Desvio padrão
Estatística |
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Em probabilidade, o desvio padrão ou desvio padrão populacional (comumente representado pela letra grega ) é uma medida de dispersão em torno da média populacional de uma variável aleatória. O termo possui também uma acepção específica no campo da estatística, na qual também é chamado de desvio padrão amostral (comumente representado pela letra latina ) e indica uma medida de dispersão dos dados em torno de média amostral. Um baixo desvio padrão indica que os pontos dos dados tendem a estar próximos da média ou do valor esperado.[1] Um alto desvio padrão indica que os pontos dos dados estão espalhados por uma ampla gama de valores. O desvio padrão populacional ou amostral é a raiz quadrada da variância populacional ou amostral correspondente, de modo a ser uma medida de dispersão que seja um número não negativo e que use a mesma unidade de medida dos dados fornecidos.[2][3][4]
Tanto em probabilidade quanto em estatística, o desvio padrão é usado para expressar outros conceitos matemáticos importantes como o coeficiente de correlação, o coeficiente de variação ou a alocação ótima de Neyman, dentre outros. Há também outras medidas de desvio como o desvio médio absoluto, que fornecem propriedades matemáticas diferentes a partir do desvio padrão.[5] O desvio padrão é mais simples, porém mais robusto que o desvio médio absoluto na prática.[6][7] Além de expressar a variabilidade da população, o desvio padrão comumente é usado para medir a confiança em cálculos estatísticos e geralmente permite sintetizar os resultados de uma experiência repetida várias vezes.[8] Por exemplo, a margem de erro de um conjunto de dados é determinada pelo cálculo do desvio padrão da média ou do desvio padrão populacional inverso da raiz quadrada do tamanho da amostra, se a mesma pesquisa for repetida várias vezes.[9]
Esta derivação do desvio padrão geralmente é chamada de erro padrão da estimativa ou erro padrão da média (em referência à média). O erro padrão da média é calculado a partir do desvio padrão das médias, as quais poderiam ser computadas a partir de uma população se um número infinito de amostras e uma média para cada amostra fossem considerados. A margem de erro de uma pesquisa é calculada a partir do erro padrão da média (produto do desvio padrão populacional e do inverso da raiz quadrada do tamanho da amostra), e cerca do dobro do erro padrão da média é a metade da largura de 95% do intervalo de confiança para a média (populacional).[10]
O desvio padrão é calculado em todas as áreas que usam probabilidade e estatística, em particular biologia, finanças, física e pesquisas em geral. Em ciência, os pesquisadores comumente reportam o desvio padrão dos dados experimentais. Em geral, apenas os efeitos mais de dois desvios padrões distantes do esperado são considerados estatisticamente significativos – por meio de erro aleatório normal ou variação nas medições podem-se distinguir os efeitos prováveis dos efeitos genuínos.[11] Quando apenas uma amostra dos dados da população está disponível, o termo desvio padrão amostral pode referir-se tanto à quantidade mencionada acima quanto a uma quantidade modificada que seja uma estimativa não enviesada do desvio padrão populacional. Quando o desvio padrão populacional não é conhecido, o seu valor é aproximado por meio do desvio padrão amostral.[10]
História
[editar | editar código-fonte]O desvio padrão é uma grandeza que remete ao século XIX, no contexto do desenvolvimento da estatística no Reino Unido. Enquanto o conceito de medida de dispersão foi criado por Abraham de Moivre e usado em seu livro The Doctrine of Chances em 1718,[12] o termo desvio padrão foi pontualmente usado pela primeira vez por Karl Pearson em 1894,[13][14] em substituição a termos anteriores como erro médio, utilizado por Carl Friedrich Gauss.[15] O símbolo também foi utilizado pela primeira vez por Karl Pearson para representar o desvio padrão.[14]
Em 1908, William Gosset (mais conhecido sob o pseudônimo Student) definiu o desvio padrão empírico de uma amostra e mostrou que a distinção entre o desvio padrão amostral e o desvio padrão populacional é importante.[14] Somente em 1918, Ronald Aylmer Fisher definiu a noção da variância no texto The Correlation between Relatives on the Supposition of Mendelian Inheritance.[16]
Em probabilidade
[editar | editar código-fonte]Definição
[editar | editar código-fonte]Seja uma variável aleatória com média e valor esperado . Então, o desvio padrão de pela definição é a raiz quadrada da variância de ou a raiz quadrada do valor médio de [17]
A fórmula foi derivada a partir das propriedades da esperança.[17]
Desvio padrão de uma variável aleatória discreta
[editar | editar código-fonte]Quando é uma variável aleatória de um conjunto de dados finito , com cada valor tendo a mesma probabilidade , o desvio padrão é:
,
em que é a esperança da variável , sendo .[17]
Se os valores tiverem probabilidades diferentes em vez de probabilidade iguais (se tiver probabilidade , se tiver probabilidade , ... , se tiver probabilidade ), o desvio padrão é:
,
em que .[17]
Desvio padrão de uma variável aleatória contínua
