graph TD subgraph S["Espaço Amostral (Ω)"] A(A) --- B(B) end style A fill:#add8e6,stroke:#333,stroke-width:2px; style B fill:#90ee90,stroke:#333,stroke-width:2px; style S fill:transparent,stroke:#333,stroke-width:2px;
Introdução à Probabilidade e Eventos
Entendendo Conceitos de Probabilidade, Espaço Amostral e Eventos
Introdução à Probabilidade
A probabilidade é a linguagem da incerteza. Em nosso mundo, repleto de fenômenos aleatórios, a capacidade de quantificar a chance de um evento ocorrer é fundamental para a tomada de decisões em diversas áreas, desde finanças e medicina até engenharia e, claro, ciência de dados. Compreender os conceitos básicos de probabilidade é o alicerce para análises estatísticas mais avançadas, modelagem preditiva e inferência.
Nesta aula, exploraremos os conceitos fundamentais que nos permitem descrever e quantificar a incerteza: o que é probabilidade, como definir o universo de possibilidades (espaço amostral) e como caracterizar os resultados de interesse (eventos).
Objetivo de Aprendizagem
Ao final desta aula, você será capaz de:
- Definir e compreender o conceito de experimento aleatório e probabilidade.
- Identificar e construir o espaço amostral para diferentes experimentos aleatórios.
- Definir e classificar diferentes tipos de eventos.
- Realizar operações básicas com eventos (união, interseção, complemento) e interpretá-las.
- Aplicar o conceito clássico de probabilidade para calcular a chance de eventos simples.
- Conectar os conhecimentos de análise combinatória (aula anterior) ao cálculo de probabilidades.
Experimentos Aleatórios e o Conceito de Probabilidade
Experimento Aleatório
Um experimento aleatório é qualquer processo ou ação que:
1. Pode ser repetido sob as mesmas condições.
2. Os resultados não podem ser previstos com certeza antes da sua realização.
3. Todos os resultados possíveis podem ser listados de antemão.
- Lançamento de uma moeda.
- Lançamento de um dado.
- Retirada de uma carta de um baralho.
- Medir a altura de um indivíduo selecionado aleatoriamente.
- O número de clientes que entram em uma loja em uma hora.
Conceito de Probabilidade
Em termos intuitivos, a probabilidade de um evento é uma medida numérica da chance de que ele ocorra. É expressa como um número entre 0 e 1 (ou 0% e 100%), onde:
- \(0\) indica que o evento é impossível.
- \(1\) indica que o evento é certo.
Formalmente, existem diferentes abordagens para definir probabilidade:
Abordagem Clássica (ou de Laplace)
Se um experimento aleatório tem \(N\) resultados possíveis, todos igualmente prováveis, e um evento \(E\) tem \(n_E\) resultados favoráveis, então a probabilidade do evento \(E\) é:
\(P(E) = \frac{\text{Resultados favoráveis ao evento E}}{\text{Resultados possíveis no espaço amostral}} = \frac{n_E}{N}\)
Esta abordagem é aplicável quando os resultados são simétricos e equiprováveis (por exemplo, lançamento de um dado justo).
Abordagem da Frequência Relativa (ou Empírica)
Se um experimento é repetido um grande número de vezes (\(N\) tentativas), e um evento \(E\) ocorre \(n_E\) vezes, então a probabilidade do evento \(E\) é aproximada pela frequência relativa:
\(P(E) \approx \frac{n_E}{N}\) (quando \(N\) é grande)
Essa abordagem é útil quando os resultados não são equiprováveis ou são difíceis de enumerar.
Abordagem Subjetiva
A probabilidade subjetiva é baseada na crença pessoal ou julgamento de um indivíduo sobre a ocorrência de um evento, muitas vezes em situações onde não há dados históricos ou simetria para aplicar as outras abordagens.
Nesta aula, focaremos principalmente nas abordagens clássica e no entendimento de eventos e espaços amostrais.
