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prova de probabilidades, Esquemas de Probabilidades e Processos Estocásticos

prova de probabilidades distribuições regra de Bayes

Tipologia: Esquemas

2018

Compartilhado em 20/10/2021

marcos-cordeiro
marcos-cordeiro 🇧🇷

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PROBABILIDADE PROVA 2 - JUNHO 2018. INDIVIDUAL - ENTREGA: 06
DE JUNHO
Probabilidades Prova 2
Instru¸oes: a prova deve ser feita individualmente. Ela ao visa medir se o grupo sabe. O
objetivo ´e obter informa¸ao sobre o que cada aluno sabe. A nota Vser´a dada por
V= min(10, v0
n
X
i=1
vi),
onde vi´e o valor da nota da quest˜ao i. A soma dos valores ´e maior que dez pontos. Quem ao
responder `a pergunta 0 ter´a uma prova oral. Apresente as solu¸oes cuidadosamente deixando
claro as hip´oteses feitas e mostrando o desenvolvimento matem´atico. Frases telegr´aficas ou
equa¸oes soltas ao ao a forma adequada de comunicar os resultados. ao precisa fazer em
Latex, provas manuscritas ao bem-vindas. Provas em Word ao o ser˜ao. Numere as paginas
e os exerc´ıcios. Grampeie as folhas de forma ordenada por umero de quest˜ao. As folhas de
provas sem nome ser˜ao enviadas para reciclagem.
Exerc´ıcio 0.
Responda: Vocˆe fez a prova de forma individual? Resposta SIM ter´a nota v0= 1 e a resposta
N˜
AO nota v0= 0.
Exerc´ıcio 1. Distribui¸ao normal A vari´avel aleat´oria Xtem distribui¸ao normal com
media µe desvio padr˜ao σ.
Ztoma valores z=ax3+bx2. Encontre o valor esperado de Z.
No caso em que µ= 0 e σ= 1 a vari´avel Ytoma valores y= cos x. Encontre a densidade
de probabilidade P(Y) e sua edia.
Suponha novamente que µ= 0 e σ= 1. Obtenha a distribui¸ao de probabilidade para
a vari´avel aleat´oria SN=PN
i=1 x2
i, onde os xiao amostras independentes e igualmente
distribuidas (i.i.d) de X.
Valores: .5, .5, 1.
Exerc´ıcio 2. Em uma experiˆencia o operador tem contrˆole de escolha do valor xe pode
medir para cada escolha de xo valor de y. Uma corrida da experiˆencia gerou o conjunto de
dados (xi, yi)i=1...N . No que segue teremos informa¸ao que os valores de yiao corrompidos por
ru´ıdo gaussiano e independente com edia nula e variˆancia σ2.
a motivos te´oricos para achar que o modelo M1:y=f1(x;θ) ´e adequado. Encontre
uma express˜ao que permita econtrar θML o valor de θde axima verossimilhan¸ca.
Encontre uma express˜ao para a incerteza da estimativa de θ. Justifique a escolha dessa
estimativa.
Valores: 1., 1.
Exerc´ıcio 3. Considere a seguinte informa¸ao I= “Uma moeda ´e jogada para cima, bate
no teto, no ventilador do teto, e cai no ch˜ao plano”. a arios motivos para atribuir p= 1/2 `a
probabilidade que caia a cara para cima, isto ´e p=P(s= 1|I) = 1/2 e q=P(s=1|I) = 1/2
. Poderiamos considerar outra experiˆencia I0onde p, q tem outro valores (entre zero e um).
Consideremos as jogadas independentes, para duas jogadas iejquaisquer P(si|sjI0) = P(si|I0).
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PROBABILIDADE PROVA 2 - JUNHO 2018. INDIVIDUAL - ENTREGA: 06

DE JUNHO

Probabilidades Prova 2

Instru¸c˜oes: a prova deve ser feita individualmente. Ela n˜ao visa medir se o grupo sabe. O objetivo ´e obter informa¸c˜ao sobre o que cada aluno sabe. A nota V ser´a dada por

V = min(10, v 0

∑^ n

i=

vi),

onde vi ´e o valor da nota da quest˜ao i. A soma dos valores ´e maior que dez pontos. Quem n˜ao responder `a pergunta 0 ter´a uma prova oral. Apresente as solu¸c˜oes cuidadosamente deixando claro as hip´oteses feitas e mostrando o desenvolvimento matem´atico. Frases telegr´aficas ou equa¸c˜oes soltas n˜ao s˜ao a forma adequada de comunicar os resultados. N˜ao precisa fazer em Latex, provas manuscritas s˜ao bem-vindas. Provas em Word n˜ao o ser˜ao. Numere as paginas e os exerc´ıcios. Grampeie as folhas de forma ordenada por n´umero de quest˜ao. As folhas de provas sem nome ser˜ao enviadas para reciclagem.