[editar | editar código-fonte]O desvio padrão de uma variável aleatória contínua com função densidade é:
,
em que .[18]
No caso de uma família paramétrica de uma distribuição, o desvio padrão pode ser expresso em termos de parâmetros. Por exemplo, no caso da distribuição log–normal com parâmetros e , com com distribuição normal com parâmetros e , o desvio padrão é .[19]
Desvio padrão de distribuições de probabilidade conhecidas
[editar | editar código-fonte]Distribuição | Parâmetros | Descrição | Desvio padrão |
---|---|---|---|
Distribuição de Bernoulli[20] | Distribuição discreta de valor 0 com probabilidade e 1 com probabilidade . | ||
Distribuição binomial[21] | e | Distribuição da soma de variáveis independentes de acordo com a distribuição de Bernoulli de parâmetro . | |
Distribuição geométrica[22] | Distribuição discreta em , tal que a probabilidade de se obter o número inteiro é . | ||
Distribuição uniforme[23] | Distribuição uniforme contínua em , cuja densidade é um múltiplo da função indicadora de . | ||
Distribuição exponencial[23] | Distribuição uniforme contínua com suporte , cuja densidade é a função. | ||
Distribuição de Poisson[24] | Distribuição em , cuja densidade é a função , em que . | ||
Distribuição qui-quadrado[25] | Distribuição em , cuja densidade é a função para todo positivo, em que é a função gama. | ||
Distribuição gama[25] | , e | Distribuição de probabilidade contínua, cuja densidade é a função para todo positivo, em que é a função gama. |
O desvio padrão de uma distribuição de probabilidade univariada é igual ao desvio padrão de uma variável aleatória com a mesma distribuição. Nem todas as variáveis aleatórias possuem desvio padrão, uma vez que os valores esperados podem não existir. Por exemplo, o desvio padrão de uma variável que segue uma distribuição de Cauchy é indefinido porque seu valor esperado é indefinido.[26]
Propriedades
[editar | editar código-fonte]- O desvio padrão é sempre positivo ou nulo.[27] O desvio padrão de uma constante é nulo.[28]
- O desvio padrão de uma variável aleatória à qual foi adicionada uma constante é igual ao desvio padrão da variável aleatória , uma propriedade chamada invariante por translação.[28]
- O desvio padrão de uma variável multiplicada por uma constante positiva é igual à constante multiplicada pelo desvio padrão da variável, uma propriedade chamada invariante por dilatação, que pode ser resumida como . Propriedades como invariante de dilatação são consequências diretas do teorema de Huygens e das propriedades de valor esperado.[29]
- O desvio padrão da soma algébrica de duas variáveis é igual a , em que é o coeficiente de correlação entre as duas variáveis e .[30]
- O desvio padrão segue a desigualdade triangular . Existe igualdade se e somente se existe uma relação linear quase certa entre as duas variáveis . A desigualdade decorre da desigualdade anterior e da desigualdade .[31]
- A função admite o ponto mínimo . Portanto, assumindo–se no ponto o valor do desvio padrão da variável aleatória .[32]
Usos
[editar | editar código-fonte]Em probabilidade, o desvio padrão compara as variáveis ou as suas distribuições.[17]
Variável aleatória centrada reduzida
[editar | editar código-fonte]Se é uma variável aleatória com desvio padrão não nulo, é possível fazê–la corresponder à variável aleatória centrada reduzida. Duas variáveis aleatórias centradas e reduzidas e são fáceis de comparar, uma vez que e .[33]
O teorema central do limite é o limite de uma sequência de variáveis aleatórias centradas reduzidas,[34] os coeficientes de assimetria e a curtose de uma densidade de probabilidade e são usados para comparar diferentes distribuições.[35]
Coeficiente de correlação
[editar | editar código-fonte]O coeficiente de correlação é outra aplicação do desvio padrão em probabilidade. Se e são duas variáveis aleatórias, o coeficiente de correlação , em que , é a covariância das variáveis aleatórias e . De acordo com a desigualdade de Cauchy–Schwarz , é possível afirmar que assume valores no intervalo .[36] Se , as duas variáveis aleatórias não são correlacionadas. Se , as duas variáveis aleatórias são linearmente dependentes.[37]
Desigualdade de Bienaymé–Chebyschev
[editar | editar código-fonte]É por meio da desigualdade de Bienaymé–Chebyschev que o desvio padrão aparece como uma medida de dispersão em torno da média. A desigualdade de Bienaymé–Chebyschev afirma que e mostra que a probabilidade de desviar–se de ao longo de desvios padrões é menor ou igual a .[38]
A desigualdade de Chebyschev afirma que, para todas as distribuições para as quais o desvio padrão é definido, o volume de dados dentro de uma quantidade de desvios padrões da média são pelo menos os mesmos que os da tabela a seguir.[39]
Distância da média | População mínima |
---|---|
50% | |
75% | |
89% | |
94% | |
96% | |
97% | |
[40] |
Em estatística
[editar | editar código-fonte]Para uma população finita e relativamente pequena, o cálculo do desvio padrão é puramente algébrico sem referência à probabilidade. A estatística utiliza o desvio padrão empírico definido por .[41]
Em estatística, a população é geralmente muito importante em número (não é possível conhecer todos os valores da população). Entre os recursos utilizados em amostragem e estimativa para avaliar os valores está o desvio padrão.[42]