Propriedades Fundamentais da Probabilidade: (Bussab; Morettin, 2017, p. 57–58)
- Para qualquer evento \(E\), \(0 \le P(E) \le 1\).
- A probabilidade do espaço amostral (evento certo) é \(P(\Omega) = 1\).
- A probabilidade do evento impossível é \(P(\emptyset) = 0\).
Espaço Amostral (\(\Omega\) ou \(S\))
O espaço amostral de um experimento aleatório é o conjunto de todos os resultados possíveis desse experimento. É usualmente denotado por \(\Omega\) (ômega maiúscula) ou \(S\).
Tipos de Espaço Amostral
Espaço Amostral Finito: Contém um número limitado de resultados.
- Exemplo: Lançamento de um dado. \(\Omega = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\}\)
- Exemplo: Lançamento de duas moedas. \(\Omega = \{HH, HT, TH, TT\}\)
Espaço Amostral Infinito Contável: Contém um número infinito de resultados que podem ser contados (enumerados) em uma sequência.
- Exemplo: Número de vezes que uma moeda precisa ser lançada até que a primeira “cara” apareça. \(\Omega = \{1, 2, 3, 4, \dots\}\)
Espaço Amostral Infinito Não Contável (ou Contínuo): Contém um número infinito de resultados que não podem ser contados, mas sim medidos (intervalos de números reais).
- Exemplo: O tempo de vida de uma lâmpada. \(\Omega = \{t \in \mathbb{R} \mid t \ge 0\}\)
Construindo Espaços Amostrais com Python e R
Lançamento de uma Moeda
Lançamento de Duas Moedas
from itertools import product
def lancar_duas_moedas():
resultados_uma_moeda = ['C', 'K'] # C para Cara, K para Coroa
# product gera todas as combinações possíveis com repetição
espaco_amostral = list(product(resultados_uma_moeda, repeat=2))
# Convertendo para strings legíveis
return [''.join(res) for res in espaco_amostral]
espaco_amostral_duas_moedas = lancar_duas_moedas()
print(f"Espaço Amostral (2 moedas): {espaco_amostral_duas_moedas}")
print(f"Tamanho do Espaço Amostral: {len(espaco_amostral_duas_moedas)}")
# install.packages("gtools") # Se ainda não tiver
library(gtools)
lancar_duas_moedas <- function() {
resultados_uma_moeda <- c('C', 'K') # C para Cara, K para Coroa
# expand.grid cria um data frame com todas as combinações
espaco_amostral_df <- expand.grid(
moeda1 = resultados_uma_moeda,
moeda2 = resultados_uma_moeda
)
# Juntando as colunas para obter strings como "CC", "CK"
espaco_amostral <- apply(espaco_amostral_df, 1, paste, collapse = "")
return(espaco_amostral)
}
espaco_amostral_duas_moedas <- lancar_duas_moedas()
cat("Espaço Amostral (2 moedas):", espaco_amostral_duas_moedas, "\n")
cat("Tamanho do Espaço Amostral:", length(espaco_amostral_duas_moedas), "\n")
Lançamento de um Dado
Eventos
Um evento é qualquer subconjunto do espaço amostral. Ele representa um resultado ou um conjunto de resultados de interesse em um experimento aleatório.
Tipos de Eventos
Evento Simples (ou Elementar): Contém apenas um resultado do espaço amostral.
- Exemplo (Lançamento de um dado): “Obter o número 3”. \(E = \{3\}\)
Evento Composto: Contém dois ou mais resultados do espaço amostral.
- Exemplo (Lançamento de um dado): “Obter um número par”. \(E = \{2, 4, 6\}\)
Evento Certo: É o próprio espaço amostral \(\Omega\). É o evento que certamente ocorrerá.
- Exemplo (Lançamento de um dado): “Obter um número menor que 7”. \(E = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\} = \Omega\)
Evento Impossível: É o conjunto vazio \(\emptyset\). É o evento que nunca ocorrerá.
