Revisão: Estimativas e erros -...
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Revisão: Estimativas e errosNível de confiança, Propagação de erros e
Ajuste de funções
1
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Valor esperado de uma grandeza
2
Valor esperado: valor hipotético, μ, de uma grandeza, equivalente ao valor médio de medições repetidas indefinidamente
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Valor esperado de uma grandeza
2
Valor esperado: valor hipotético, μ, de uma grandeza, equivalente ao valor médio de medições repetidas indefinidamente
Fazemos uma estimativa para o valor esperado, a partir de um conjunto finito de medidas da grandeza
Chamamos esse conjunto finito de uma amostra de todos os possíveis valores para as medidas, ou população
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Distribuição Gaussiana
3
f (x;µ, �
x
) = A · e
� (x�µ)2
2�
2x
μ
σx σx
Fraç
ão d
e oc
corr
ênci
as
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Estrutura da Matéria I - 2015/14
Distribuição Gaussiana
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Estrutura da Matéria I - 2015/14
σx σx
Distribuição Gaussiana
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Estrutura da Matéria I - 2015/14
σx σx
2σx 2σx
Distribuição Gaussiana
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Estrutura da Matéria I - 2015/14
σx σx
2σx 2σx
68,3% da área entre (μ - σx) e (μ + σx)
95,5% da área entre (μ - 2σx) e (μ + 2σx)
99,7% da área entre (μ - 3σx) e (μ + 3σx)...
Distribuição Gaussiana
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Estrutura da Matéria I - 2015/15
Lei dos Erros
“Lei dos Erros”: Para um número indefinidamente grande de medidas a distribuição das frequências se comporta como uma distribuição Gaussiana
f (x;µ, �
x
) = A · e
� (x�µ)2
2�
2x
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Intervalo e nível de confiança (Dist. Gaussiana)
6•Capa •Volta •Anterior •Pr´oxima •Tela cheia •P´ag. 75 •Última•Sair
A Tab. 10 mostra alguns intervalos de confiança típicos para uma grandezax, cujas medidas são distribuídas normalmente, e os correspondentes níveis deconfiança.
Intervalo de Confianca Nivel deConfianca (cl)
(x � 0,67 �x , x + 0,67 �x) 50,0%
(x � 1,00 �x , x + 1,00 �x) 68,3%
(x � 1,65 �x , x + 1,65 �x) 90,0%
(x � 1,96 �x , x + 1,96 �x) 95,0%
(x � 2,00 �x , x + 2,00�x) 95,5%
(x � 3,00 �x , x + 3,00 �x) 99,7%
Tabela 10: Intervalos de confiança típicos e os correspondentes níveis deconfiança.
Assim, pode-se sintetizar a estimativa, por um intervalo de confiança, doresultado da medição direta de uma grandeza como:
Intervalo de confiança a nível de confiança de 68,3%
Intervalo de confiança a nível de confiança de 95,5%
Em geral para um intervalo de confiança [a,b], o nível de confiança pode ser interpretado como a fração de ocorrências em que o valor esperado μ se encontra neste intervalo, se o experimento for repetido um grande número de vezes.