Interpretação
[editar | editar código-fonte]Um grande desvio padrão indica que os pontos dos dados estão espalhados longe da média e um pequeno desvio padrão indica que os pontos dos dados estão agrupados perto da média. Por exemplo, cada uma das três populações {0, 0, 14, 14}, {0, 6, 8, 14} e {6, 6, 8, 8} possui média 7. Os desvios padrões são 7, 5 e 1, respectivamente. A terceira população tem um desvio padrão menor porque seus valores são próximos de 7.[43]
O desvio padrão tem a mesma unidade dos dados. Um exemplo, o conjunto de dados {0, 6, 8, 14} representa as idades de uma população de quatro irmãos em anos. A média é de 7 anos e o desvio padrão é de 5 anos. Outro exemplo, o conjunto de dados {1000, 1006, 1008, 1014} representa as distâncias percorridas por quatro atletas em metros. A média é de 1007 metros e o desvio padrão é de 5 metros.[44]
O desvio padrão pode servir como medida de incerteza. Em ciências, a precisão de medições repetidas é dada pelo desvio padrão. O desvio padrão é crucial para analisar se as medições batem com a previsão teórica. Se a média das medições estiver muito longe da previsão teórica (distância medida pelo desvio padrão), então a teoria testada provavelmente precisa ser revisada.[45]
Enquanto o desvio padrão mede a distância dos valores típicos da média, outras medidas estão disponíveis.[17] É o exemplo do desvio médio absoluto, que pode ser considerado uma medida mais direta da distância da média em comparação à distância da raiz quadrada média inerente ao desvio padrão.[46]
Interpretação geométrica
[editar | editar código-fonte]Seja uma população com três valores, . Seja um ponto em . Consideramos a linha que é a diagonal principal, partindo da origem. Se os três valores fossem iguais, então o desvio padrão seria 0 e o ponto estaria em . Então, pode–se assumir que o desvio padrão está relacionado à distância entre e . Para mover–se ortogonalmente de para , é preciso partir do ponto , cujas coordenadas são as médias dos valores mencionados acima.[47]
Derivação de
|
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está em. Portanto com A linha deve ser ortogonal ao vetor de para . Portanto:
|
A distância entre e (igual à distância entre e ) é igual ao desvio padrão do vetor multiplicado pela raiz quadrada do número de dimensões do vetor (3 dimensões, no caso).[47]
Regras para dados distribuídos normalmente
[editar | editar código-fonte]De acordo com o teorema central do limite, a distribuição da média de muitas variáveis aleatórias distribuídas independentemente e identicamente tende à distribuição normal
com função densidade , em que é o valor esperado das variáveis aleatórias, é igual aos desvios padrões das distribuições dividido por e é o número de variáveis aleatórias. Portanto, o desvio padrão é simplesmente uma variável escalonada que ajusta a amplitude da curva, embora ele apareça também na constante de normalização. Se a distribuição dos dados é aproximadamente normal, então a proporção dos valores dos dados dentro do desvio padrão da média é definida pela função erro . Uma proporção que seja menor ou igual a um número é dada pela função cumulativa
.[48]
Se a distribuição dos dados é aproximadamente normal, então cerca de 68% dos valores dos dados estão dentro de um desvio padrão da média (, em que é a média aritmética), cerca de 95% estão dentro de dois desvios padrões () e cerca de 99,7% estão dentro de três desvios padrões (). Isto é conhecido como a regra empírica 68–95–99,7.[49]
Para vários valores de , as porcentagens dos valores esperados dentro ou fora do intervalo simétrico são:
Intervalo de confiança | Proporção dentro | Proporção fora | |
---|---|---|---|
Porcentagem | Porcentagem | Fração | |
% 50 | % 50 | ||
68% | 32% | ||
68,2689492% | 31,7310508% | ||
80% | 20% | ||
90% | 10% | ||
95% | 5% | ||
95,4499736% | 4,5500264% | ||
99% | 1% | ||
99,7300204% | 0,2699796% | ||
99,9% | 0,1% | ||
99,99% | 0,01% | ||
99,993666% | 0,006334% | ||
99,999% | 0,001% | ||
99,9993204653751% | 0,0006795346249% | ||
% 99.9999 | 0,0001% | ||
99,9999426697% | 0,0000573303% | ||
99,99999% | 0,00001% | ||
99,999999% | 0,000001% | ||
99,9999998027% | 0,0000001973% | ||
99,9999999% | 0,0000001% | ||
99,99999999% | 0,00000001% | ||
99,999999999% | 0,000000001% | ||
99,9999999997440% | 0,000000000256% |
Em resumo, de acordo com a regra 68–95–99,7, para uma distribuição normal unimodal, gaussiana, simétrica, de afunilamento médio (mesocúrtica):[49]
- 68% dos valores encontram–se a uma distância da média inferior a um desvio padrão;[50]
- 95% dos valores encontram–se a uma distância da média inferior a duas vezes o desvio padrão;[50]
- 99,7% dos valores encontram–se a uma distância da média inferior a três vezes o desvio padrão.[50]
Exemplos
[editar | editar código-fonte]Desvio padrão populacional
[editar | editar código-fonte]Para um conjunto de dados finito, o desvio padrão é calculado a partir da raiz quadrada da média dos desvios entre os valores e a média dos valores dos dados elevado ao quadrado.[51]
Sejam as notas de 8 estudantes () 2, 4, 4, 4, 5, 5, 7, 9. A média das notas dos 8 estudantes é: .