- Exemplo (Lançamento de um dado): “Obter o número 7”. \(E = \emptyset\)
Operações com Eventos
Assim como conjuntos, podemos realizar operações com eventos para descrever situações mais complexas. [Bussab & Morettin, 2017, p. 52-54]
União de Eventos (\(\cup\))
A união de dois eventos \(A\) e \(B\), denotada por \(A \cup B\), é o evento que ocorre se \(A\) ou \(B\) (ou ambos) ocorrem. Em termos de conjuntos, \(A \cup B = \{x \mid x \in A \text{ ou } x \in B\}\).
Exemplo (Lançamento de um dado):
- Evento A: “Obter um número par” = \(\{2, 4, 6\}\)
- Evento B: “Obter um número primo” = \(\{2, 3, 5\}\)
- \(A \cup B\): “Obter um número par ou um número primo” = \(\{2, 3, 4, 5, 6\}\)
Diagrama de Venn:
(Representa a área sombreada de A e B, incluindo a interseção)
Interseção de Eventos (\(\cap\))
A interseção de dois eventos \(A\) e \(B\), denotada por \(A \cap B\), é o evento que ocorre se \(A\) e \(B\) ocorrem simultaneamente. Em termos de conjuntos, \(A \cap B = \{x \mid x \in A \text{ e } x \in B\}\).
Exemplo (Lançamento de um dado):
- Evento A: “Obter um número par” = \(\{2, 4, 6\}\)
- Evento B: “Obter um número primo” = \(\{2, 3, 5\}\)
- \(A \cap B\): “Obter um número par e primo” = \(\{2\}\)
Diagrama de Venn:
graph TD subgraph S["Espaço Amostral (Ω)"] A(A) -- Interseção --> B(B) end style A fill:#add8e6,stroke:#333,stroke-width:2px; style B fill:#90ee90,stroke:#333,stroke-width:2px; style S fill:transparent,stroke:#333,stroke-width:2px;
(Representa apenas a área sombreada da interseção entre A e B)
Complemento de um Evento (\(A^c\) ou \(\bar{A}\))
O complemento de um evento \(A\), denotado por \(A^c\) ou \(\bar{A}\), é o evento que ocorre se \(A\) não ocorre. Em termos de conjuntos, \(A^c = \{x \mid x \in \Omega \text{ e } x \notin A\}\).
Exemplo (Lançamento de um dado):
- Espaço Amostral \(\Omega = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\}\)
- Evento A: “Obter um número par” = \(\{2, 4, 6\}\)
- \(A^c\): “Não obter um número par” (ou “Obter um número ímpar”) = \(\{1, 3, 5\}\)
Diagrama de Venn:
graph TD subgraph S["Espaço Amostral (Ω)"] A(A) end style A fill:#add8e6,stroke:#333,stroke-width:2px; style S fill:transparent,stroke:#333,stroke-width:2px;
(Representa a área sombreada do Espaço Amostral fora* de A)*
Eventos Mutuamente Exclusivos (ou Disjuntos)
Dois eventos \(A\) e \(B\) são mutuamente exclusivos se eles não podem ocorrer ao mesmo tempo. Isso significa que sua interseção é o conjunto vazio (\(A \cap B = \emptyset\)).
Exemplo (Lançamento de um dado):
- Evento A: “Obter um número par” = \(\{2, 4, 6\}\)
- Evento B: “Obter um número ímpar” = \(\{1, 3, 5\}\)
- \(A \cap B = \emptyset\). Portanto, A e B são mutuamente exclusivos.
Diagrama de Venn:
graph TD subgraph S["Espaço Amostral (Ω)"] A(A) B(B) end style A fill:#add8e6,stroke:#333,stroke-width:2px; style B fill:#90ee90,stroke:#333,stroke-width:2px; style S fill:transparent,stroke:#333,stroke-width:2px;
(Círculos A e B não se sobrepõem)
Eventos Coletivamente Exaustivos
Um conjunto de eventos é coletivamente exaustivo se a união de todos eles cobre todo o espaço amostral (\(\Omega\)).
