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Probabilidade e Estatística 1

Matemática do A-Level · Tópico 5

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11:38

Probabilidade e Estatística 1

Role um único dado, e o resultado é palpite de qualquer um. Mas role-o milhares de vezes, ou meça as alturas de milhares de pessoas, e algo notável…

Narração em inglês · Legendas em inglês + 中文 gravadas

Este material cobre o Tópico 5: Probabilidade & Estatística 概率统计 1. Trata-se de descrever dados, contar escolhas e calcular a chance de eventos.

5.1

Representação de dados

Programa
Os candidatos devem ser capazes de: Notas e exemplos
• selecionar uma forma adequada de apresentar dados estatísticos brutos, e discutir as vantagens e/ou desvantagens que determinadas representações possam ter
desenhe e interprete stem-and-leaf diagrams, box-and-whisker plots, histograms e cumulative frequency graphs Incluindo stem-and-leaf diagrams back-to-back.
• compreender e utilizar diferentes medidas de tendência central (média, mediana, moda) e de variação (amplitude, amplitude interquartil, desvio padrão) p.ex. ao comparar e contrastar conjuntos de dados.
• utilizar um gráfico de frequência acumulada p.ex. para estimar medianas, quartis, percentis, a proporção de uma distribuição acima (ou abaixo) de um valor dado, ou entre dois valores.
• calcular e usar a média e o desvio padrão de um conjunto de dados (incluindo dados agrupados), tanto a partir dos próprios dados quanto a partir de totais fornecidos $\Sigma x$ e $\Sigma x^2$, ou totais codificados $\Sigma(x - a)$ e $\Sigma(x - a)^2$, e utilizar esses totais na resolução de problemas que podem envolver até dois conjuntos de dados.

Fonte: Programa Cambridge International

Escolha um diagrama que se adapte aos dados. Você deve ser capaz de desenhar e ler:

  • um diagrama de caule e folhas 茎叶图 (mantém os valores originais e mostra a forma); dois conjuntos de dados são comparados com uma versão back-to-back 背靠背 — um caule central compartilhado, as folhas de um conjunto aumentando para a esquerda e as do outro para a direita, permitindo comparar medianas e amplitudes de um relance;
  • um gráfico de caixa e bigodes 箱线图 (mostra o valor mínimo, os três quartis e o valor máximo);
  • um histograma 直方图 (para dados agrupados, onde a área de cada barra mostra a frequência);
  • um gráfico de frequência acumulada 累积频数 (totais cumulativos, usado para estimar a mediana e os quartis).
Uma curva S de frequência acumulada com linhas tracejadas lendo a mediana na metade da frequência total
Uma curva de frequência acumulada tem formato de S; leia a mediana transversalmente a partir da metade da frequência total, e os quartis a partir de um quarto e três quartos
Um gráfico de caixa e bigodes com bigodes até os valores mínimos e máximos e uma caixa dos quartis
A caixa abrange os quartis $Q_1$ a $Q_3$; os bigodes atingem os valores mínimo e máximo.

Médias e dispersão

Uma medida de tendência central 集中趋势 é um único valor "central":

  • a média aritmética 平均数 $\bar{x} = \dfrac{\sum x}{n}$ (a média);
  • a mediana 中位数 (o valor central quando os dados estão em ordem);
  • a moda 众数 (o valor mais frequente).

Uma medida de variação 离散程度 mostra como os dados estão espalhados:

  • a amplitude (dos dados) 极差 (máximo $-$ mínimo);
  • a amplitude interquartil 四分位距 (quartil superior $-$ quartil inferior);
  • o desvio padrão 标准差 $\sigma = \sqrt{\dfrac{\sum x^2}{n} - \bar{x}^2}$.

Você muitas vezes trabalha com os totais $\sum x$ e $\sum x^2$. O quadrado do desvio padrão é a variância 方差.