Os desvios entre as notas e a média das notas elevados ao quadrado são:
A variância ou a média de todos os valores é: . O desvio padrão ou a raiz quadrada da variância é . Isto é, o desvio padrão é igual a 2.[51]
Desvio padrão amostral
[editar | editar código-fonte]O cálculo da raiz quadrada da média dos desvios entre os valores e a média dos valores dos dados elevados ao quadrado é válido apenas se os valores formarem a população total. Se os valores forem parte de uma amostra aleatória extraída de uma população maior (por exemplo, 8 notas extraídas de uma sala de aula de 2 milhões de estudantes), então o denominador da fórmula da variância seria (7) em vez de (8) e o resultado seria chamado desvio padrão amostral.[52]
A divisão da soma dos desvios entre as notas e a média das notas por em vez de fornece uma estimativa não enviesada do desvio padrão populacional maior, o que é conhecido como correção de Bessel.[53]
Seja a altura média de um homem adulto nos Estados Unidos 1,78 metro ou 178 centímetros, com desvio padrão de 7 centímetros. Então, a maioria dos homens adultos dos Estados Unidos (cerca de 68%) tem entre 7 centímetros acima e 7 centímetros abaixo de 178 centímetros (entre 171 centímetros e 185 centímetros, correspondente a um desvio padrão) e praticamente todos os homens adultos dos Estados Unidos (cerca de 95%) tem entre 14 centímetros acima e 14 centímetros abaixo de 178 centímetros (entre 164 centímetros e 192 centímetros, correspondente a dois desvios padrões). Se o desvio padrão fosse 0 centímetro, então todos os homens adultos dos Estados Unidos teriam 178 centímetros. Se o desvio padrão fosse 50 centímetros, então os homens adultos dos Estados Unidos teriam uma variação muito maior de altura (entre 121 centímetros e 221 centímetros). Três desvios padrões representam 99,7% da amostra da população estudada, assumindo que é uma distribuição normal (em forma de sino).[52][53]
Estimadores
[editar | editar código-fonte]Um estimador é uma função que aproxima–se de um parâmetro de uma população por meio de uma amostra aleatória.[54] Dois estimadores do desvio padrão são geralmente utilizados. Os estimadores ou e ou são expressos em função dos valores da amostra por
e .
é o estimador não enviesado.[55][56]
Na verdade, uma boa estimativa do desvio padrão real seria , em que é a média da distribuição de . Muitas vezes a média não é conhecida e precisa ser calculada a partir da amostra pela fórmula . Então, a estimativa do desvio padrão é calculado pela fórmula
.[57]
O denominador é em vez de (correção de Bessel) porque o cálculo da média de a partir da amostra perdeu um grau de liberdade, uma vez que a fórmula liga aos valores . Portanto, há apenas valores independentes após o cálculo de .[57]
Propriedades dos estimadores
[editar | editar código-fonte]Duas propriedades importantes dos estimadores são a convergência e a falta de viés.[56] Se é um estimador do parâmetro , o viés será a quantidade . Se o valor for diferente de zero, significa que está posicionado em torno de em vez de . O estimador é contaminado pelo erro. Um bom estimador não tem viés.[58] O estimador do desvio padrão é enviesado, mas o viés é aceitável.[59][60]
Se , então converge (em distribuição, em média, em probabilidade, quase certamente) para à medida que aproxima-se do infinito. Entretanto, se e são estimadores convergentes de , reflete–se a aproximação de para as duas séries quando torna–se cada vez maior.[58] Com o teorema da continuidade afirmando que se é contínua (limite em probabilidade), a função raiz quadrada é contínua, os estimadores e são convergentes também. O teorema da continuidade afirma que se é uma função contínua, então , em que denota convergência em probabilidade. Como a função raiz quadrada é uma função contínua, e são estimadores convergentes do desvio padrão. Isto é, e .[61]
Desvio padrão da média
[editar | editar código-fonte]A média e o desvio padrão de um conjunto de dados são estatísticas descritivas geralmente reportadas em conjunto. De uma certa maneira, o desvio padrão é uma medida natural de dispersão estatística se o centro dos dados for medido em relação à média. Isto porque o desvio padrão a partir da média é menor que o desvio padrão a partir de qualquer outro ponto. Sendo números reais, define–se a função Usando cálculo ou completamento de quadrado, é possível mostrar que tem um mínimo único na média [62]
A variabilidade também pode ser medida pelo coeficiente de variação, que é a razão entre o desvio padrão e a média. É um número adimensional.[63]