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Estrutura da Matéria I - 2015/17
Propagação de erros
Estimativa da grandeza associada (medida indireta)
u = f (x)
Medidas diretas de uma grandeza x:{x1, x2, . . . , xN}
Propagação de erros
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Estrutura da Matéria I - 2015/18
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000Corrente x Potência Elétrica
i [A]
P [W]
3437,5
4950R = 5,5 �
�i�P
P = Ri2
Propagação de erros
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Estrutura da Matéria I - 2015/19
x
u = f(x)
Propagação de erros
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Estrutura da Matéria I - 2015/19
x
u = f(x)
x + Δxx
u + Δu
u
Propagação de erros
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Estrutura da Matéria I - 2015/110
x
u = f(x)
Propagação de erros
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Estrutura da Matéria I - 2015/110
x + Δxx
u + Δu
u
x
u = f(x)
Propagação de erros
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Estrutura da Matéria I - 2015/110
x + Δxx
u + Δu
u
x
u = f(x)
�
u
=����df
dx
���� �
x
Propagação de erros
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Propagação de erros
11
Propagação de erros
u = f (x, y)
Estimativa da grandeza associada (medida indireta) Medidas de duas grandezas x e y:
{(x1, y1) , (x2, y2) , . . . , (xN , yN )}
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Propagação de erros
11
Propagação de erros
u = f (x, y)
Estimativa da grandeza associada (medida indireta)
u± �uQueremos obter:
Medidas de duas grandezas x e y:
{(x1, y1) , (x2, y2) , . . . , (xN , yN )}
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Estrutura da Matéria I - 2015/112
Estimativa do valor esperado
Propagação de erros
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Estrutura da Matéria I - 2015/112
u = f (x, y)
Estimativa do valor esperado
Propagação de erros
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Estrutura da Matéria I - 2015/112
u = f (x, y)
Estimativa do valor esperado
u = x + y
Exemplo:
) u = x + y
Propagação de erros
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Estrutura da Matéria I - 2015/112
u = f (x, y)
Estimativa do valor esperado
u = x + y
Exemplo:
) u = x + y
u = x/y
u = x/y
Propagação de erros
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Estrutura da Matéria I - 2015/113
Estimativa padrão da incerteza
Em geral:
�
2u
=✓
@f
@x
◆2�����(x,y)
�
2x
+✓
@f
@y
◆2�����(x,y)
�
2y
+2N
✓@f
@x
◆ ✓@f
@y
◆����(x,y)
�
xy
u = f (x, y)
Propagação de erros
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Estrutura da Matéria I - 2015/114
u = f (x, y) ⇡ f (x, y) +@f
@x
����(x,y)
(x� x) +@f
@y
����(x,y)
(y � y)
) u ⇡ f (x, y)
Propagação de erros
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Estrutura da Matéria I - 2015/115
Propagação de erros
) u
2 ⇡ [f (x, y)]2 +✓
@f
@x
◆2�����(x,y)
�
2x
+✓
@f
@y
◆2�����(x,y)
�
2y
+ 2✓
@f
@x
◆ ✓@f
@y
◆����(x,y)
�
xy
u
2 ⇡ [f (x, y)]2 + 2f (x, y)
"@f
@x
����(x,y)
1N
NX
i=1
(xi
� x) +@f
@y
����(x,y)
1N
NX
i=1
(yi
� y)
#
+✓
@f
@x
◆2�����(x,y)
1N
NX
i=1
(xi
� x)2 +✓
@f
@y
◆2�����(x,y)
1N
NX
i=1
(yi
� y)2
+2✓
@f
@x
◆ ✓@f
@y
◆����(x,y)
"1N
NX
i=1
(xi
� x) (yi
� y)
#
) �
2u
⇡✓
@f
@x
◆2�����(x,y)
�
2x
+✓
@f
@y
◆2�����(x,y)
�
2y
+ 2✓
@f
@x
◆ ✓@f
@y
◆����(x,y)
�
xy
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Propagação de erros
16
Estimativa padrão da incerteza
Exemplo: Adição ou subtração de variáveis
u = x± y
ou
�2u
= �2x
+ �2y
± 2N
�xy
�u
=r
�2x
+ �2y
± 2N
�xy
�u
=q
�2x
+ �2y
± 2r�x
�y
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Propagação de erros
16
Estimativa padrão da incerteza
�u
=q
�2x
+ �2y
Se x e y são independentes (correlação nula)
