4.1.7 Sucesos dependientes e independientes

Enunciado del ejercicio

1. DEFINICIÓN FORMAL DE INDEPENDENCIA ESTOCÁSTICA Dos sucesos \(A\) y \(B\) son independientes si la ocurrencia de uno de ellos no altera ni condiciona en absoluto la probabilidad de que ocurra el otro: \(P(A \cap B) = P(A) \cdot P(B)\) Recordemos que la probabilidad condicionada \(P(A|B)\) es la probabilidad de que ocurra \(A\) sabiendo que previamente ha ocurrido \(B\), y se calcula como \(P(A|B) = \frac{P(A \cap B)}{P(B)}\) Equivalentemente (en términos de probabilidad condicionada): \(P(A|B) = P(A) \quad \text{y} \quad P(B|A) = P(B)\) Ejemplo: Al lanzar dos monedas, \(A\) = «cara en la primera» y \(B\) = «cara en la segunda» son independientes: \(P(A \cap B) = \frac{1}{4} = \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{2} = P(A) \cdot P(B)\) 2. SUCESOS DEPENDIENTES Dos sucesos son dependientes cuando la ocurrencia de \(B\) modifica la probabilidad de \(A\): \(P(A|B) \ne P(A) \iff P(A \cap B) \ne P(A) \cdot P(B)\) Extracciones con o sin reemplazamiento: - Con reemplazamiento: La composición de la urna no cambia, lo que implica que las extracciones son independientes . - Sin reemplazamiento: Cambia el número de casos favorables y posibles, lo que implica que las extracciones son dependientes . Ejemplo: Al extraer dos cartas sin reemplazamiento, \(A_1\) = «la primera es un as» y \(A_2\) = «la segunda es un as» son dependientes: \(P(A_2|A_1) = \frac{3}{39} \ne \frac{4}{40} = P(A_2)\) Ejemplo 1: Comprobación de independencia en el lanzamiento de un dado. En el lanzamiento de un dado equilibrado, sean \(A = \{2, 4, 6\}\) ("número par") y \(B = \{1, 2\}\) Comprueba si \(A\) y \(B\) son sucesos independientes.

Explicación

Para comprobar la independencia empezaremos por recordar su definición: dos sucesos son independientes cuando \(P(A \cap B) = P(A) \cdot P(B)\). A continuación calcularemos \(P(A)\) y \(P(B)\) con la regla de Laplace (el dado es equilibrado). Para terminar calcularemos \(P(A \cap B)\) y compararemos ambos miembros.

PASO 1

Cálculo de P(A) y P(B).

El dado es equilibrado, luego aplicamos la regla de Laplace. El suceso \(A\) tiene tres casos favorables de seis posibles:

$$P(A) = \frac{3}{6} = \frac{1}{2}$$

El suceso \(B\) tiene dos casos favorables de seis posibles:

$$P(B) = \frac{2}{6} = \frac{1}{3}$$
PASO 2

Cálculo de la probabilidad de la intersección.

La intersección contiene los elementos comunes a ambos sucesos: solo el dos:

$$A \cap B = \{2\}$$

Por la regla de Laplace, con un caso favorable de seis posibles:

$$P(A \cap B) = \frac{1}{6}$$
PASO 3

Comparación con el producto.

Calculamos el producto de las probabilidades:

$$P(A) \cdot P(B) = \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{3} = \frac{1}{6}$$

Como \(P(A \cap B) = \frac{1}{6}\) y \(P(A) \cdot P(B) = \frac{1}{6}\), se cumple la igualdad \(P(A \cap B) = P(A) \cdot P(B)\)

Conclusión

Los sucesos \(A\) y \(B\) son independientes: saber que ha salido par no altera la probabilidad de que haya salido uno o dos.

Ejemplo 2: Comprobación de independencia a partir de las probabilidades

Si \(P(A) = 0,4\), \(P(B) = 0,5\) y \(P(A \cap B) = 0,2\), ¿son \(A\) y \(B\) sucesos independientes?