Geralmente quer-se mais informações sobre a precisão da média obtida. Podemos obtê-la determinando o desvio padrão da média amostral. Assumindo a independência estatística dos valores na amostra, o desvio padrão da média está relacionado ao desvio padrão da distribuição por , em que é o número de observações na amostra usado para estimar a média.[64]
Isto pode ser provado com Isto resulta em [65]
É importante ressaltar que para estimar o desvio padrão da média é necessário saber o desvio padrão de toda a população de antemão. Entretanto, este parâmetro é desconhecido na maioria das aplicações. Por exemplo, se uma série de 10 medições de uma quantidade previamente desconhecida é realizada em um laboratório, é possível calcular a média da amostra resultante e o desvio padrão amostral, mas é impossível calcular o desvio padrão da média.[66]
Para estimar a exatidão da estimativa da média de uma variável, o método do cálculo do desvio padrão da distribuição da amostragem das médias é utilizado. Também chamado erro padrão da média e denotado como , é o desvio padrão das médias das amostras de tamanho idêntico de uma população. Se é o tamanho das amostras tomadas a partir do desvio padrão de uma população e se é o tamanho da população, então .[67]
Quando o desvio padrão da população é desconhecido, ele pode ser substituído pelo estimador .[67] Quando é suficientemente grande (), a distribuição da amostra provavelmente segue a lei de Laplace–Gauss, que permite deduzir um intervalo de confiança em função de para localizar a média da população a partir da média da amostra.[68][69]
Há casos em que é possível encontrar o desvio padrão de uma população inteira com o Teste Z, em que cada membro da população é amostrado. Em casos em que não é possível encontrar o desvio padrão , ele é estimado analisando uma amostra padrão extraída da população e calculando uma estatística da amostra, que é usada como uma estimativa do desvio padrão populacional.
Entretanto, ao contrário da estimativa da média da população, para a qual a média amostral é um estimador simples com muitas propriedades desejáveis (não enviesado, eficiente, máxima verossimilhança), não há um único estimador para o desvio padrão com todas estas propriedades, além de que um estimador não enviesado do desvio padrão é um problema técnico. Frequentemente o desvio padrão é estimado usando o desvio padrão corrigido da amostra e geralmente é referido como o desvio padrão amostral, sem qualificadores. Porém, outros estimadores são melhores em outros aspectos − o estimador com a correção () produz um erro quadrático médio mais baixo, enquanto o uso de correção para distribuição normal elimina quase completamente o viés.[70]
Desvio padrão não corrigido da amostra
[editar | editar código-fonte]Primeiramente, a fórmula para o desvio padrão populacional de uma população finita pode ser aplicada à amostra usando o tamanho da amostra como o tamanho da população (embora o tamanho verdadeiro da população da qual a amostra é extraída possa ser muito maior). O estimador denotado como é conhecido como desvio padrão não corrigido da amostra ou às vezes como desvio padrão amostral (considerado com a população inteira) e é definido como em que são os valores observados dos itens da amostra, é o valor da amostra das observações, é o tamanho da amostra (raiz quadrada da variância da amostra, que é a média dos desvios quadráticos da média da amostra).[71]
é um estimador consistente (converge em probabilidade para os valores da população à medida que o número de amostras tende ao infinito) e é a estimativa por máxima verossimilhança quando a população é normalmente distribuída. Entretanto, é um estimador enviesado na medida em que as estimativas são geradas muito lentamente. O viés diminui conforme o tamanho da amostra aumenta, caindo para e, portanto, é mais significativo para tamanhos pequenos ou moderados de amostras. Para , o viés é menor que 1%. Então, para tamanhos muito grandes de amostras, o desvio padrão não corrigido da amostra é geralmente aceitável. O estimador também tem erro quadrático médio uniformemente menor que o desvio padrão corrigido da amostra.[71]
Desvio padrão corrigido da amostra
[editar | editar código-fonte]Se a variância enviesada da amostra (o segundo momento central da amostra, que é uma estimativa tendenciosa da variância populacional) é usada para calcular uma estimativa do desvio padrão populacional, retirando a raiz quadrada, introduzem-se mais vieses tendenciosos pela desigualdade de Jensen devido à raiz quadrada ser uma função côncava. O viés na variância é facilmente corrigido, mas o viés da raiz quadrada é mais difícil de ser corrigido e depende da distribuição em questão.