Exemplo: Adição ou subtração de variáveis
u = x± y
ou
�2u
= �2x
+ �2y
± 2N
�xy
�u
=r
�2x
+ �2y
± 2N
�xy
�u
=q
�2x
+ �2y
± 2r�x
�y
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Estrutura da Matéria I - 2015/117
Estimativa padrão da incerteza
Exemplo: Multiplicação ou divisão de variáveis
u = x/y
Se x e y são independentes (correlação nula):
�
u
|u| =
s⇣
�
x
x
⌘2+
✓�
y
y
◆2
ou
u = xy
Se a correlação não é nula:
Propagação de erros
�
u
|u| =
s⇣
�
x
x
⌘2+
✓�
y
y
◆2
± 2r
⇣�
x
x
⌘ ✓�
y
y
◆
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Estrutura da Matéria I - 2015/118
Estimativa padrão da incerteza
Exemplo:
u = ↵x) �
u
= |↵|�x
u =↵
x
) �
u
=|↵|x
2�
x
Propagação de erros
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Estrutura da Matéria I - 2015/119
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000Corrente x Potência Elétrica
i [A]
P [W]
3437,5
4950R = 5,5 �
�i�P
P = Ri2
Propagação de erros
) �P = 2Ri�i
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Exercícios
20
u = x + y + z
i)
ii)
iii)
iv)
v)
u = (x · y) / (x + y)
u = x
2
u = xy + z
u = x
�1
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Exercícios
21
vi)
vii)
viii)
ix)
p = kl
I = V/R
v =p
2gh
T = 2⇡
sl
g
![Page 34: Revisão: Estimativas e erros - dfnae.fis.uerj.brdfnae.fis.uerj.br/twiki/pub/DFNAE/EstruturaI/Slides-Revisao... · Revisão: Estimativas e erros Nível de confiança, Propagação](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051811/601e96340e8a320c8134fdf3/html5/thumbnails/34.jpg)
Estrutura da Matéria I - 2015/1
Ajuste de funções
22
Ajuste de funções
Estimativa dos parâmetros (a partir de uma relação funcional postulada)
Medidas de duas grandezas x e y:
{(x1, y1) , (x2, y2) , . . . , (xN , yN )}
y = f (x; a1, a2, . . . , ap)
![Page 35: Revisão: Estimativas e erros - dfnae.fis.uerj.brdfnae.fis.uerj.br/twiki/pub/DFNAE/EstruturaI/Slides-Revisao... · Revisão: Estimativas e erros Nível de confiança, Propagação](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051811/601e96340e8a320c8134fdf3/html5/thumbnails/35.jpg)
Estrutura da Matéria I - 2015/1
Ajuste de funções
22
Ajuste de funções
Estimativa dos parâmetros (a partir de uma relação funcional postulada)
Medidas de duas grandezas x e y:
{(x1, y1) , (x2, y2) , . . . , (xN , yN )}
y = f (x; a1, a2, . . . , ap)
Queremos obter: a1 ± �a1 , . . . , ap ± �ap
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Método dos Mínimos Quadrados: Ajuste linear
23
S (a, b) =NX
i=1
(yi � y (xi))2 =
NX
i=1
[yi � (axi + b)]2
Queremos minimizar a soma dos quadrados das distâncias entre a medidas observadas e os valores previstos pela relação funcional entre y e x:
Medida observada y = f (xi; a, b) = axi + b
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Estrutura da Matéria I - 2015/124
Método dos Mínimos Quadrados: Ajuste linear
@S
@a
= �2NX
i=1
xi (yi � axi � b) = 0
@S
@b
= �2NX
i=1
(yi � axi � b) = 0
N
⇣xy � ax
2 � bx
⌘= 0
N (y � ax� b) = 0
) a =xy � xy
x
2 � x
2=
�
xy
�
2x
b = y � ax
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Método dos Mínimos Quadrados: Ajuste linear
25
a = r�
y
�x
=�
xy
�2x
b = y � ax
�a
=1�
x
✏ypN
�b = �a
px
2
As estimativas dos parâmetros e suas incertezas são dadas por:
✏y =
vuutNX
i=1
[yi � (axi + b)]2
N � 2= �y
rN
N � 2(1� r
2)
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Estrutura da Matéria I - 2015/126
•Capa •Volta •Anterior •Pr´oxima •Tela cheia •P´ag. 169 •Última•Sair
y
xx x2
ax + b
y
y(x) =
! i
i
i
y(x )y(x )y
i
ii
Figura 20: Diagrama de dispersão de alguns pares (x, y), onde se ilustram:a reta y(x) = ax+b; três desses pares; o resíduo yi � y(xi) = yi � (axi+b) dopar genérico (xi, yi) em relação a referida reta e, também a incerteza "i damedida yi.
