Problema 1 de Variáveis Aleatórias

Este documento apresenta a resolução de um problema envolvendo três variáveis aleatórias independentes: X com distribuição Normal e Y, Z com distribuição Uniforme. O objetivo é encontrar os parâmetros μ e σ da distribuição Normal com base nas expectativas fornecidas.

Definição do Problema

Sejam X, Y e Z três variáveis aleatórias independentes com:

  • \(X \sim N(\mu, \sigma^{2})\)
  • \(Y, Z \sim \text{Uniforme}(0, 2)\)

Temos também que:

  • \(E[X^{2}Y + XYZ] = 13\)
  • \(E[XY^{2} + ZX^{2}] = 14\)

Resolução Matemática

Passo 1: Aproveitando a Independência e Linearidade da Expectância

Como as variáveis são independentes, a expectância do produto é o produto das expectâncias. Vamos expandir as duas equações dadas.

Primeira Equação:

  • \(E[X^{2}Y + XYZ] = \)
  • \(E[X^{2}Y] + E[XYZ] = \)
  • \(E[X^2]E[Y] + E[X]E[Y]E[Z] = 13\)

Segunda Equação:

  • \(E[XY^{2} + ZX^{2}] = \)
  • \(E[XY^2] + E[ZX^2] = \)
  • \(E[X]E[Y^2] + E[Z]E[X^2] = 14\)

Passo 2: Cálculo dos Momentos das Distribuições

Precisamos calcular os valores de \(E[Y], E[Z], E[Y^2]\) e \(E[Z^2]\) para a distribuição Uniforme(0,2).

Para \(Y \sim \text{Uniforme}(a, b)\), temos:

  • \(E[Y] = \frac{a + b}{2} = \)
  • \(\frac{0 + 2}{2} = 1\)
  • \(E[Y^2] = \frac{(b – a)^2}{12} + (E[Y])^2 = \)
  • \(\frac{(2-0)^2}{12} + 1^2 = \)
  • \(\frac{4}{12} + 1 = \)
  • \(\frac{1}{3} + \frac{3}{3} = \frac{4}{3} \)

Por simetria, os resultados são os mesmos para Z:

  • \(E[Z] = 1\)
  • \(E[Z^2] = \frac{4}{3}\)

Passo 3: Momentos da Distribuição Normal

Para \(X \sim N(\mu, \sigma^{2})\), temos:

\(E[X] = \mu\) \(E[X^2] = \text{Var}(X) + (E[X])^2 = \sigma^2 + \mu^2\)

Passo 4: Substituir nas Equações Originais

Substituindo os momentos conhecidos nas duas equações:

Equação 1:

\(E[X^2]E[Y] + E[X]E[Y]E[Z] = 13\) \((\sigma^2 + \mu^2) \cdot 1 + \mu \cdot 1 \cdot 1 = 13\) \(\sigma^2 + \mu^2 + \mu = 13 \quad (1)\)

Equação 2:

\(E[X]E[Y^2] + E[Z]E[X^2] = 14\) \(\mu \cdot \frac{4}{3} + 1 \cdot (\sigma^2 + \mu^2) = 14\) \(\frac{4}{3}\mu + \sigma^2 + \mu^2 = 14 \quad (2)\)

Passo 5: Resolver o Sistema de Equações

Temos o seguinte sistema:

\(\begin{cases}
\sigma^2 + \mu^2 + \mu = 13 \\
\sigma^2 + \mu^2 + \frac{4}{3}\mu = 14
\end{cases}\)

Subtraindo a primeira equação (1) da segunda (2):

\((\sigma^2 + \mu^2 + \frac{4}{3}\mu) – (\sigma^2 + \mu^2 + \mu) = 14 – 13\) \(\frac{4}{3}\mu – \mu = 1\) \(\frac{1}{3}\mu = 1\) \(\mu = 3\)

Substituindo \(\mu = 3\) na equação (1):

\(\sigma^2 + (3)^2 + (3) = 13\) \(\sigma^2 + 9 + 3 = 13\) \(\sigma^2 + 12 = 13\) \(\sigma^2 = 1\) \(\sqrt{\sigma ^{2}} = \sigma = 1\)

Solução

Os parâmetros da distribuição Normal são:

\(\mu = 3\) \(\sigma = 1\)

Portanto, \(X \sim N(3, 1)\).

Simulação em R

 

Nota: A simulação utiliza um grande número de amostras (n=1.000.000) para se aproximar dos valores teóricos das expectâncias. Os resultados devem ser próximos de 13 e 14, validando que \(\mu=3\) e \(\sigma=1\) é a solução correta.