Exemplo resolvido. Para $10$ valores, $\sum x = 50$ e $\sum x^2 = 300$. Encontre a média e o desvio padrão.

$$\bar{x} = \frac{50}{10} = 5, \qquad \sigma = \sqrt{\frac{300}{10} - 5^2} = \sqrt{30 - 25} = \sqrt{5} = 2.24.$$

Codificação 编码 facilita números grandes. Substitua cada valor por $t=x-a$ para uma média assumida 假定平均数 conveniente $a$. Então $\bar{x}=a+\bar{t}$, enquanto o desvio padrão é inalterado (mudar todos os valores não espalha os dados). Assim, a partir dos totais codificados $\sum(x-a)$ e $\sum(x-a)^2$ você obtém $\bar x$ e $\sigma$ diretamente, e dois conjuntos de dados podem ser comparados através de seus totais codificados.

Explorar

Dispersão e a sinoide

P(−k < Z < k)

Dispersão é medida em desvios padrão — cerca de 68% dos dados situam-se dentro de 1 dp, 95% dentro de 2.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
stem-and-leaf diagram/stem ænd liːf ˈdaɪəɡræm/ 茎叶图 jīng yè tú
back-to-back/bæk tə bæk/ 背靠背 bèi kào bèi
box-and-whisker plot/bɒks ænd ˈwɪskə plɒt/ 箱线图 xiāng xiàn tú
histogram/ˈhɪstəɡræm/ 直方图 zhí fāng tú
cumulative frequency/ˈkjuːmjʊlətɪv ˈfriːkwənsi/ 累积频数 lěi jī pín shuò
measure of central tendency/ˈmeʒə ɒv ˈsentrəl ˈtendənsi/ 集中趋势 jí zhōng qū shì
mean/miːn/ 平均数 píng jūn shù
median/ˈmiːdiːən/ 中位数 zhōng wèi shù
range (of data)/reɪndʒ/ 极差 jí chà
interquartile range/ˌɪntəˈkwɔːtaɪl reɪndʒ/ 四分位距 sì fēn wèi jù
standard deviation/ˈstændəd ˌdiːvɪˈeɪʃn/ 标准差 biāo zhǔn chà
variance/ˈveərɪəns/ 方差 fāng chà
Coding/ˈkəʊdɪŋ/ 编码 biān mǎ
assumed mean/əˈsjuːmd miːn/ 假定平均数 jiǎ dìng píng jūn shù
permutation/ˌpɜːmjuːˈteɪʃn/ 排列 pái liè
combination/ˌkɒmbɪˈneɪʃn/ 组合 zǔ hé
mutually exclusive events/ˈmjuːtʃuːəli eksˈkluːsɪv ɪˈvents/ 互斥事件 hù chì shì jiàn
independent events/ˌɪndɪˈpendənt ɪˈvents/ 独立事件 dú lì shì jiàn
conditional probability/kənˈdɪʃənl ˌprɒbəˈbɪlɪti/ 条件概率 tiáo jiàn gài lǜ
discrete random variable/dɪˈskriːt ˈrændəm ˈveərɪəbl/ 离散型随机变量 lí sàn xíng suí jī biàn liàng
probability distribution table/ˌprɒbəˈbɪlɪti ˌdɪstrɪˈbjuːʃn ˈteɪbl/ 概率分布表 gài lǜ fēn bù biǎo
expectation/ekspɪkˈteɪʃn/ 期望 qī wàng
binomial distribution/baɪˈnəʊmɪəl ˌdɪstrɪˈbjuːʃn/ 二项分布 èr xiàng fēn bù
geometric distribution/ˌdʒiːəʊˈmetrɪk ˌdɪstrɪˈbjuːʃn/ 几何分布 jǐ hé fēn bù
5.2

Permutações e combinações

Programa
Os candidatos devem ser capazes de: Notas e exemplos
• compreender os termos permutação e combinação, e resolver problemas simples envolvendo seleções
• resolver problemas sobre arranjos de objetos em uma linha, incluindo aqueles que envolvem – repetição (p.ex. o número de maneiras de organizar as letras da palavra ‘NEEDLESS’) – restrição (p.ex. o número de maneiras várias pessoas podem ficar em fila se duas pessoas específicas devem, ou não devem, ficar lado a lado). As questões podem incluir casos como pessoas sentadas em duas (ou mais) fileiras. Questões sobre objetos dispostos em círculo não serão incluídas.