Método dos Mínimos Quadrados: Ajuste linear
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Método dos Mínimos Quadrados: Ajuste linear
27
No caso anterior assumimos que as incertezas nas medidas de y são desconhecidas. Em geral consideramos o erro em cada medida (σi):
Erro em cada medida
S (a, b) =NX
i=1
✓yi � y (xi)
�i
◆2
=NX
i=1
yi � (axi + b)
�i
�2
Questões:Deduza as expressões para as estimativas dos parâmetros segundo o Método dos Mínimos QuadradosComo incertezas de medição da variável x podem ser incluídas no método.
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Reta de calibração e interpolação
28
•Capa •Volta •Anterior •Pr´oxima •Tela cheia •P´ag. 125 •Última•Sair
y
obsx x
obsy
reta de ajuste
Figura 16:
8
>
>
<
>
>
:
xobs 7! y ± "y (interpolação direta)yobs 7! x ± "x (interpolação inversa).
x
obs
! y ± ✏y
y
obs
! x± ✏
x
Interpolação direta
Interpolação indireta
✏x
=✏y
a
(yobs
� b)a
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Faixa de confiança
29
•Capa •Volta •Anterior •Pr´oxima •Tela cheia •P´ag. 127 •Última•Sair
5 10 15 20 25
10
20
30
40
50
60
70
80
y!
x!
y = ax + b
y
x
obsy
Figura 17: Faixa de confiança padrão associada ao ajuste da mola M1 (Tab. 12); o valorde "y é igual a 0,3 mm e a faixa de confiança está exageradamente representada.
✏x
=✏y
a
y
obs
! x± ✏
x
(yobs
� b)a
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Extras
30
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Parâmetros de posição
31
x ⌘ x1 + x2 + x3 + . . . + xN
N
=1N
NX
i=1
xi
x ⇡ n1x1 + n2x2 + . . . + nMxM
N
=1N
MX
j=1
njxj
i) Média:
Dados em M classes (intervalos) com ponto médio {x1, x2, ..., xM} e frequência {n1, n2, ..., nM}:
Valor médio de um conjunto de dados {x1, x2, ..., xN}:
xrms ⌘r
x
21 + x
22 + x
23 + . . . + x
2N
N
=
vuut 1N
NX
i=1
x
2i
iii) Média quadrática:
ii) Moda: Valor mais frequente de um conjunto de dados {x1, x2, x3, ..., xN}
N (ımpar)! xmed = x(N+1)/2
N(par)! xmed =xN/2 + x(N/2+1)
2
iv) Mediana (Mesma quantidade de dados abaixo e acima da mediana):
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Parâmetros de dispersão
32
Variância: Média dos quadrados dos desvios (δxi)
�
2x
=1N
NX
i=1
(�xi
)2 =1N
NX
i=1
(xi
� x)2 =(x1 � x)2 + . . . + (x
N
� x)2
N
�
2x
=1N
NX
i=1
x
2i
�
1N
NX
i=1
x
i
!2
= x
2 � x
2Note que a expressão para a variância pode ser simplificada por:
![Page 46: Revisão: Estimativas e erros - dfnae.fis.uerj.brdfnae.fis.uerj.br/twiki/pub/DFNAE/EstruturaI/Slides-Revisao... · Revisão: Estimativas e erros Nível de confiança, Propagação](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051811/601e96340e8a320c8134fdf3/html5/thumbnails/46.jpg)
Estrutura da Matéria I - 2015/1
Parâmetros de dispersão
33
Desvio padrão: Raiz quadrada da variância, ou média quadrática dos desvios
�
x
=
vuut 1N
NX
i=1
(�xi
)2 =
s(x1 � x)2 + . . . + (x
N
� x)2
N
�
x
=q
x
2 � x
2
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Representando duas variáveis
34