Exerc´ıcio 0. Responda: Vocˆe fez a prova de forma individual? Resposta SIM ter´a nota v 0 = 1 e a resposta N AO nota˜ v 0 = 0.

Exerc´ıcio 1. Distribui¸c˜ao normal A vari´avel aleat´oria X tem distribui¸c˜ao normal com media μ e desvio padr˜ao σ.

  • Z toma valores z = ax^3 + bx^2. Encontre o valor esperado de Z.
  • No caso em que μ = 0 e σ = 1 a vari´avel Y toma valores y = cos x. Encontre a densidade de probabilidade P (Y ) e sua m´edia.
  • Suponha novamente que μ = 0 e σ = 1. Obtenha a distribui¸c˜ao de probabilidade para a vari´avel aleat´oria SN =

∑N

i=1 x 2 i , onde os^ xi^ s˜ao amostras independentes e igualmente distribuidas (i.i.d) de X.

Valores: .5, .5, 1.

Exerc´ıcio 2. Em uma experiˆencia o operador tem contrˆole de escolha do valor x e pode medir para cada escolha de x o valor de y. Uma corrida da experiˆencia gerou o conjunto de dados (xi, yi)i=1...N. No que segue teremos informa¸c˜ao que os valores de yi s˜ao corrompidos por ru´ıdo gaussiano e independente com m´edia nula e variˆancia σ^2.

  • H´a motivos te´oricos para achar que o modelo M 1 : y = f 1 (x; θ) ´e adequado. Encontre uma express˜ao que permita econtrar θM L o valor de θ de m´axima verossimilhan¸ca.
  • Encontre uma express˜ao para a incerteza da estimativa de θ. Justifique a escolha dessa estimativa.

Valores: 1., 1.

Exerc´ıcio 3. Considere a seguinte informa¸c˜ao I= “Uma moeda ´e jogada para cima, bate no teto, no ventilador do teto, e cai no ch˜ao plano”. H´a v´arios motivos para atribuir p = 1/2 `a probabilidade que caia a cara para cima, isto ´e p = P (s = 1|I) = 1/2 e q = P (s = − 1 |I) = 1/ 2

. Poderiamos considerar outra experiˆencia I′^ onde p, q tem outro valores (entre zero e um). Consideremos as jogadas independentes, para duas jogadas i e j quaisquer P (si|sj I′) = P (si|I′).

Chame m o n´umero de caras para cima, quando a moeda ´e jogada n vezes. A frequˆencia de caras ´e definida por f = m/n

  • (A) Mostre que a distribui¸c˜ao de m, ´e a distribui¸c˜ao binomial:

(1) P (m|N = nI′) =

n! m!(n − m)!

pmqn−m

  • (B) Calcule < m > , < m^2 >. [Dica: Use a expans˜ao binomial de (i) (p + q)n, (ii) p (^) ∂p∂ pm^ = mpm^ e (iii) a normaliza¸c˜ao p + q = 1; resposta: < m >= np , < m^2 >= n^2 p^2 + np(1 − p)]
  • (C) Refa¸ca a dedu¸c˜ao da desigualdade de Chebyshev para distribui¸c˜oes de vari´aveis que tomam valores discretos e mostre que para  fixo, a probabilidade que a frequˆencia f se afaste do valor esperado < f >= p por mais que , cai com 1/n.
  • (D) Discuta e pense: Ent˜ao de que forma a frequˆencia est´a ligada a probabilidade? A frequˆencia converge, quando n cresce, para a probabilidade p. Toda convergˆencia precisa ser definida em termos de uma distˆancia, que vai para zero quando se toma algum limite. E fundamental entender que a distˆ´ ancia aqui n˜ao ´e , mas ´e a probabilidade que f se afaste de p por mais de . Assim, a frequˆencia f converge em probabilidadea probabilidade p.

A conclus˜ao do exerc´ıcio acima ´e fundamental. Como poderiamos definir probabilidades em termos de frequˆencia, se para mostrar que a frequˆencia est´a associada a probabilidade usamos o conceito de convergˆencia em probabilidade? Discuta se ´e errado ou n˜ao definir um conceito usando esse conceito na defini¸c˜ao. Mas o exerc´ıcio acima mostra porque pode parecer sedutor usar a frequˆencia em lugar da pro- babilidade. Se tivermos informa¸c˜ao I′^ sobre uma experiˆencia e dados sobre uma sequˆencia de experimentos nas condi¸c˜oes I′^ podemos atribuir valora probabilidade de forma mais segura. A frequˆencia ´e informa¸c˜ao que pode ser usado para atribuir um n´umero `a probabilidade, mas n˜ao ´e o ´unico tipo de informa¸c˜ao para fazer isso. Valores: 2.