Exemplo (Lançamento de um dado):
- Evento A: “Obter um número par” = \(\{2, 4, 6\}\)
- Evento B: “Obter um número ímpar” = \(\{1, 3, 5\}\)
- \(A \cup B = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\} = \Omega\). Portanto, A e B são coletivamente exaustivos. (Neste caso, também são mutuamente exclusivos).
Cálculo de Probabilidade Utilizando a Abordagem Clássica
Agora que entendemos espaço amostral e eventos, podemos aplicar a fórmula da probabilidade clássica:
\(P(E) = \frac{\text{Resultados favoráveis ao evento E}}{\text{Resultados possíveis no espaço amostral}}\)
A Análise Combinatória (permutação, arranjo, e em breve combinação) é essencial para determinar esses “números de resultados” em cenários mais complexos.
Espaço Amostral \(\Omega = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\}\), então \(N = 6\).
Evento E1: “Obter um número par”
- \(E1 = \{2, 4, 6\}\), então \(n_{E1} = 3\).
- \(P(E1) = \frac{3}{6} = \frac{1}{2} = 0.5\)
Evento E2: “Obter um número maior que 4”
- \(E2 = \{5, 6\}\), então \(n_{E2} = 2\).
- \(P(E2) = \frac{2}{6} = \frac{1}{3} \approx 0.333\)
Exemplo Cálculo de Probabilidade Simples
# Lançamento de um dado
espaco_amostral_dado = list(range(1, 7))
N = len(espaco_amostral_dado)
print(f"Espaço Amostral do Dado: {espaco_amostral_dado}, N = {N}")
# Evento E1: Obter um número par
evento_e1 = [x for x in espaco_amostral_dado if x % 2 == 0]
n_e1 = len(evento_e1)
prob_e1 = n_e1 / N
print(f"Evento E1 (número par): {evento_e1}, n(E1) = {n_e1}")
print(f"P(E1) = {prob_e1:.3f}")
# Evento E2: Obter um número maior que 4
evento_e2 = [x for x in espaco_amostral_dado if x > 4]
n_e2 = len(evento_e2)
prob_e2 = n_e2 / N
print(f"Evento E2 (número > 4): {evento_e2}, n(E2) = {n_e2}")
print(f"P(E2) = {prob_e2:.3f}")
# Lançamento de um dado
espaco_amostral_dado <- 1:6
N <- length(espaco_amostral_dado)
cat(sprintf(
"Espaço Amostral do Dado: %s, N = %d\n",
paste(espaco_amostral_dado, collapse = ", "),
N
))
# Evento E1: Obter um número par
evento_e1 <- espaco_amostral_dado[espaco_amostral_dado %% 2 == 0]
n_e1 <- length(evento_e1)
prob_e1 <- n_e1 / N
cat(sprintf(
"Evento E1 (número par): %s, n(E1) = %d\n",
paste(evento_e1, collapse = ", "),
n_e1
))
cat(sprintf("P(E1) = %.3f\n", prob_e1))
# Evento E2: Obter um número maior que 4
evento_e2 <- espaco_amostral_dado[espaco_amostral_dado > 4]
n_e2 <- length(evento_e2)
prob_e2 <- n_e2 / N
cat(sprintf(
"Evento E2 (número > 4): %s, n(E2) = %d\n",
paste(evento_e2, collapse = ", "),
n_e2
))
cat(sprintf("P(E2) = %.3f\n", prob_e2))
Regras da Adição de Probabilidades
Para eventos mutuamente exclusivos: Se \(A\) e \(B\) são eventos mutuamente exclusivos, a probabilidade de \(A\) ou \(B\) ocorrer é a soma das suas probabilidades:
\(P(A \cup B) = P(A) + P(B)\)
Para eventos não mutuamente exclusivos: Se \(A\) e \(B\) não são mutuamente exclusivos, a probabilidade de \(A\) ou \(B\) ocorrer é:
\(P(A \cup B) = P(A) + P(B) - P(A \cap B)\) A interseção é subtraída para evitar contagem dupla dos resultados que estão em ambos os eventos.
