Estatística

Distribuições uniforme, Bernoulli, binomial e Poisson

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Para revisar

Resumo

Distribuições especiais são modelos prontos. Reconhecido o modelo no enunciado, a probabilidade, a esperança e a variância saem de fórmula.

  • Uniforme: todos os valores com a mesma chance.
  • Bernoulli: um ensaio com sucesso (probabilidade p) ou fracasso.
  • Binomial: número de sucessos em n ensaios independentes, com p constante; E = np e Var = np(1 − p).
  • Poisson: número de ocorrências em intervalo de tempo ou espaço; E = Var = λ.
  • Sem reposição em população pequena: o modelo é a hipergeométrica, não a binomial.
  • Aproximação: a Poisson aproxima a binomial com n grande e p pequeno.

Entenda

Uniforme discreta e contínua

Na uniforme discreta, n valores têm a mesma probabilidade 1/n. Na uniforme contínua em [a, b], a densidade é constante: f(x) = 1/(b − a). A probabilidade de um intervalo é seu comprimento dividido por (b − a). Esperança: (a + b)/2. Variância: (b − a)²/12.

Ex.: dado honesto: P = 1/6 para cada face, e E = 3,5. Uniforme contínua em [0, 10]: P(2 < X < 5) = 3/10 e Var = 100/12 ≈ 8,33. Em [0, 6]: Var = 36/12 = 3.

Bernoulli

Um único ensaio com dois resultados: sucesso (X = 1), com probabilidade p, ou fracasso (X = 0). E = p e Var = p(1 − p). A variância é máxima quando p = 0,5: vale 0,25.

Ex.: um veículo abordado tem irregularidade com p = 0,1. E = 0,1 e Var = 0,1 × 0,9 = 0,09.

Binomial

Conta os sucessos em n ensaios de Bernoulli independentes, todos com o mesmo p. É a soma de n Bernoulli.

  • P(X = k) = C(n, k)·pᵏ·(1 − p)ⁿ⁻ᵏ.
  • E = np; Var = np(1 − p).

Ex.: n = 4 e p = 0,5. P(X = 2) = 6 × (0,5)⁴ = 6/16 = 0,375; E = 2; Var = 1.

Ex.: 100 abordagens, com p = 0,1 de irregularidade: E = 10, Var = 9 e desvio padrão 3. Com n = 100 e p = 0,2: Var = 100 × 0,2 × 0,8 = 16.

Quando a binomial não serve

A binomial exige independência e p constante. É o que ocorre em sorteios com reposição ou em população muito grande. Em retiradas sem reposição de população pequena, a probabilidade muda a cada retirada: o modelo é a hipergeométrica. Se o que se conta é o número de tentativas até o primeiro sucesso, o modelo é a geométrica, com E = 1/p.

Ex.: urna com 3 bolas vermelhas e 2 azuis; retiram-se 2 sem reposição. P(duas vermelhas) = 3/5 × 2/4 = 0,3. Pela binomial com p = 0,6 daria 0,36, valor errado para esse caso.

Poisson

Conta ocorrências em um intervalo contínuo de tempo, área ou volume, a uma taxa média λ.

  • P(X = k) = e^(−λ)·λᵏ/k!.
  • E = Var = λ.
  • A taxa é proporcional ao intervalo: taxa de 2 por hora dá λ = 6 em 3 horas e λ = 1 em meia hora.
  • A soma de Poisson independentes é Poisson, com λ₁ + λ₂.

Ex.: média de 2 acidentes por dia. P(X = 0) = e⁻² ≈ 0,135. P(X = 1) = 2 × e⁻² ≈ 0,271.

Poisson como aproximação da binomial

Com n grande e p pequeno, a binomial(n, p) fica próxima da Poisson com λ = np. Com n grande e p longe de 0 e de 1 (np ≥ 5 e n(1 − p) ≥ 5), a aproximação usual é a normal.

Ex.: 1.000 passageiros, cada um com probabilidade 0,002 de portar item proibido. λ = 1.000 × 0,002 = 2. P(nenhum) ≈ e⁻² ≈ 0,135.

