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Axiomática de probabilidades, Resumos de Probabilidade

Axiomática de probabilidades; Axiomática de Kolomogrov

Tipologia: Resumos

2023

Compartilhado em 28/04/2024

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fabio-lourenco-20 🇵🇹

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Semin´ario-I- Fundamentos de probabilidades
abio Andr´e De Oliveira Louren¸co
28 de dezembro de 2022
1 Experiˆencia aleat´oria
Dizemos que uma experiˆencia ´e aleat´oria se verifica
as seguintes propriedades:
Todos os resultados ao conhecidos previa-
mente
A experiˆencia pode ser repetida sob condi¸oes
idˆenticas
O resuldado (da sua realiza¸ao) ´e incerto, ou
seja, ao ´e conhecido `a priori
Algumas considera¸oes:
A incerteza da experiˆencia ´e o ob jeto do estudo;
A cada experiˆencia ´e associado um conjunto Ω,
que se define pelo conjunto de todos os resul-
tados possiveis da experiˆencia;
Aos seus elementos, chamamos de aconteci-
mentos elementares;
2 Algebra dos acontecimentos
A titulo de motiva¸ao, convido o leitor a refletir
sobre a seguinte pergunta:
Quais os subconjuntos de Ω, ´e que p odem ser
considerados acontecimentos?
Ora bem, para a judar na an´alise, vamos supor
que existe uma moeda (equilibrada), com as fa-
ces {♠,♣}. Considerando a experiˆencia aleat´oria:
”Lan¸car a moeda e resgistar a sua face”.
Podemos a cada acontecimento associar um subcon-
junto de Ω, por ex:
{♠,♣}:= Sai ou sai
{♠}:= Sai
{♣}:=Sai
{∅}:= Sai e sai
Os acontecimentos que acab´amos de definir ao sub-
conjuntos de Ω, vamos ver que, cada um destes
subconjuntos em particular, pertence a uma classe
muito especial, designada por σalgebra.
2.1 σalgebra
O conjunto (ou classe) A´e uma σalgebra sobre
Ω, se ao verificadas as seguintes propriedades:
1. A
2. b A ¯
b A
3. b1, b2,· · · , bn A Sn
i=1 bi A
Estamos a considerar que os acontecimentos ao
finitos ou infinitos numer´aveis. Nestas condi¸oes
dizemos que A=P(Ω) ´e o espa¸co dos aconteci-
mentos sobre Ω.
Exerc´ıcio:
Mostre que o conjunto
B:= {{♠} ,{♠,♣} ,{♣} ,{∅}}, ´e uma σalgebra
sobre := {♠,♣}.
2.2 Espa¸co amostral
Chama-se espa¸co de amostra ou espa¸co amostral `a
dupla (Ω,A).´
E importante sublinhar que:
bA, ´e um acontecimento;
O espa¸co de amostra ´e discreto, quando
cont´em um nºf inito ou inf inito de casos
numer´aveis;
No exemplo de a pouco,o espa¸co de
amostra continha um nºfinito de casos.
O nºde lan¸camentos at´e obter :Estaria-
mos neste caso, perante um espa¸co de amostra que
continha um nºinfinito de casos numer´aveis, a
que o espa¸co de resultados seria todo o conjunto
{0,1,2,3,4,· · ·}.
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Semin´ario-I- Fundamentos de probabilidades

F´abio Andr´e De Oliveira Louren¸co

28 de dezembro de 2022

1 Experiˆencia aleat´oria

Dizemos que uma experiˆencia ´e aleat´oria se verifica as seguintes propriedades:

  • Todos os resultados s˜ao conhecidos previa- mente
  • A experiˆencia pode ser repetida sob condi¸c˜oes idˆenticas
  • O resuldado (da sua realiza¸c˜ao) ´e incerto, ou seja, n˜ao ´e conhecido `a priori

Algumas considera¸c˜oes:

  • A incerteza da experiˆencia ´e o objeto do estudo;
  • A cada experiˆencia ´e associado um conjunto Ω, que se define pelo conjunto de todos os resul- tados possiveis da experiˆencia;
  • Aos seus elementos, chamamos de aconteci- mentos elementares;

2 Algebra dos acontecimentos

A titulo de motiva¸c˜ao, convido o leitor a refletir sobre a seguinte pergunta:

  • Quais os subconjuntos de Ω, ´e que podem ser considerados acontecimentos?

Ora bem, para ajudar na an´alise, vamos supor que existe uma moeda (equilibrada), com as fa- ces {♠, ♣}. Considerando a experiˆencia aleat´oria: ”Lan¸car a moeda e resgistar a sua face”. Podemos a cada acontecimento associar um subcon- junto de Ω, por ex:

  • {♠, ♣}:= Sai ♠ ou sai ♣
  • {♠}:= Sai ♠
  • {♣}:=Sai ♣
  • {∅}:= Sai ♠ e sai ♣

Os acontecimentos que acab´amos de definir s˜ao sub- conjuntos de Ω, vamos ver que, cada um destes subconjuntos em particular, pertence a uma classe muito especial, designada por σ − algebra.

