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Início/Estatística e probabilidade/Valor-p explicado

Valor-p explicado

Estatística de teste sobre a densidade sob a hipótese nula; a cauda sombreada, de um lado ou dos dois, é o valor-p. Por que ele não é a probabilidade de H₀ ser verdadeira.

Teste de hipóteses

Cenário

Hipótese alternativa (cauda)

Nível de significância α

100

Teste z de uma amostra com σ conhecido: sob H₀ a média amostral é normal com média μ₀ e erro padrão σ/√n, de modo que z = (x̄ − μ₀)/SE é normal padrão. O cenário da moeda é um teste de proporção que usa a aproximação normal da binomial, com SE = √(p₀(1−p₀)/n) e sem correção de continuidade; os experimentos simulados lançam de fato n moedas, por isso o histograma é discreto. Arrastar o marcador muda o valor observado; mudar n mantém x̄ fixo e limpa os experimentos simulados.

Atalhos de teclado

  • •Espaço / Enter — simular 1000 experimentos sob H₀
  • •R — reiniciar o cenário (semente nova)
  • •Arraste o marcador rosa — mova a estatística observada

Grandezas medidas

Valor nulo μ₀ (H₀)0.500
σ = √(p₀(1−p₀))0.500
Tamanho da amostra n100
p̂ observado0.600 (≈ 60 de 100 caras)
SE = σ/√n0.05000
z_obs = (x̄ − μ₀)/SE2.000
valor-p (exato)0.0455
Fração empírica ≥ tão extrema—
Nível de significância α0.05
z crítico±1.960
Vereditorejeitar H₀

Sobre o modelo

O simulador mostra um teste z de uma amostra com desvio padrão populacional σ conhecido. Sob a hipótese nula H₀: μ = μ₀, a média amostral de n observações tem distribuição normal de média μ₀ e erro padrão SE = σ/√n, de modo que a estatística de teste z = (x̄ − μ₀)/SE segue a distribuição normal padrão. A tela desenha essa densidade normal padrão em unidades de z, com um segundo eixo nas unidades brutas do cenário (fração de caras, pontos de QI, mmHg), a estatística observada z_obs como marcador arrastável e o valor-p como a cauda sombreada: p = 1 − Φ(z) para uma alternativa de cauda à direita, Φ(z) para uma de cauda à esquerda e 2·Φ(−|z|) para uma bicaudal, em que Φ é a função de distribuição acumulada da normal padrão. Φ é calculada com a aproximação racional de Chebyshev de Cody para a erfc (erro muito abaixo de 1×10⁻⁷) e os valores críticos z_c = Φ⁻¹(1 − α) ou ±Φ⁻¹(1 − α/2) com a inversa de Acklam seguida de um passo de Newton, de modo que o veredito «rejeitar H₀» (p < α) é exato e não é lido numa tabela. O cenário da moeda é um teste de proporção, H₀: p = 0,5, que usa a aproximação normal da binomial com SE = √(p₀(1−p₀)/n) e sem correção de continuidade; ao simular experimentos nesse cenário, o programa lança de fato n moedas por experimento, de modo que o histograma é discreto e a fração da cauda pode diferir um pouco da aproximação lisa. A camada empírica extrai 1000 experimentos da própria H₀ com um gerador com semente, desenha as estatísticas como histograma sob a curva e conta a fração pelo menos tão extrema quanto z_obs; essa fração é uma estimativa de Monte Carlo do valor-p e torna concreto o seu sentido — com que frequência o acaso sozinho, sob H₀, produz dados tão extremos. O controle do tamanho da amostra mantém x̄ fixo e encolhe o SE, o que mostra por que o mesmo efeito bruto se torna significativo quando n cresce. Simplificações: σ é tratado como conhecido (sem isso seria preciso uma estatística t), as observações são supostas independentes e identicamente distribuídas, e não há correção para testes múltiplos. Simuladores vizinhos: statistics/type-i-ii-errors-power (α, β e o poder como áreas sob duas curvas), statistics/confidence-interval (o dual de um teste bilateral), statistics/normal-distribution (Φ e escores z), statistics/central-limit-theorem (por que a distribuição amostral de x̄ é normal) e statistics/binomial-distribution (a distribuição exata por trás do cenário da moeda).

Para quem: Alunos do ensino médio e do primeiro ano da universidade que veem o teste de hipóteses pela primeira vez (AP Statistics, A-level, estatística introdutória).