Fonte: Programa Cambridge International

Uma permutação 排列 é um arranjo onde a ordem importa; uma combinação 组合 é uma seleção onde a ordem não importa. Os números são

$${}^nP_r = \frac{n!}{(n-r)!}, \qquad {}^nC_r = \binom{n}{r} = \frac{n!}{r!\,(n-r)!}.$$
Para arrange objetos em uma linha quando alguns são repetidos, divida pelo fatorial de cada contagem de repetição.

Permutação: ordem importa (AB ≠ BA). Combinação: ordem não importa ({A,B} = {B,A})
A ordem importa para uma permutação, mas não para uma combinação

Exemplo resolvido. Quantos arranjos diferentes existem das letras da palavra NEEDLESS?

Há $8$ letras, com E repetido $3$ vezes e S repetido $2$ vezes:

$$\frac{8!}{3!\,2!} = \frac{40320}{6 \times 2} = 3360.$$

Arranjar 3 de 4 objetos: 4×3×2 = 24 = ⁴P₃; combinações dividem por r!
nPr = n!/(n−r)!; nCr = nPr/r!
Explorar

Laboratório de permutação ou combinação

Escolha se a ordem importa em um problema de contagem.

5.3

Probabilidade

Programa
Os candidatos devem ser capazes de: Notas e exemplos
avaliar probabilidades em casos simples por meio da enumeração de eventos elementares equiprováveis, ou por cálculo usando permutações ou combinações p.ex. a pontuação total quando dois dados justos são lançados. p.ex. retirada de bolas aleatoriamente de uma bolsa contendo bolas de cores diferentes.
use adição e multiplicação de probabilidades, conforme apropriado, em casos simples O uso explícito da fórmula geral $\text{P}(A \cup B) = \text{P}(A) + \text{P}(B) - \text{P}(A \cap B)$ não é necessário.
compreender o significado de eventos exclusivos e independentes, incluindo a determinação de se os eventos $A$ e $B$ são independentes comparando os valores de $\text{P}(A \cap B)$ e $\text{P}(A) \times \text{P}(B)$
calcular e usar probabilidades condicionais em casos simples. p.ex. situações que podem ser representadas por um espaço amostral de eventos elementares equiprováveis, ou por um diagrama de árvore. O uso de $\text{P}(A|B) = \frac{\text{P}(A \cap B)}{\text{P}(B)}$ pode ser necessário em casos simples.

Fonte: Programa Cambridge International

Uma variedade de dado poliedrais
Dados: um ponto de partida familiar para probabilidade.

Encontre uma probabilidade contando resultados igualmente prováveis, ou usando permutações e combinações. Combine probabilidades com estas regras:

  • adição para "ou": $P(A \cup B) = P(A) + P(B) - P(A \cap B)$;
  • multiplicação para "e" quando os eventos são independentes: $P(A \cap B) = P(A)\,P(B)$.
Dois círculos sobrepostos dentro de um retângulo, com a sobreposição sombreada como interseção
A sobreposição dos dois círculos é $A\cap B$; a regra da adição a subtrai uma vez para que não seja contada duas vezes.

Dois eventos são eventos mutuamente exclusivos 互斥事件 se não puderem acontecer ambos, e eventos independentes 独立事件 se a ocorrência de um não mudar a chance do outro. Para testar independência, verifique se $P(A \cap B) = P(A)\times P(B)$. Uma probabilidade condicional 条件概率 é a chance de $A$ dado que $B$ ocorreu: $P(A \mid B) = \dfrac{P(A \cap B)}{P(B)}$.