Reconhecer o modelo pelo enunciado

EnunciadoModelo
"Todos os valores igualmente prováveis"Uniforme
"n tentativas independentes, sucesso ou fracasso"Binomial
"Ocorrências por hora, por km, por página, a uma taxa média"Poisson
"Retiradas sem reposição de um lote pequeno"Hipergeométrica
"Tentativas até o primeiro sucesso"Geométrica

Ex.: "o posto recebe em média 4 chamadas por hora; qual a probabilidade de nenhuma chamada em 30 minutos?" Poisson com λ = 2.

Quadro

ModeloP(X = k)E[X]Var(X)
Bernoulli(p)p, se k = 1; 1 − p, se k = 0pp(1 − p)
Binomial(n, p)C(n, k)·pᵏ·(1 − p)ⁿ⁻ᵏnpnp(1 − p)
Poisson(λ)e^(−λ)·λᵏ/k!λλ
Geométrica(p)(1 − p)ᵏ⁻¹·p1/p(1 − p)/p²
Uniforme contínua [a, b]densidade 1/(b − a)(a + b)/2(b − a)²/12

Como a banca cobra

  • "Na distribuição de Poisson, a variância é igual ao quadrado da média." → errado (variância e média são iguais a λ).
  • "Se X segue distribuição binomial com n = 100 e p = 0,2, então a variância de X é igual a 16." → certo (100 × 0,2 × 0,8).
  • "Se ocorrem, em média, 2 acidentes por hora segundo um processo de Poisson, o número esperado em 3 horas é 6." → certo (a taxa é proporcional ao intervalo).
  • "A variância de uma variável uniforme contínua no intervalo [0, 6] é igual a 3." → certo (36 ÷ 12).
  • "Retiradas sem reposição de uma urna com poucas bolas seguem distribuição binomial, pois a probabilidade de sucesso permanece constante." → errado (a probabilidade muda; hipergeométrica).
  • "A distribuição binomial descreve o número de tentativas dependentes até o primeiro sucesso." → errado (conta sucessos em n ensaios independentes; "até o primeiro sucesso" é a geométrica).
  • "Na binomial, a probabilidade de sucesso pode variar de um ensaio para outro." → errado (p é constante).
  • "Se X ~ Binomial(20; 0,3), então E[X] = 6 e Var(X) = 4,2." → certo (20 × 0,3 e 6 × 0,7).
  • Detalhe que derruba o item: na variância da binomial, a banca "esquece" o fator (1 − p) e dá np. Na Poisson, troca "igual à média" por "quadrado da média" ou "raiz da média" (a raiz é o desvio padrão).

Revisão rápida

  1. Quais a esperança e a variância da binomial?Revelar

    np e np(1 − p).

  2. O que a binomial exige dos ensaios?Revelar

    Independência e p constante.

  3. Quais a esperança e a variância da Poisson?Revelar

    As duas iguais a λ.

  4. Taxa de 2 por hora: qual o λ em 3 horas?Revelar
  5. Qual a variância da uniforme contínua em [a, b]?Revelar

    (b − a)²/12.

  6. Quando a variância da Bernoulli é máxima?Revelar

    Com p = 0,5; vale 0,25.

  7. Qual o modelo para retiradas sem reposição em lote pequeno?Revelar

    Hipergeométrica.

  8. Quando a Poisson aproxima a binomial?Revelar

    Com n grande e p pequeno, usando λ = np.

Referência

Mapa mental

  • Uniforme
    • Discreta: P = 1/n
    • Contínua: média (a + b)/2
    • Variância (b − a)²/12
  • Bernoulli
    • Um ensaio, sucesso p
    • Variância p(1 − p), máxima em 0,5
  • Binomial
    • n ensaios independentes, p constante
    • C(n,k)·pᵏ·(1 − p)ⁿ⁻ᵏ
    • E = np, Var = np(1 − p)
  • Poisson
    • Eventos por tempo ou espaço
    • E = Var = λ
    • λ proporcional ao intervalo
    • Aproxima binomial: n grande, p pequeno
  • Outras
    • Hipergeométrica: sem reposição
    • Geométrica: até o primeiro sucesso
  • ⚠️ Pegadinha
    • Poisson: variância = média, não média²

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