Exemplo (Lançamento de um dado):
- Evento A: “Obter um número par” (\(P(A) = 3/6\))
- Evento B: “Obter um número maior que 4” (\(P(B) = 2/6\))
- \(A \cap B = \{6\}\), então \(P(A \cap B) = 1/6\).
- \(P(A \cup B) = P(A) + P(B) - P(A \cap B) = \frac{3}{6} + \frac{2}{6} - \frac{1}{6} = \frac{4}{6} = \frac{2}{3}\). Verificando: \(A \cup B = \{2, 4, 5, 6\}\), que tem 4 resultados, então \(P(A \cup B) = 4/6\).
Verificação de Aprendizagem
Resolva os problemas abaixo, definindo o espaço amostral e os eventos, e calculando as probabilidades quando solicitado.
Lançamento de Três Moedas:
- Defina o espaço amostral (\(\Omega\)) para o lançamento de três moedas. Quantos resultados existem?
- Defina o evento \(A\): “Obter exatamente duas caras”.
- Defina o evento \(B\): “Obter pelo menos uma coroa”.
- Defina o evento \(C\): “Obter três resultados iguais”.
- Calcule \(P(A)\), \(P(B)\) e \(P(C)\).
- Calcule \(P(A \cup B)\).
- Calcule \(P(A \cap C)\). Os eventos A e C são mutuamente exclusivos?
Resultados por moeda: {C, K}
Espaço Amostral (\(\Omega\)): Usando o Princípio Multiplicativo: \(2 \times 2 \times 2 = 8\) resultados.
\(\Omega = \{CCC, CCK, CKC, CKK, KCC, KCK, KKC, KKK\}\)
Evento A: “Obter exatamente duas caras”.
\(A = \{CCK, CKC, KCC\}\)
Evento B: “Obter pelo menos uma coroa”.
\(B = \{CCK, CKC, CKK, KCC, KCK, KKC, KKK\}\) (Todos exceto CCC)
Evento C: “Obter três resultados iguais”.
\(C = \{CCC, KKK\}\)
Cálculo de Probabilidades:
- \(P(A) = \frac{n(A)}{n(\Omega)} = \frac{3}{8}\)
- \(P(B) = \frac{n(B)}{n(\Omega)} = \frac{7}{8}\) (ou \(1 - P(CCC) = 1 - 1/8 = 7/8\))
- \(P(C) = \frac{n(C)}{n(\Omega)} = \frac{2}{8} = \frac{1}{4}\)
\(P(A \cup B)\):
\(A \cup B = \{CCK, CKC, KCC\} \cup \{CCK, CKC, CKK, KCC, KCK, KKC, KKK\}\) \(A \cup B = \{CCK, CKC, CKK, KCC, KCK, KKC, KKK\}\) (o mesmo que Evento B) \(P(A \cup B) = P(B) = \frac{7}{8}\) (Alternativamente, usando a regra da adição: \(P(A \cap B) = A = \{CCK, CKC, KCC\}\), então \(P(A \cap B) = 3/8\). \(P(A \cup B) = P(A) + P(B) - P(A \cap B) = \frac{3}{8} + \frac{7}{8} - \frac{3}{8} = \frac{7}{8}\))
\(P(A \cap C)\):
\(A = \{CCK, CKC, KCC\}\) \(C = \{CCC, KKK\}\) \(A \cap C = \emptyset\) (Não há resultados em comum) \(P(A \cap C) = 0\). Sim, os eventos A e C são mutuamente exclusivos.
Baralho de Cartas:
Um baralho padrão possui 52 cartas, sendo 4 naipes (Copas, Ouros, Espadas, Paus) e 13 valores em cada naipe (A, 2, 3, …, 10, J, Q, K). Uma carta é retirada aleatoriamente de um baralho bem embaralhado.
- Qual o espaço amostral e seu tamanho?
- Qual a probabilidade de a carta ser de Copas?