Exemplo resolvido. Eventos têm $P(A) = 0.5$, $P(B) = 0.4$ e $P(A \cap B) = 0.2$. São $A$ e $B$ independentes?

Teste: $P(A)\times P(B) = 0.5 \times 0.4 = 0.2 = P(A \cap B)$. Os valores são iguais, logo $A$ e $B$ são independentes.

Explorar

Probabilidade condicional

Altere as probabilidades e leia a árvore. É assim que P(A e B) e a probabilidade condicional se encaixam.

5.4

Variáveis aleatórias discretas

Programa
Os candidatos devem ser capazes de: Notas e exemplos
elaborar uma tabela de distribuição de probabilidade relacionada a uma situação dada envolvendo uma variável aleatória discreta $X$, e calcular $\text{E}(X)$ e $\text{Var}(X)$
usar fórmulas para probabilidades das distribuições binomial e geométrica, e reconhecer situações práticas onde essas distribuições são modelos adequados Incluindo as notações $\text{B}(n, p)$ e $\text{Geo}(p)$. $\text{Geo}(p)$ denota a distribuição na qual $p_r = p(1 - p)^{r-1}$ para $r = 1, 2, 3, \dots$.
usar fórmulas para a esperança e variância da distribuição binomial e para a esperança da distribuição geométrica. Provas de fórmulas não são necessárias.

Fonte: Programa Cambridge International

Uma variável aleatória discreta 离散型随机变量 $X$ assume valores separados, cada um com uma probabilidade. Liste-os em uma tabela de distribuição de probabilidade 概率分布表; as probabilidades devem somar $1$. Então a expectativa 期望 (média) e a variância são

$$E(X) = \sum x\,P(X = x), \qquad \mathrm{Var}(X) = \sum x^2\,P(X = x) - \big(E(X)\big)^2.$$

Dois modelos especiais:

  • a distribuição binomial 二项分布 $X \sim B(n, p)$, para o número de sucessos em $n$ ensaios independentes: $P(X = r) = \binom{n}{r}p^r(1-p)^{n-r}$, com $E(X) = np$ e $\mathrm{Var}(X) = np(1-p)$;
  • a distribuição geométrica 几何分布, para o ensaio em que ocorre o primeiro sucesso: $P(X = r) = (1-p)^{r-1}p$, com $E(X) = \dfrac{1}{p}$.

Exemplo resolvido. $X \sim B(10, 0.3)$. Encontre $P(X = 2)$ e $E(X)$.

$$P(X = 2) = \binom{10}{2}(0.3)^2(0.7)^8 = 45 \times 0.09 \times 0.05765 = 0.233, \qquad E(X) = 10 \times 0.3 = 3.$$

Um gráfico de barras da distribuição binomial B(10, 0.3) com a média marcada em 3
A distribuição $B(10,0.3)$: cada barra é $P(X=r)$, agrupada em torno da média $np=3$.
Explorar

Uma distribuição discreta

Altere n e p para uma distribuição binomial e observe as barras — a probabilidade de cada número de sucessos.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
mode/məʊd/ 众数 zhòng shù
variation/ˌveərɪˈeɪʃn/ 离散程度 lí sàn chéng dù
5.5

A distribuição normal

Programa
Os candidatos devem ser capazes de: Notas e exemplos
compreender o uso de uma distribuição normal para modelar uma variável aleatória contínua, e usar tabelas de distribuição normal Esboços de curvas normais para ilustrar distribuições ou probabilidades podem ser necessários.
resolver problemas concernentes a uma variável $X$, onde $X \sim N(\mu, \sigma^2)$, incluindo: – encontrar o valor de $P(X > x_1)$, ou uma probabilidade relacionada, dados os valores de $x_1$, $\mu$, $\sigma$. – encontrar uma relação entre $x_1$, $\mu$ e $\sigma$ dado o valor de $P(X > x_1)$ ou uma probabilidade relacionada Para cálculos envolvendo padronização, detalhes completos do processo devem ser mostrados. p.ex. $Z = \frac{(X - \mu)}{\sigma}$
recordar as condições sob as quais a distribuição normal pode ser usada como aproximação à distribuição binomial, e usar essa aproximação, com correção de continuidade, na resolução de problemas. $n$ suficientemente grande para garantir que ambos $np > 5$ e $nq > 5$.