Explicación

Para responder empezaremos por recordar la definición de independencia: \(P(A \cap B) = P(A) \cdot P(B)\). A continuación calcularemos el producto \(P(A) \cdot P(B)\) con los datos del enunciado. Para terminar lo compararemos con el valor dado de \(P(A \cap B)\)

PASO 1

Cálculo del producto de probabilidades.

Multiplicamos los datos del enunciado:

$$P(A) \cdot P(B) = 0,4 \times 0,5 = 0,20$$
PASO 2

Comparación con la probabilidad de la intersección.

El enunciado nos da \(P(A \cap B) = 0,2\) Como \(0,20 = 0,2\) (los ceros a la derecha de la última cifra decimal no alteran el valor), se cumple:

$$P(A \cap B) = P(A) \cdot P(B)$$
Conclusión

Los sucesos \(A\) y \(B\) son independientes, porque la probabilidad de su intersección coincide con el producto de sus probabilidades.

Ejemplo 3: Independencia en dos lanzamientos de un dado

Se lanza un dado dos veces. Sean \(A\) el suceso "sacar 6 en el primer lanzamiento" y \(B\) el suceso "sacar 6 en el segundo lanzamiento". Calcula \(P(A \cap B)\) razonando si los sucesos son independientes.

Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por analizar si el resultado del primer lanzamiento influye en

el segundo: como el dado no tiene memoria, los lanzamientos son independientes. A continuación calcularemos \(P(A)\) y \(P(B)\) con la regla de Laplace. Para terminar aplicaremos la definición de independencia para obtener \(P(A \cap B)\)

PASO 1

Análisis de la independencia.

El resultado del primer lanzamiento no modifica en absoluto las condiciones d

el segundo: el dado sigue siendo el mismo y equilibrado.

Por tanto, la ocurrencia de \(A\) no altera la probabilidad de \(B\), y los sucesos son independientes: \(P(B|A) = P(B)\)

PASO 2

Cálculo de P(A) y P(B).

En cada lanzamiento hay seis resultados equiprobables y solo uno es favorable ("sacar 6"):

$$P(A) = \frac{1}{6}$$
$$P(B) = \frac{1}{6}$$
PASO 3

Cálculo de la probabilidad conjunta.

Por la definición de independencia, \(P(A \cap B) = P(A) \cdot P(B)\) Sustituyendo los valores obtenidos:

$$P(A \cap B) = \frac{1}{6} \times \frac{1}{6} = \frac{1}{36}$$
Conclusión

Como los lanzamientos son independientes, \(P(A \cap B) = \frac{1}{36}\)

Ejemplo 4: Dependencia en la extracción sin reemplazamiento

Una urna contiene tres bolas rojas y dos bolas negras. Se extraen dos bolas sin devolver la primera a la urna. Sean \(R_1\) el suceso "la primera bola es roja" y \(R_2\) el suceso "la segunda bola es roja". Estudia si \(R_1\) y \(R_2\) son dependientes o independientes.

Explicación

Para estudiar la dependencia empezaremos por recordar que dos sucesos son dependientes cuando \(P(R_2|R_1) \ne P(R_2)\), es decir, cuando la ocurrencia del primero modifica la probabilidad del segundo. A continuación calcularemos \(P(R_1)\) y \(P(R_2)\). Para terminar calcularemos la probabilidad condicionada \(P(R_2|R_1)\), teniendo en cuenta que la primera bola no se devuelve, y compararemos.

PASO 1

Probabilidades sin condicionar.

En la primera extracción hay cinco bolas en la urna, tres de ellas rojas:

$$P(R_1) = \frac{3}{5}$$

Antes de extraer ninguna bola, por simetría, la segunda extracción tiene la misma probabilidad de ser roja que la primera (cada posición es igualmente probable para las bolas rojas):

$$P(R_2) = \frac{3}{5}$$
PASO 2

Probabilidad condicionada sin reemplazamiento.