- Qual a probabilidade de a carta ser um Ás?
- Qual a probabilidade de a carta ser de Copas E um Ás?
- Qual a probabilidade de a carta ser de Copas OU um Ás?
a) **Espaço Amostral:** O conjunto de todas as 52 cartas do baralho. Seu tamanho $N=52$.
b) **Probabilidade de a carta ser de Copas:** Existem 13 cartas de Copas.
$P(\text{Copas}) = \frac{13}{52} = \frac{1}{4}$
c) **Probabilidade de a carta ser um Ás:** Existem 4 Ases no baralho.
$P(\text{Ás}) = \frac{4}{52} = \frac{1}{13}$
d) **Probabilidade de a carta ser de Copas E um Ás:** Há apenas uma carta que é de Copas E um Ás (o Ás de Copas).
$P(\text{Copas} \cap \text{Ás}) = \frac{1}{52}$
e) **Probabilidade de a carta ser de Copas OU um Ás:** Usando a regra da adição para eventos não mutuamente exclusivos.
$P(\text{Copas} \cup \text{Ás}) = P(\text{Copas}) + P(\text{Ás}) - P(\text{Copas} \cap \text{Ás})$
$P(\text{Copas} \cup \text{Ás}) = \frac{13}{52} + \frac{4}{52} - \frac{1}{52} = \frac{16}{52} = \frac{4}{13}$
Seleção de Pessoas:
Em um grupo de 15 pessoas, 8 são homens e 7 são mulheres. Duas pessoas são selecionadas aleatoriamente sem reposição.
- Qual o número total de maneiras de selecionar 2 pessoas? (Dica: A ordem da seleção não importa aqui, mas para fins de espaço amostral, podemos considerar os pares ordenados e ajustar a contagem de eventos, ou pensar em combinação, que será vista na próxima aula, mas o conceito de arranjo pode ser adaptado para pensar nos pares de pessoas). Para esta aula, vamos considerar a ordem importa para o espaço amostral para fins de aplicação de arranjo, e então focar na probabilidade de eventos específicos.
- Qual a probabilidade de ambas serem mulheres?
- Qual a probabilidade de ser um homem e uma mulher (nessa ordem)?
- Qual a probabilidade de ser um homem e uma mulher (em qualquer ordem)?
* Total de pessoas $n=15$. Queremos selecionar $k=2$.
a) **Número total de maneiras de selecionar 2 pessoas:**
Como a ordem importa (para usar arranjo, pensando em "primeira pessoa", "segunda pessoa"), usamos Arranjo Simples.
$N = A_{15}^2 = \frac{15!}{(15-2)!} = \frac{15!}{13!} = 15 \times 14 = 210$ maneiras.
b) **Probabilidade de ambas serem mulheres:**
* Número de mulheres = 7.
* Número de maneiras de selecionar 2 mulheres (ordem importa): $A_7^2 = \frac{7!}{(7-2)!} = \frac{7!}{5!} = 7 \times 6 = 42$ maneiras.
$P(\text{Ambas Mulheres}) = \frac{42}{210} = \frac{1}{5} = 0.2$
c) **Probabilidade de ser um homem e uma mulher (nessa ordem):**
* Primeira pessoa é homem: 8 opções.
* Segunda pessoa é mulher: 7 opções.
* Número de maneiras: $8 \times 7 = 56$ maneiras.
$P(\text{Homem, Mulher}) = \frac{56}{210} = \frac{4}{15} \approx 0.267$
d) **Probabilidade de ser um homem e uma mulher (em qualquer ordem):**
Isso significa (Homem e depois Mulher) OU (Mulher e depois Homem).
* Homem e depois Mulher: 56 maneiras (calculado acima).
* Mulher e depois Homem: $7 \times 8 = 56$ maneiras.
* Total de maneiras: $56 + 56 = 112$ maneiras.
$P(\text{Um Homem e uma Mulher}) = \frac{112}{210} = \frac{8}{15} \approx 0.533$