Exerc´ıcio 4. An´alise combinatorial. Considere um conjunto de s´ımbolos A = (a 1 , a 2 , ....an). Pode considerar A como um alfabeto ou uma lista de todas as palavras poss´ıveis ou um dicion´ario sem as defini¸c˜oes. Uma mensagem de tamanho r ´e composta por uma lista de r s´ımbolos. No caso em que as palavras possam ser usadas com reposi¸c˜ao o fato de uma palavra ter sido ou n˜ao usada n˜ao altera a possibilidade de uso futuro. Uma lista ordenada ´e uma mensagem em que a ordem das palavras importa. Uma lista desordenada ´e uma em que s´o o n´umero de vezes em que cada palavra aparece importa.

  • Mostre que o n´umero de mensagens ordenadas com reposi¸c˜ao de tamanho r ´e nr.
  • Com r ≤ n, mostre que o n´umero de mensagens ordenadas sem reposi¸c˜ao ´e (^) (nn−!r)!.
  • Com r ≤ n, mostre que o n´umero de mensagens desordenadas de tamanho r sem re- posi¸c˜ao ´e (^) r!(nn−!r)!.

O caso de mensagens desordenadas com tamanho r e com reposi¸c˜ao ´e mais dif´ıcil. Cada s´ımbolo ai aparece um n´umero de vezes ri. Por motivos que ficar˜ao mais claros ao estudar sistemas f´ısicos, chamamos ri o n´umero de ocupa¸c˜ao do estado i. Os valores de ri s˜ao inteiros entre 0 e r e satisfazem

i=1,n ri^ =^ r. Por ser uma mensagem desordenada pode ser representada por um diagrama como no exemplo abaixo ∗ ∗ | ∗ ∗ ∗ || ∗ ∗∗

que representa a mensagem feita de um dicion´ario de n = 4 s´ımbolos, onde a 1 aparece duas vezes, a 2 trˆes vezes, a 3 nenhuma e a 4 trˆes vezes, ou seja r 1 = 2, r 2 = 3, r 3 = 0, r 4 = 3. O problema foi reduzido a um problema com dois s´ımbolos b 1 = ∗ e b 2 = |, onde b 1 aparece r vezes e b 2 aparece n − 1 vezes, ou seja um total de r + n − 1 s´ımbolos e portanto o n´umero total de mensagens desordenado sem reposi¸c˜ao ´e dado por ( rr!(+nn−−1)!1)!. Voce pode mandar a mensagem ou

simplesmente o conjunto de n´umeros de ocupa¸c˜ao. Como exemplo considere o problema que

  • (B2) A 23 = ”2 ou 3 apoiam A” que s˜ao respectivamente pB (t + 1) = f (pB (t) e pA(t +1) = f (pA(t)) (note que por simetria s˜ao a mesma fun¸c˜ao com argumentos diferentes.) Fa¸ca o gr´afico de pA(t + 1) = f (pA(t)) contra pA(t). Inclua no gr´afico a identidade (diagonal). O cruzamento de f (pA(t)) com a diagonal indica pA(t + 1) = pA(t), chamado de ponto fixo.
  • (C1) Identifique os pontos fixos p∗ A e p∗ B.
  • (C2) Discuta a estabilidade dos pontos fixos. Isto ´e, se ao perturbar um pouco o ponto fixo: pA(t) = p∗ A + ∆pt este se afasta, no instante t + 1 movendo-se na dire¸c˜ao de outro ponto fixo (inst´avel) ou se aproxima (est´avel) do ponto fixo. (Mais interessante ainda) Existem pessoas que ao interagir com o grupo decidem ser do contra, isto ´e adotam no pr´oximo instante a posi¸c˜ao miniorit´aria. Suponha que a probabilidade de algu´em ser do contra seja c. e ´e independente de qualquer outra coisa. Ent˜ao com a nota¸c˜ao anterior, e usando as regras da soma e do produto mostre que
  • (D1) pA(t + 1) = (1 − c)f (pA(t)) + cf (pB (t))
  • (D2) Mostre que para c > 1 /6 o valor pA = .5 ´e o ´unico ponto fixo est´avel. Portanto podemos esperar um resultado da elei¸c˜ao em que a sociedade est´a dividida em fra¸c˜oes aproximadamente iguais.

Valores: 4.