Um estimador não enviesado da variância é dado pela aplicação da correção de Bessel, usando em vez de para gerar a estimativa da variância não enviesada da amostra denotada como [72] Retirando a raiz quadrada, reintroduz-se o viés porque a raiz quadrada é uma função não linear, que não é comutativa com a expectativa. Isto gera o desvio padrão corrigido da amostra denotado como [72]
Enquanto é uma estimativa não enviesada da variância populacional, é uma estimativa enviesada do desvio padrão populacional. Embora notadamente menos enviesado que o desvio padrão não corrigido da amostra. O viés continua sendo significativo para pequenas amostras () e também cai para à medida que o tamanho da amostra aumenta. Este estimador é comumente usado e geralmente conhecido simplesmente como desvio padrão amostral.[72]
Desvio padrão não enviesado da amostra
[editar | editar código-fonte]Para estimativas não enviesadas do desvio padrão, não há fórmula que aplique-se a todas as distribuições, ao contrário da média e da variância. é usado como uma base e é escalado por um fator de correção para produzir uma estimativa não enviesada. Para a distribuição normal, um estimador não enviesado é dado por , em que o fator de correção que depende de é dado em termos da função gama:
Isto ocorre porque a distribuição amostral do desvio padrão amostral segue uma distribuição qui e o fator de correção é a média da distribuição qui. Uma aproximação pode ser dada pela substituição de por , tal que [70]
O erro na aproximação cai quadraticamente para , e é adequado para todas as amostras, com exceção daquelas menores ou de menor precisão. Para , o viés é igual a 1,3% e para o viés é menor que 0,1%. Para outras distribuições, a fórmula correta depende da distribuição, mas uma regra de ouro é usar o refinamento da aproximação:
em que denota o excesso de curtose da população, que pode ser tanto conhecido antecipadamente para certas distribuições quanto estimado a partir dos dados.[70]
Intervalo de confiança para o desvio padrão amostral
[editar | editar código-fonte]O desvio padrão obtido a partir da distribuição amostral não é absolutamente preciso, tanto por razões matemáticas (aqui explicadas pelo intervalo de confiança) quanto por razões práticas de medição (erro de medição). O efeito matemático pode ser descrito pelo intervalo de confiança.[73] Para mostrar como uma amostra maior tornará o intervalo de confiança menor, consideram-se os seguintes exemplos.
Uma pequena população de tamanho = 3 tem apenas um grau de liberdade para estimar o desvio padrão. O resultado é que um intervalo de confiança de 95% tem desvio padrão entre 0,45 e 31,90. Os fatores são em que é o −ésimo quantil da distribuição qui−quadrado com graus de liberdade e é o nível de confiança. Isto é equivalente a [74]
Com , e . As recíprocas da raiz quadrada destes dois números fornecem os fatores 0,45 e 31,90 mencionados acima.
Uma população maior de tamanho tem 9 graus de liberdade para estimar o desvio padrão. Os mesmos cálculos acima fornecem um intervalo de confiança de 95% com desvio padrão entre 0,88 e 1,16. Para ter mais certeza de que o desvio padrão amostral será próximo do desvio padrão real, é preciso amostrar um grande número de pontos. As mesmas fórmulas podem ser usadas para obter os intervalos de confiança da variância de resíduos a partir do método dos mínimos quadrados, que se encaixa na teoria normal padrão, em que é o número de graus de liberdade do erro.[74]
Desvio padrão de desvio padrão empírico
[editar | editar código-fonte]Em geral, é muito difícil calcular a distribuição de probabilidade de desvio padrão empírico. Porém se é uma sequência de variáveis aleatórias distribuídas de acordo com a distribuição normal , então segue uma distribuição de a graus de liberdade.[75] Esta lei é o desvio padrão . Portanto, o desvio padrão da distribuição das variações das variáveis normais é expresso por .[75]
Interpretação de um desvio padrão elevado
[editar | editar código-fonte]O conceito de desvio padrão elevado não tem sentido isoladamente. Ele não indica uma dispersão forte que se torna o valor adimensional quando dividido pela média.[4] Um desvio padrão elevado possivelmente pode indicar a existência de um outlier. Um critério consiste em rejeitar os valores que diferem da média em mais de três vezes o desvio padrão, o qual está sob a distribuição normal de uma probabilidade de exceder de .[76]
Pesquisas de opinião
[editar | editar código-fonte]Em pesquisas de opinião, o desvio padrão avalia a incerteza das variações acidentais de inerentes à pesquisa, chamada de margem de erro devido às variações acidentais.[77]
Com o método da amostragem representativa, quando os diferentes estratos têm desvios padrões muito diferentes, o desvio padrão é utilizado para calcular a repartição ótima de Neyman, que permite medir a população nos diferentes estratos em função do desvio padrão. Em outros termos, é o tamanho da amostragem do estrato, é o tamanho total do estrato, é o tamanho do estrato e é o desvio padrão do estrato .[77]