2.1 σ − algebra

O conjunto (ou classe) A ´e uma σ − algebra sobre Ω, se s˜ao verificadas as seguintes propriedades:

  1. Ω ∈ A
  2. b ∈ A ⇒ ¯b ∈ A
  3. b 1 , b 2 , · · · , bn ∈ A ⇒

Sn i=1 bi^ ∈ A Estamos a considerar que os acontecimentos s˜ao finitos ou infinitos numer´aveis. Nestas condi¸c˜oes dizemos que A = P(Ω) ´e o espa¸co dos aconteci- mentos sobre Ω.

Exerc´ıcio: Mostre que o conjunto B:= {{♠} , {♠, ♣} , {♣} , {∅}}, ´e uma σ − algebra sobre Ω := {♠, ♣}.

2.2 Espa¸co amostral

Chama-se espa¸co de amostra ou espa¸co amostral `a dupla (Ω, A). E importante sublinhar que:´

  • ∀b ∈ A, ´e um acontecimento;
  • O espa¸co de amostra ´e discreto, quando Ω cont´em um nº f inito ou inf inito de casos numer´aveis;

No exemplo de h´a pouco,o espa¸co de amostra continha um nº finito de casos.

O nº de lan¸camentos at´e obter ♣ :Estaria- mos neste caso, perante um espa¸co de amostra que continha um nº infinito de casos numer´aveis, j´a que o espa¸co de resultados seria todo o conjunto { 0 , 1 , 2 , 3 , 4 , · · ·}.

Teorema 1. ∅ ∈ A

Demonstra¸c˜ao. Pela defini¸c˜ao de σ − algebra, sabe- mos que se Ω ∈ A ⇒ Ω¯ ∈ A, Ω =¯ ∅

Teorema 2. Se b 1 , b 2 ∈ A ent˜ao

b 1 ∩ b 2 ∈ A

Demonstra¸c˜ao. Pelas al´ıneas 2 e 3 da defini¸c˜ao, sa- bemos que b¯ 1 ∪ b¯ 2 ∈ A ⇒ b 1 ∪ b 2 =b 1 ∩ b 2 ∈ A

Teorema 3. Se b 1 , b 2 , b 3 , · · · , bn ∈ A, ent˜ao

[^ n

i=

bi ∈ A

Demonstra¸c˜ao. Racioc´ınio an´alogo ao da dem. do teorema 2

3 (Medida de) Probabilidade

Se associarmos (Ω, A) a uma experiˆencia aleat´oria e sendo p(x) uma fun¸c˜ao que tem o dom´ınio em A e contradom´ınio em B (que veremos mais adiante que tem valores entre [0;1]) dizemos que p ´e uma medida de probabilidade se satisfaz os seguines axiomas:

  1. p(b) ≥ 0 , ∀b ∈ A
  2. p(Ω) = 1
  3. Se b 1 , b 2 , b 3 , · · · s˜ao disjuntos 2 a 2, ent˜ao

p

∞S

j=

bi

P∞

j=

bj

Ao terno (Ω, A, p(x)) chamamos de espa¸co de probabilidade que nada mais ´e do que um modelo probabil´ıstico para uma ex- periˆencia.

Exemplo: Seja a experiˆencia: ”Lan¸camento de um dados equilibrado”. Seja o acontecimento c := { 1 , 2 , 3 }: ”Sai face 1, 2 ou 3”.Esse acontecimento tem probabilidade de cinquenta por cento, i,e. p(c)=0.

Teorema 4. p(∅) = 0

Demonstra¸c˜ao. Fazendo b 1 = b 2 = b 3 = · · · = bn = ∅, pelo axioma 3, p(bj ) = 0, caso contrario a s´erie divergia.

Teorema 5. Se b ∈ A, ent˜ao p(¯b) = 1 − p(b)

Demonstra¸c˜ao. Pelo axioma 2, p(Ω) = 1 e sendo b ∩ ¯b = ∅, ent˜ao recorrendo ao axioma 3 e tendo em cosidera¸c˜ao que Ω = b ∪ ¯b, p(b) + p(¯b) = 1 ↔ p(¯b) = 1 − p(b)

Teorema 6. p(A) = p(A ∪ B) + p(A ∪ B¯)

Demonstra¸c˜ao. A = (A ∩ B¯) ∪ (A ∩ B) e (A ∩ B¯) ∩ (A ∩ B) = ∅, pelo axioma 3 p(A) = p(A ∪ B) + p(A ∪ B¯)

Teorema 7. Se a, b ∈ A e a ⊂ b ent˜ao p(a) ≤ p(b).

Demonstra¸c˜ao. b = (b ∩ ¯a) ∪ (b ∩ a) como a ⊂ b ent˜ao a ∩ b= a, ou seja, b = (b ∩ ¯a) ∪ a. Como (b ∩ ¯a) ∩ a = ∅, novamente pelo axioma 3 p(b) = p(a)+p(b∩¯a) Pelo axioma 1 p(b∩¯a) ≥, que significa p(a) ≤ p(b)

Este ´ultimo teorema tem um interesse em parti- cular, pois ir´a permitir uma melhor compreens˜ao da dem. do teorema 4. Note-se que ∅ ∈ B, ∀B ∈ A, assim como B ∈ Ω, ent˜ao, pelo teorema 7, p(∅) ≤ p(B) ≤ p(Ω) ou seja 0 ≤ p(B) ≤ 1.