Diagrama de dispersão: Gráfico representando medidas em duas variáveis {(x1, y1), (x2, y2), ..., (xN, yN)}
Exemplo: Considere um conjunto de dados de duas variáveis (x,y) (x1, y1)
N = 1
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Representando duas variáveis
35
Diagrama de dispersão: Gráfico representando medidas em duas variáveis {(x1, y1), (x2, y2), ..., (xN, yN)}
Exemplo: Considere um conjunto de dados de duas variáveis (x,y) (x1, y1)
(x2, y2)
(x3, y3)N =3
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Representando duas variáveis
36
Diagrama de dispersão: Gráfico representando medidas em duas variáveis {(x1, y1), (x2, y2), ..., (xN, yN)}
Exemplo: Considere um conjunto de dados de duas variáveis (x,y)
N = 6
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Representando duas variáveis
37
Diagrama de dispersão: Gráfico representando medidas em duas variáveis {(x1, y1), (x2, y2), ..., (xN, yN)}
Exemplo: Considere um conjunto de dados de duas variáveis (x,y)
N = 12
![Page 51: Revisão: Estimativas e erros - dfnae.fis.uerj.brdfnae.fis.uerj.br/twiki/pub/DFNAE/EstruturaI/Slides-Revisao... · Revisão: Estimativas e erros Nível de confiança, Propagação](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051811/601e96340e8a320c8134fdf3/html5/thumbnails/51.jpg)
Estrutura da Matéria I - 2015/1
Representando duas variáveis
38
Diagrama de dispersão: Gráfico representando medidas em duas variáveis {(x1, y1), (x2, y2), ..., (xN, yN)}
Exemplo: Considere um conjunto de dados de duas variáveis (x,y)
N = 20
![Page 52: Revisão: Estimativas e erros - dfnae.fis.uerj.brdfnae.fis.uerj.br/twiki/pub/DFNAE/EstruturaI/Slides-Revisao... · Revisão: Estimativas e erros Nível de confiança, Propagação](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051811/601e96340e8a320c8134fdf3/html5/thumbnails/52.jpg)
Estrutura da Matéria I - 2015/1
Representando duas variáveis
39
Diagrama de dispersão: Gráfico representando medidas em duas variáveis {(x1, y1), (x2, y2), ..., (xN, yN)}
Exemplo: Considere um conjunto de dados de duas variáveis (x,y)
N = 50
![Page 53: Revisão: Estimativas e erros - dfnae.fis.uerj.brdfnae.fis.uerj.br/twiki/pub/DFNAE/EstruturaI/Slides-Revisao... · Revisão: Estimativas e erros Nível de confiança, Propagação](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051811/601e96340e8a320c8134fdf3/html5/thumbnails/53.jpg)
Estrutura da Matéria I - 2015/1
Representando duas variáveis
40
Diagrama de dispersão: Gráfico representando medidas em duas variáveis {(x1, y1), (x2, y2), ..., (xN, yN)}
Exemplo: Considere um conjunto de dados de duas variáveis (x,y)
N = 100
![Page 54: Revisão: Estimativas e erros - dfnae.fis.uerj.brdfnae.fis.uerj.br/twiki/pub/DFNAE/EstruturaI/Slides-Revisao... · Revisão: Estimativas e erros Nível de confiança, Propagação](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051811/601e96340e8a320c8134fdf3/html5/thumbnails/54.jpg)
Estrutura da Matéria I - 2015/1
Parâmetros de correlação
41