Em algoritmo
[editar | editar código-fonte]O cálculo do desvio padrão para um programa de computador pode resultar em dados inconsistentes quando não se utiliza um algoritmo adequado, como quando se utiliza o algoritmo que opera diretamente a fórmula de grandes amostras de valores entre 0 e 1.[78][79]
Um dos melhores algoritmos é chamado B.P. Welford, descrito por Donald Knuth em seu livro The Art of Computer Programming Vol. 2.[80][81] Uma aproximação do desvio padrão da direção do vento é dada pelo algoritmo de Yamartino, que é usado em anemômetros modernos.[82][83]
Métodos de cálculos rápidos
[editar | editar código-fonte]As duas fórmulas seguintes podem representar um desvio padrão repetidamente atualizado. Um conjunto de duas somas de potências e são calculadas sobre um conjunto de valores de denotados como , Dados os resultados das duas somas, os valores , e podem ser usados a qualquer hora para calcular o valor atual do desvio padrão , em que é o tamanho do conjunto de valores (também pode ser denotado como ), como mencionado acima. Similarmente para o desvio padrão
Em uma implementação de computador, à medida que as três somas aumentam, é preciso considerar o erro de arredondamento, o overflow aritmético e o underflow aritmético. O método abaixo calcula o método das somas correntes com erros de arredondamento reduzidos. Isto é um algoritmo para calcular a variância de amostras sem a necessidade de armazenar dados anteriores durante o cálculo.[80] Aplicando este método a uma série de tempo, resultará em valores sucessivos de desvio padrão correspondente a pontos dados à medida que aumenta com cada nova amostra.
Para
, em que é o valor médio.
, em que desde que ou .
A variância da amostra é . A variância da população é .
Cálculo ponderado
[editar | editar código-fonte]Quando os valores são ponderados com pesos desiguais , as somas de potências , e são calculadas como As equações de desvio padrão continuam inalteradas, com a diferença de que passa a ser a soma dos pesos em vez do número de observações . O método incremental com erros de arredondamento reduzidos também pode ser aplicado, com alguma complexidade adicional. Uma soma de pesos deve ser computada para cada , de 1 até .
Os locais em que é usado devem ser substituídos por .
.
Na divisão final, e ou em que é o número total de elementos e é o número de elementos com pesos diferente de 0. As fórmulas mencionadas acima tornam-se iguais às fórmulas mais simples também mencionadas acima se os pesos forem tomados como iguais a 1.
Aplicações
[editar | editar código-fonte]O desvio padrão é usado como medida de dispersão de um conjunto de dados. Quanto menor o desvio padrão, mais os valores são agrupados em torno da média.[43] Seja a distribuição de notas entre os estudantes de uma sala de aula. Quanto menor o desvio padrão, mais homogêneas serão as notas. Quanto maior o desvio padrão, menos homogêneas serão as notas. Se as notas forem classificadas de 0 a 20, o desvio padrão mínimo será 0 (se todas as notas forem idênticas) e o desvio padrão máximo será 5 (se metade da classe tirar 0 e metade da classe tirar 20). Se estudantes tirarem 0 e estudantes tirarem 10, de modo que a amostra contenha vezes a nota 0 e vezes a nota 10, então a média será ou e . Os valores quadrados são e . A média de é . Portanto, a variância é 100 e o desvio padrão é 10.[43]
Testes experimentais, industriais e de hipóteses
[editar | editar código-fonte]Na indústria, o desvio padrão é usado para calcular o índice de fidelidade de um aparelho de medida ou o índice de qualidade de um produto.[84][85] Por exemplo, os pesos dos produtos de uma linha de produção precisam cumprir um valor exigido legalmente. Pesando uma fração dos produtos, é possível calcular o peso médio que sempre será um pouco diferente da média de longo prazo. Usando o desvio padrão, é possível encontrar um valor máximo e um valor mínimo para que o peso médio esteja dentro de uma porcentagem muito alta de tempo (igual ou maior que 99,9%). Se o desvio padrão ficar fora do intervalo, então o processo de produção precisa ser corrigido. Estes testes estatísticos são particularmente importantes quando o teste é relativamente caro.[84][85]
Na ciência, é comum considerar que os valores são distribuídos de acordo com a curva de Gauss. Nas ciências sociais, a média e o desvio padrão determinam o intervalo em que existe a maioria da população. Se a média for e o desvio padrão for , então 95% da população estará no intervalo e 68,2% da população estará no intervalo .[86]
O desvio padrão também é usado para formar um intervalo de confiança de uma amostra. Na imagem ao lado, há um desvio nos dois lados da média de 68,2% da distribuição, dois desvios , 3 desvios e assim por diante.[87]