Si ha ocurrido \(R_1\), la primera bola (roja) no se devuelve: en la urna quedan cuatro bolas, de las cuales dos son rojas (tres menos la extraída) y dos son negras. La composición de la urna ha cambiado, luego:

$$P(R_2|R_1) = \frac{2}{4} = \frac{1}{2}$$
PASO 3

Comparación y conclusión sobre la dependencia.

Comparamos: \(P(R_2|R_1) = \frac{1}{2}\) mientras que \(P(R_2) = \frac{3}{5}\) Como \(\frac{1}{2} \ne \frac{3}{5}\), se cumple \(P(R_2|R_1) \ne P(R_2)\)

Conclusión

Los sucesos \(R_1\) y \(R_2\) son dependientes: al no devolver la primera bola, su ocurrencia modifica la composición de la urna y, con ella, la probabilidad de la segunda extracción. (Con reemplazamiento, la composición no cambiaría y las extracciones serían independientes.)

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Ejemplo 5: Independencia frente a dependencia en extracciones con y sin reemplazamiento

De una baraja española de 40 cartas se extraen consecutivamente dos cartas. Sean los sucesos \(O_1\) = "la primera carta es oros" y \(O_2\) = "la segunda carta es oros". Estudia formalmente si \(O_1\) y \(O_2\) son sucesos independientes o dependientes en los dos supuestos:

a) Si la primera carta se devuelve a la baraja antes de extraer la segunda (con reemplazamiento).

b) Si la primera carta no se devuelve a la baraja (sin reemplazamiento).

Explicación

Para resolver este ejercicio calcularemos la probabilidad condicionada de que la segunda carta sea de oros habiendo sido la primera de oros, y la compararemos con la probabilidad simple de que la segunda carta sea de oros. La definición formal de independencia exige que la probabilidad condicionada coincida exactamente con la probabilidad simple.

PASO 1

Caso A — Extracción con reemplazamiento.

En la baraja hay 10 cartas de oros sobre un total de 40 cartas:

$$P(O_1) = \frac{10}{40} = \frac{1}{4} = 0,25$$

Al devolver la primera carta, la composición de la baraja para la segunda extracción es idéntica a la inicial (10 oros de 40 cartas):

$$P(O_2 \mid O_1) = \frac{10}{40} = \frac{1}{4} = 0,25$$
$$P(O_2 \mid \overline{O_1}) = \frac{10}{40} = \frac{1}{4} = 0,25$$

Como \(P(O_2 \mid O_1) = P(O_2) = \frac{1}{4}\), el resultado de la primera extracción no influye en la segunda. Por tanto, con reemplazamiento los sucesos son estrictamente independientes.

PASO 2

Caso B — Extracción sin reemplazamiento.

Si la primera carta es oros y no se devuelve, quedan 9 oros en una baraja de 39 cartas:

$$P(O_2 \mid O_1) = \frac{9}{39} = \frac{3}{13} \approx 0,2308$$

Si la primera carta no fue de oros, quedan 10 oros en una baraja de 39 cartas:

$$P(O_2 \mid \overline{O_1}) = \frac{10}{39} \approx 0,2564$$

La probabilidad simple de que la segunda carta sea de oros por probabilidad total es:

$$P(O_2) = P(O_1) P(O_2 \mid O_1) + P(\overline{O_1}) P(O_2 \mid \overline{O_1}) = \frac{10}{40} \cdot \frac{9}{39} + \frac{30}{40} \cdot \frac{10}{39} = \frac{90 + 300}{1560} = \frac{390}{1560} = \frac{1}{4}$$

Como \(P(O_2 \mid O_1) = \frac{9}{39} \ne \frac{1}{4} = P(O_2)\), el resultado de la primera carta altera la probabilidad de la segunda. Por tanto, sin reemplazamiento los sucesos son dependientes.

Conclusión

En la extracción con reemplazamiento los sucesos son independientes (\(P(O_2 \mid O_1) = P(O_2) = \frac{1}{4}\)), mientras que sin reemplazamiento son dependientes (\(P(O_2 \mid O_1) = \frac{3}{13} \ne \frac{1}{4}\)).