Matemática

O primeiro dígito entrega a fraude

O primeiro dígito é a sombra de uma régua logarítmica.

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A tabela

Abra qualquer tabela grande de números do mundo real — a população das cidades do Brasil, o comprimento dos rios, o faturamento das empresas de um setor. Olhe só o primeiro dígito de cada número e conte quantos começam com 1, quantos com 2, e assim por diante até o 9.

O palpite natural é que não há motivo para preferir nenhum: 11% para cada. Não é isso. O dígito 1 aparece em cerca de 30% dos números; o 9, em menos de 5%. A área dos 177 países do mapa-múndi, por exemplo: 56 começam com 1 — 31,6%.

Escolha um conjunto de dados e compare as barras com a linha dourada. Arraste “multiplicar tudo por” para trocar de unidade.

A lei

A proporção de números que começa com o dígito é

123456789
30,1%17,6%12,5%9,7%7,9%6,7%5,8%5,1%4,6%

O mais estranho é que ela não vale para um tipo de dado: vale para populações, contas de luz, constantes da física, endereços de rua e preços de ações — coisas que não têm nada a ver umas com as outras. Isso pede uma explicação que não dependa do assunto.

A pista falsa: “números pequenos são mais comuns”

A explicação preguiçosa é dizer que números pequenos aparecem mais. Mas a lei não fala de números pequenos: fala do primeiro dígito, e 1.000.000 começa com 1 tanto quanto 1. Uma tabela de cidades tem números de quatro a oito dígitos, e o efeito aparece igual dentro de cada faixa. A explicação de verdade é sobre como os números foram feitos: eles não foram sorteados — eles cresceram.

Uma cidade que cresce

Acompanhe uma cidade de mil habitantes crescendo 7% ao ano. A população depois de anos é . Para ir de 1.000 a 2.000 ela precisa que :

Para ir de 9.000 a 10.000, basta , ou seja 1,56 anos. Fotografe essa cidade num ano qualquer e a chance de pegá-la começando com 1 é 6,58 vezes maior que a de pegá-la começando com 9. E a conta geral mostra por que a taxa não importa:

O cancela. Qualquer coisa que cresce multiplicando — a uma taxa qualquer — passa em cada dígito exatamente a fração de Benford do seu tempo.

A cidade anda com velocidade constante numa régua logarítmica. O relógio de baixo acumula o tempo em cada dígito e converge para a lei.

A régua é logarítmica

Isso é o mesmo que dizer que a régua natural para essas grandezas não é a comum, em que o que é constante é a soma — 1, 2, 3 —, e sim a logarítmica, em que o que é constante é a multiplicação — 1, 10, 100. Numa régua logarítmica de uma década, a faixa dos números que começam com 1 vai de a : ocupa 30,1% do espaço. A faixa do 9 vai de a : 4,6%.

Se os dados se espalham por igual na régua logarítmica — o que acontece com qualquer coisa que varre várias ordens de grandeza por multiplicação —, a lei de Benford sai sozinha. Ela não é uma propriedade dos números; é a sombra de uma régua.

A prova pela troca de unidade

Tem um argumento curto que fecha a questão, e ele é de Roger Pinkham (1961).

Se existe uma lei universal para primeiros dígitos, ela não pode depender da unidade. Meça os rios em quilômetros ou em milhas, o faturamento em reais ou em dólares: os dígitos mudam, a lei tem de continuar valendo. Trocar de unidade é multiplicar a tabela inteira por uma constante — e, na escala logarítmica, multiplicar por é deslizar todos os pontos de .

A única distribuição da posição na régua (a parte fracionária de ) que não muda quando tudo desliza por qualquer valor é a uniforme. E se a posição é uniforme, a chance de cair na faixa do dígito é a largura da faixa:

Ou não existe lei nenhuma, ou a lei é essa. Não há terceira opção. (Theodore Hill provou em 1995 uma versão mais geral: a lei de Benford é também a única invariante por troca de base, e é o que aparece quando se misturam amostras de distribuições diferentes.)

Quando não vale

A lei falha, e saber quando é tão importante quanto saber a lei:

  • Dados apertados numa faixa estreita. A altura das pessoas em centímetros começa quase sempre com 1. Não há várias ordens de grandeza para a régua logarítmica se espalhar.
  • Etiquetas, não medidas. Números de telefone, CEP, placas, códigos de produto: ninguém os mediu, alguém os atribuiu por uma regra.
  • Sorteios de verdade. Uma loteria uniforme entre 1 e 999 tem 11,1% para cada dígito — e é bom que tenha.
  • Limites e tabelas. Preços tabelados, valores com teto, notas de 0 a 10.

A regra prática: Benford vale quando os dados varrem várias ordens de grandeza e nasceram de multiplicação.