Em um exemplo na física de partículas, o padrão 5 sigma é usado para considerar o resultado significativo. O padrão 5 sigma traduz uma chance em 3,5 milhões de uma flutuação aleatória afetar o resultado, o que representa uma probabilidade de erro inferior a 0,00003 % (nível de confiança superior a 99.99997%).[88] Este nível de certeza foi requerido para declarar a primeira detecção de ondas gravitacionais[89][90] e garantir a descoberta de uma partícula consistente com bóson de Higgs em dois experimentos independentes na Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear (CERN).[91]
Em outro exemplo na mecânica quântica, o princípio da incerteza de Heisenberg afirma que o produto dos desvios padrões da posição e o impulso de uma partícula é maior ou igual que a constante de Planck dividida por dois .[92]
Finanças
[editar | editar código-fonte]Em finanças, o desvio padrão da taxa de retorno de investimento é uma medida da volatilidade do investimento, ou uma medida de risco associada às flutuações de preço de um determinado ativo ou ao risco de uma carteira de ativos.[93] O risco é um fator importante para gerenciar efetivamente uma carteira de investimentos porque ele determina a variação dos retornos sobre ativos e / ou sobre carteiras de ativos e fornece aos investidores uma base matemática para decisões de investimentos (teoria moderna do portfólio). O risco é medido pelo desvio padrão do retorno esperado sobre os preços de acordo com o modelo de precificação de ativos financeiros de Harry Markowitz.[94] Em análise técnica dos preços das ações, o desvio padrão fornece uma estimativa quantificada da incerteza dos retornos futuros. Quanto maior o retorno esperado sobre o investimento, maior o risco. Em outras palavras, investidores devem estimar o retorno esperado e a incerteza de retornos futuros.[95]
Seja um investidor que precise escolher entre duas ações. A ação A tem um retorno médio de 10% em 20 anos, com desvio padrão de 20 pontos percentuais. A ação B tem um retorno médio de 12% no mesmo período, com desvio padrão de 30 pontos percentuais. Com base no risco e no retorno, um investidor pode decidir pela ação A pelo retorno médio adicional de 12% não compensar o desvio padrão adicional de 10 pontos percentuais (risco ou incerteza maior sobre o retorno esperado). O investimento inicial da ação B deve ser menor que o investimento inicial da ação A. O retorno da ação B deve ser em média 2% maior que o retorno da ação A. A ação A deve ganhar 10% com 10 pontos percentuais para cima ou para baixo (variação de 30% para 10%), cerca de dois terços do retorno dos anos futuros. Quando são considerados possíveis retornos ou possíveis resultados mais extremos no futuro, um investidor deve esperar resultado de até 10% com 60 pontos percentuais para cima ou para baixo (variação de 70% para 50%), que inclui resultados para três desvios padrões a partir do retorno médio (cerca de 99,7% do possível retorno).[96][97]
Calculando a média aritmética do retorno de um título em um determinado período, obtém-se o retorno esperado do ativo. Subtraindo o retorno esperado do retorno real em cada período, obtém-se a diferença a partir da média. Elevando a diferença em cada período ao quadrado e retirando a média, obtém-se a variância total do retorno do ativo. Quanto maior a variância, maior o risco do título. Encontrando a raiz quadrada da variância, obtém-se o desvio padrão da ferramenta de investimento em questão.[96][97]
Séries temporais financeira são conhecidas por serem séries não estacionárias, enquanto os cálculos estatísticos acima como o desvio padrão aplicam–se apenas às séries estacionárias. Para aplicá–los às séries não estacionárias, as séries precisam ser transformadas em séries estacionárias, permitindo o uso de ferramentas estatísticas que agora possuem uma base válida para trabalhar.[98][99]
A análise de Bollinger é uma ferramenta que facilita a análise de previsões do mercado. John Bollinger construiu a curva de deslocamento da média para vinte dias e as curvas, de cada lado da curva de deslocamento da média, situadas a duas vezes o desvio padrão dos vinte dias.[100] O desvio padrão populacional é usado para estabelecer a largura das bandas de Bollinger. A banda de Bollinger ao lado é denotada como . O valor mais comumente usado para é 2. Há cerca de 5% de chance de o valor ser diferente, assumindo uma distribuição normal dos retornos.[101]
Tempo
[editar | editar código-fonte]Sejam as temperaturas máximas médias diárias de duas cidades, uma no continente e outra na costa. O intervalo das temperaturas máximas diárias das cidades perto da costa é menor que as temperaturas máximas diárias das cidades no continente.[102] Portanto, enquanto cada uma das duas cidades pode ter a mesma temperatura máxima média, o desvio padrão da temperatura máxima diária da cidade da costa será muito menor que a temperatura máxima diária da cidade no continente. Em qualquer dia particular, é mais provável que a temperatura máxima real seja mais afastada da temperatura máxima média da cidade no continente que da temperatura máxima média da cidade na costa.[102]
Ver também
[editar | editar código-fonte]Referências
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