3. Variáveis aleatórias, distribuições, momentos e transformações

Variáveis aleatórias discretas e contínuas, funções de probabilidade e densidade, esperança, momentos, distribuições especiais, condicionamento e transformações.

Variáveis aleatórias e distribuições — revisão rápida

Mapa central

resultado → variável → distribuição → momentos → modelo especial → condicionamento → transformação

Discreta × contínua

  • discreta: valores finitos/enumeráveis; usa massas (p_X(x)=P(X=x));
  • contínua: probabilidades são áreas sob densidade; (P(X=x_0)=0) em ponto isolado.

Funções da distribuição

Discreta:

[ p_X(x)\ge0,\qquad \sum_xp_X(x)=1. ]

Contínua:

[ f_X(x)\ge0,\qquad \int_{-\infty}^{\infty}f_X(x)dx=1. ]

[ P(a\le X\le b)=\int_a^b f_X(x)dx. ]

Acumulada:

[ F_X(x)=P(X\le x). ]

  • discreta: soma massas até (x);
  • contínua: integra densidade até (x).

Esperança e momentos

Discreta:

[ E(X)=\sum_xx p_X(x). ]

Contínua:

[ E(X)=\int xf_X(x)dx. ]

Momento bruto de ordem (k):

[ E(X^k). ]

Variância:

[ \operatorname{Var}(X)=E(X^2)-[E(X)]^2. ]

Se (Y=a+bX):

[ E(Y)=a+bE(X),\qquad \operatorname{Var}(Y)=b^2\operatorname{Var}(X). ]

Distribuições especiais

ModeloMecanismoMédiaVariância
Bernoulli ((p))uma tentativa 0/1(p)(p(1-p))
Binomial ((n,p))sucessos em (n) tentativas independentes(np)(np(1-p))
Poisson ((\lambda))contagem de eventos(\lambda)(\lambda)
Uniforme ((a,b))densidade constante no intervalo((a+b)/2)((b-a)^2/12)
Exponencial por taxa ((\lambda))tempo de espera/taxa constante(1/\lambda)(1/\lambda^2)
Normal ((\mu,\sigma^2))distribuição simétrica contínua(\mu)(\sigma^2)

Poisson independentes somam parâmetros:

[ X\sim P(\lambda_1),\ Y\sim P(\lambda_2) \Rightarrow X+Y\sim P(\lambda_1+\lambda_2). ]

Desvio padrão da Poisson:

[ \sqrt{\lambda}. ]

Normal padronizada:

[ Z=\frac{X-\mu}{\sigma}. ]

Conjunta, marginal e condicional

Discreta:

[ p_X(x)=\sum_y p_{X,Y}(x,y). ]

[ p_{Y\mid X}(y\mid x)=\frac{p_{X,Y}(x,y)}{p_X(x)}. ]

Contínua: troque somas por integrais e massas por densidades.

Independência

Discreta:

[ p_{X,Y}(x,y)=p_X(x)p_Y(y). ]

Contínua:

[ f_{X,Y}(x,y)=f_X(x)f_Y(y). ]

Independência não exige marginais iguais.

Transformação

Se (Y=g(X)):

  • discreta: some as massas de todos os (x) que geram o mesmo (y);
  • contínua: método da acumulada é geral;
  • transformação um a um com inversa (x=v(y)):

[ f_Y(y)=f_X(v(y))|v’(y)|. ]

Pegadinhas

  • densidade = probabilidade pontual → não;
  • densidade não pode superar 1 → não;
  • esperança deve ser valor possível → não;
  • Poisson: desvio padrão = (\lambda) → não; é (\sqrt\lambda);
  • soma de Poisson dispensa independência → não;
  • independência exige mesma distribuição → não;
  • transformar variável = apenas substituir na densidade → não.

Recuperação em uma frase

A distribuição descreve a lei da variável; esperança e momentos resumem essa lei; condicionamento muda a lei diante de informação; transformação produz uma nova lei.