A fraude

Quando uma pessoa inventa números para preencher uma planilha, ela tenta parecer aleatória — e gente tentando parecer aleatória espalha os dígitos por igual demais. Os dígitos altos aparecem mais do que deviam, e o 1 aparece de menos. É a assinatura que o histograma da figura mostra na opção Inventados.

Por isso auditores, fiscos e peritos usam o teste como primeira peneira: num arquivo com milhões de lançamentos, ele aponta as contas, os fornecedores ou os períodos cujos dígitos destoam. O episódio cita três casos em que ele foi aplicado: os balanços da Enron, os dados de contas públicas que a Grécia declarou à União Europeia e pesquisas científicas com dados fabricados.

O segundo dígito

A mesma régua prevê o segundo dígito: basta somar as faixas de todos os números com aquele segundo dígito, de 10 a 99.

O efeito é bem mais fraco — o 0 aparece em 12,0% e o 9 em 8,5% —, mas ele existe, e auditores também o testam: quem inventa valores costuma exagerar nos zeros e nos cincos redondos do segundo dígito.

Os números do episódio

O que o vídeo diz Valor De onde sai
começam com 1 30,1% log10(2)
começam com 2 17,6% log10(3/2)
começam com 3 12,5% log10(4/3)
começam com 9 4,6% log10(10/9)
palpite ingênuo 11,1% 1/9 para cada dígito
de 1.000 a 2.000 a 7% ao ano 10,2 anos ln 2 / ln 1,07
de 9.000 a 10.000 a 7% ao ano 1,56 anos ln(10/9) / ln 1,07
chance no 1 contra chance no 9 6,58 vezes razão dos dois tempos — “seis vezes e meia”

Desafios

Desafio 1 · aquecimento

Qual é a chance de um número que segue a lei de Benford começar com 1 ou 2? E com um dígito de 5 a 9?

Ver a solução

As faixas são vizinhas na régua, então as probabilidades somam: 47,7% para 1 ou 2, e 30,1% para 5 a 9. Os cinco dígitos de cima juntos valem o mesmo que o 1 sozinho.

Desafio 2 · pede uma ideia

Por que as potências de 2 — 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128… — obedecem à lei de Benford, se ninguém as “mediu”?

Ver a solução

A posição de na régua logarítmica de uma década é a parte fracionária de . Como é irracional, os múltiplos nunca se repetem módulo 1 e, pelo teorema de equidistribuição de Weyl, se espalham uniformemente pela década. Posição uniforme na régua logarítmica é exatamente a lei de Benford. A mesma conta vale para qualquer com irracional — por isso Fibonacci também obedece.

Desafio 3 · pede uma ideia

Uma empresa tem despesas que seguem Benford. Um funcionário desonesto lança notas falsas “logo abaixo” do limite de aprovação de R 4.500 e R$ 4.999. Como isso aparece no teste do primeiro dígito? E no dos dois primeiros dígitos?

Ver a solução

No primeiro dígito, surge um excesso no 4 — talvez pequeno demais para chamar atenção se as notas falsas forem poucas. No teste dos dois primeiros dígitos (de 10 a 99, cada combinação com probabilidade ), o pico em 45–49 é muito mais nítido, porque essas combinações deveriam ter só uns 0,9% cada. É por isso que auditores usam o teste de dois dígitos para achar limites sendo contornados.

Desafio 4 · pede várias

Mostre que, se a parte fracionária de é uniforme em , então a de também é, para qualquer constante .

Ver a solução

. Somar uma constante a uma variável uniforme no círculo (módulo 1) apenas a gira, e uma rotação leva a distribuição uniforme nela mesma: cada intervalo de comprimento continua recebendo probabilidade . A recíproca — que a uniforme é a única com essa propriedade para todo — é o coração do argumento de Pinkham.

Para ir além

  • Simon Newcomb notou o efeito em 1881: as primeiras páginas das tabelas de logaritmos (números começando com 1) ficavam muito mais gastas que as últimas. Frank Benford redescobriu a lei em 1938 e a testou em mais de 20 mil números de 20 fontes diferentes — é por isso que ela leva o nome dele.
  • Roger Pinkham (1961) deu o argumento da invariância por escala; Theodore Hill (1995), a explicação por mistura de distribuições.
  • Mark Nigrini transformou a lei em ferramenta de auditoria a partir dos anos 1990.
  • No laboratório, teste os seus próprios números.

No laboratório

As figuras deste episódio, em tamanho grande e com todos os controles.

Shorts deste episódio

Cortes verticais com a mesma narração — e as provas sem palavras que acompanham o tema.

1:34

O primeiro dígito entrega a fraude

Em breve no canal

2:00

Trinta por cento começam com 1

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