Fonte: Programa Cambridge International

A regra 68-95-99.7
Uma placa de Galton com bolas formando uma forma de sino
Um tabuleiro de Galton: bolas caindo por pinos se acumulam na distribuição normal em forma de sino.

A distribuição normal 正态分布 modela uma variável aleatória contínua 连续型随机变量 com formato de sino simétrico. Escreva $X \sim N(\mu, \sigma^2)$, onde $\mu$ é a média e $\sigma$ é o desvio padrão. Para usar as tabelas, por padronização 标准化, converta para a variável $Z \sim N(0, 1)$:

$$Z = \frac{X - \mu}{\sigma}.$$

Então $P(X < x) = P\!\left(Z < \dfrac{x - \mu}{\sigma}\right)$, que você lê na tabela normal $\Phi$.

Uma curva de sino simétrica centrada na média com a área até um valor x sombreada
Uma probabilidade normal é uma área sob a curva do sino; padronizar redimensiona-a para $Z\sim N(0,1)$.

A distribuição normal também é uma boa aproximação 近似 à binomial quando $n$ é grande. Como você substitui uma variável discreta por uma contínua, aplique uma correção de continuidade 连续性校正 (ajuste em $0.5$).

As barras de uma distribuição binomial com uma curva normal correspondente desenhada sobre elas
Quando $n$ é grande, as barras binomiais seguem uma curva normal de mesma média e variância.

Exemplo resolvido. Sacos de arroz têm massa $X \sim N(\mu, 0.14^2)$. Dado que $P(X < 1.48) = 0.22$, encontre $\mu$.

Da tabela, $P(Z < z) = 0.22$ resulta em $z = -0.772$. Portanto,

$$\frac{1.48 - \mu}{0.14} = -0.772 \;\Rightarrow\; \mu = 1.48 + 0.772 \times 0.14 = 1.59\ \text{kg (3 s.f.)}.$$

Explorar

A distribuição normal

Sombreie a área para encontrar uma probabilidade. Um valor-z mede quantos desvios padrão um ponto está da média.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
normal distribution/ˈnɔːml ˌdɪstrɪˈbjuːʃn/ 正态分布 zhèng tài fēn bù
continuous random variable/kənˈtɪnjuːəs ˈrændəm ˈveərɪəbl/ 连续型随机变量 lián xù xíng suí jī biàn liàng
standardisation/ˌstændədaɪˈzeɪʃn/ 标准化 biāo zhǔn huà
approximation/əˌprɒksɪˈmeɪʃn/ 近似 jìn sì
continuity correction/kɒntɪˈnjuːɪti kəˈrekʃn/ 连续性校正 lián xù xìng jiào zhèng
Probability & Statistics/ˌprɒbəˈbɪlɪti ænd stəˈtɪstɪks/ 概率统计 gài lǜ tǒng jì
central tendency/ˈsentrəl ˈtendənsi/ 集中趋势 jí zhōng qū shì
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5.5

Dicas de prova

  • Decida se a ordem importa: permutações ($^nP_r$) quando importa, combinações ($^nC_r$) quando não importa.
  • Para uma variável aleatória discreta, verifique se as probabilidades somam $1$ e use $E(X) = \sum x\,P(X=x)$.
  • Para a distribuição normal, padronize com $z = (x - \mu)/\sigma$, esboce e sombreie, depois leia a tabela.
  • Aplique uma correção de continuidade ao aproximar uma variável discreta pela normal.

Aulas interativas sobre este tópico

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