i) Covariância: média dos produtos dos desvios nas duas variáveis (δxi e δyi)
�
xy
=1N
NX
i=1
�x
i
�y
i
=1N
NX
i=1
(xi
� x) (yi
� y)
=(x1 � x) (y1 � y) + . . . + (x
N
� x) (yN
� y)N
![Page 55: Revisão: Estimativas e erros - dfnae.fis.uerj.brdfnae.fis.uerj.br/twiki/pub/DFNAE/EstruturaI/Slides-Revisao... · Revisão: Estimativas e erros Nível de confiança, Propagação](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051811/601e96340e8a320c8134fdf3/html5/thumbnails/55.jpg)
Estrutura da Matéria I - 2015/1
Parâmetros de correlação
41
i) Covariância: média dos produtos dos desvios nas duas variáveis (δxi e δyi)
�
xy
=1N
NX
i=1
�x
i
�y
i
=1N
NX
i=1
(xi
� x) (yi
� y)
=(x1 � x) (y1 � y) + . . . + (x
N
� x) (yN
� y)N
�
xy
= xy � xy
Note que a expressão para a covariância pode ser simplificada por:
![Page 56: Revisão: Estimativas e erros - dfnae.fis.uerj.brdfnae.fis.uerj.br/twiki/pub/DFNAE/EstruturaI/Slides-Revisao... · Revisão: Estimativas e erros Nível de confiança, Propagação](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051811/601e96340e8a320c8134fdf3/html5/thumbnails/56.jpg)
Estrutura da Matéria I - 2015/1
Parâmetros de correlação
41
i) Covariância: média dos produtos dos desvios nas duas variáveis (δxi e δyi)
�
xy
=1N
NX
i=1
�x
i
�y
i
=1N
NX
i=1
(xi
� x) (yi
� y)
=(x1 � x) (y1 � y) + . . . + (x
N
� x) (yN
� y)N
�
xy
= xy � xy
Note que a expressão para a covariância pode ser simplificada por:
�xy
= �yx
e que não importa a ordem das variáveis:
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Parâmetros de correlação: covariância
42
�
xy
=1N
NX
i=1
(xi
� x) (yi
� y)
Covariância:
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Parâmetros de correlação: covariância
42
x ⇡ 0
y ⇡ 0
�
xy
=1N
NX
i=1
(xi
� x) (yi
� y)
Covariância:
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Parâmetros de correlação: covariância
42
x ⇡ 0
y ⇡ 0
�xy
> 0
�
xy
=1N
NX
i=1
(xi
� x) (yi
� y)
Covariância:
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Parâmetros de correlação: covariância
43
�
xy
=1N
NX
i=1
(xi
� x) (yi
� y)
Covariância:
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Parâmetros de correlação: covariância
43
x ⇡ 0
y ⇡ 0
�
xy
=1N
NX
i=1
(xi
� x) (yi
� y)
Covariância:
![Page 62: Revisão: Estimativas e erros - dfnae.fis.uerj.brdfnae.fis.uerj.br/twiki/pub/DFNAE/EstruturaI/Slides-Revisao... · Revisão: Estimativas e erros Nível de confiança, Propagação](https://reader034.fdocument.pub/reader034/viewer/2022051811/601e96340e8a320c8134fdf3/html5/thumbnails/62.jpg)
Estrutura da Matéria I - 2015/1
Parâmetros de correlação: covariância
43
x ⇡ 0
y ⇡ 0
�
xy
=1N
NX
i=1
(xi
� x) (yi
� y)
Covariância:
�xy
< 0
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Estrutura da Matéria I - 2015/1
Parâmetros de correlação
44
ii) Coeficiente de correlação linear de Pearson: covariância entre duas variáveis, dividida por seus desvios padrão
r =�
xy
�x
�y
�1 � r 1
Correlação linear, perfeita e positiva: r = 1
Correlação linear, perfeita e negativa: r = �1