui-quadrado, compute $\sum (O-E)^2/E$, compare com o valor crítico nos graus de liberdade corretos, e combine classes com $E < 5$.
  • Declare $H_0$ e $H_1$ e dê a conclusão no contexto para todo teste.

Aulas interativas sobre este tópico

Passe por ele passo a passo, com exercícios de verificação instantânea.

Provas Anteriores

Mais tópicos em Matemática Avançada do A-Level

Entrar ou criar conta

IGCSE, A-Level & AP