Conceitos-chave

  • hipótese nula H₀
  • estatística de teste z
  • distribuição amostral
  • erro padrão σ/√n
  • valor-p
  • nível de significância α
  • valor crítico
  • teste unicaudal e bicaudal

Como funciona

Sob a hipótese nula H₀ a média amostral oscila em torno de μ₀ com erro padrão σ/√n, de modo que a estatística de teste z = (x̄ − μ₀)/SE segue uma curva normal padrão. O valor-p é a cauda sombreada: a probabilidade, se H₀ fosse verdadeira, de obter uma estatística pelo menos tão afastada de μ₀ quanto a observada — uma cauda numa alternativa direcional, as duas caudas numa bilateral. Ele é P(dados tão extremos | H₀), não P(H₀ | dados): um valor-p de 0,03 quer dizer que dados assim surgem em 3 % dos mundos em que H₀ vale, não que H₀ tenha 3 % de chance de ser verdadeira. Apertar Simular extrai 1000 experimentos da própria H₀ e conta quantas vezes eles ultrapassam z_obs; essa fração converge para o valor-p exato, que é o que o valor-p de fato mede. Mover n mantém o mesmo efeito bruto e encolhe o SE, de modo que o mesmo x̄ fica mais surpreendente e p cai — o modelo supõe σ conhecido e uma distribuição amostral normal (ou aproximada pela normal).

Fórmulas principais

z = (x̄ − μ₀) / SE, SE = σ / √n (moeda: SE = √(p₀(1−p₀)/n))
p = 1 − Φ(z) (direita) · Φ(z) (esquerda) · 2·Φ(−|z|) (bicaudal)
rejeitar H₀ ⇔ p < α ⇔ z além de z_c = Φ⁻¹(1 − α) ou ±Φ⁻¹(1 − α/2)
Φ(z) = ½·erfc(−z/√2)

Perguntas frequentes

Se o valor-p é 0,03, há 3 % de chance de a hipótese nula ser verdadeira?
Não. O valor-p é calculado supondo que H₀ é verdadeira: é a probabilidade de dados pelo menos tão extremos quanto os observados nesse mundo hipotético, P(dados tão extremos | H₀). A probabilidade de H₀ ser verdadeira dados os dados, P(H₀ | dados), dependeria também de quão plausível H₀ era antes do experimento, e um valor-p não usa isso de forma alguma. O simulador torna isso visível: cada um dos 1000 experimentos simulados vem de um mundo em que H₀ é exatamente verdadeira, e cerca de 3 % deles ainda assim caem além de z_obs. Um p pequeno diz que os dados são incomuns sob H₀, não que H₀ seja improvável.
Por que a mesma média observada dá um valor-p menor quando n é maior?
Porque o erro padrão σ/√n encolhe com n. Com n = 25 e σ = 15, uma média de turma igual a 104 está só 1,33 erros padrão acima de 100, o que ocorre por acaso cerca de 18 % das vezes num teste bilateral; com n = 100 a mesma diferença de 4 pontos vale 2,67 erros padrão e p cai para cerca de 0,008. O efeito bruto é o mesmo, mas a média de muitas observações oscila menos sob H₀, de modo que o mesmo desvio fica mais difícil de explicar pelo acaso. Por isso a significância estatística, sozinha, não mede quão grande ou importante é um efeito.
Qual é a diferença entre um valor-p unicaudal e um bicaudal?
Um teste bicaudal pergunta com que frequência H₀ produz uma estatística pelo menos tão longe de μ₀ em qualquer dos dois sentidos, de modo que p = 2·Φ(−|z|) e a área sombreada fica nas duas caudas. Um teste unicaudal fixa o sentido de antemão — por exemplo, que o medicamento baixa a pressão arterial — e só conta desvios nesse sentido, o que dá p = 1 − Φ(z) para uma alternativa de cauda à direita. Para o mesmo z, o p unicaudal é exatamente a metade do bicaudal, e o valor crítico passa de ±1,96 para 1,645 com α = 0,05. O sentido tem de ser escolhido antes de olhar os dados; escolher depois a cauda que por acaso se encaixa dobra a taxa real de falsos positivos.
Por que o exemplo da moeda usa uma curva normal se o número de caras é binomial?
O número de caras em n lançamentos de uma moeda honesta é Binomial(n; 0,5), uma distribuição discreta, mas para n grande ele é bem aproximado por uma curva normal de média np₀ e desvio padrão √(np₀(1−p₀)); em termos da proporção p̂ = caras/n, isso é média p₀ e SE = √(p₀(1−p₀)/n). Com n = 100 a aproximação é boa: 60 caras dão z = 2,0 e um p bilateral de 0,046, enquanto a probabilidade binomial exata bilateral de 60 ou mais caras (ou de 40 ou menos) é 0,057. Os experimentos simulados lançam moedas de verdade, de modo que o histograma fica em degraus e a fração empírica segue a binomial exata, e não a curva lisa. Para n pequeno, ou para um p₀ longe de 0,5, a aproximação piora e convém usar o teste binomial exato.