4.2.1 4.4 Distribuciones de probabilidad discretas

Enunciado del ejercicio

1. Variable aleatoria discreta y función de probabilidad Una variable aleatoria discreta \(X\) toma un número finito o infinito numerable de valores \(x_1, x_2, \dots\), cada uno con una probabilidad \(p_i = P(X = x_i)\) La función de probabilidad debe verificar dos condiciones: \(p_i \ge 0\) para todo \(i\) y \(\sum_i p_i = 1\) Ejemplo: Sea \(X\) el número de caras al lanzar dos monedas: toma los valores \(0, 1, 2\) con probabilidades \(P(X = 0) = \frac{1}{4}\), \(P(X = 1) = \frac{1}{2}\) y \(P(X = 2) = \frac{1}{4}\) Como cada probabilidad es no negativa y \(\frac{1}{4} + \frac{1}{2} + \frac{1}{4} = 1\), es una función de probabilidad válida. 2. Función de distribución La función de distribución \(F(x) = P(X \le x)\) acumula las probabilidades hasta el valor \(x\): \(F(x) = \sum_{x_i \le x} p_i\) Es una función escalonada, no decreciente, con \(F(x) \to 0\) por la izquierda y \(F(x) \to 1\) por la derecha. Ejemplo: Para la variable del número de caras en dos lanzamientos, \(F(1) = P(X \le 1) = \frac{1}{4} + \frac{1}{2} = \frac{3}{4}\) La función salta en cada valor posible: en \(x = 0\) sube \(\frac{1}{4}\), en \(x = 1\) sube \(\frac{1}{2}\) y en \(x = 2\) sube \(\frac{1}{4}\) hasta llegar a uno. 3. Esperanza y varianza La esperanza o media \(\mu = E(X)\) es el valor medio teórico: \(E(X) = \sum_i x_i \cdot p_i\) La varianza mide la dispersión respecto de la media: \(\text{Var}(X) = E(X^2) - [E(X)]^2 = \sum_i x_i^2 \cdot p_i - \mu^2\) La desviación típica es \(\sigma = \sqrt{\text{Var}(X)}\) Ejemplo: El número de caras en dos lanzamientos tiene esperanza \(E(X) = 0 \cdot \frac{1}{4} + 1 \cdot \frac{1}{2} + 2 \cdot \frac{1}{4} = 1\): en promedio sale una cara. Su varianza es \(Var(X) = E(X^2) - 1^2 = \left(0 \cdot \frac{1}{4} + 1 \cdot \frac{1}{2} + 4 \cdot \frac{1}{4}\right) - 1 = \frac{3}{2} - 1 = \frac{1}{2}\) Ejemplo 1: Función de probabilidad del dado Sea \(X\) la puntuación al lanzar un dado. Escribe su función de probabilidad y comprueba que es válida.

Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por listar los valores de la variable. A continuación asignaremos sus probabilidades. Para terminar comprobaremos las dos condiciones.

PASO 1

Valores y probabilidades.

\(X\) toma los valores \(1, 2, 3, 4, 5, 6\), cada uno con probabilidad:

$$p_i = P(X = x_i) = \frac{1}{6} \quad \text{para } i = 1, \dots, 6$$
PASO 2

Comprobación.

Cada \(p_i = \frac{1}{6} \ge 0\) y:

$$\sum_{i=1}^{6} p_i = 6 \cdot \frac{1}{6} = 1$$
Conclusión

La función de probabilidad es válida.

Ejemplo 2: Función de distribución del dado

Para la variable del ejemplo anterior calcula \(F(3,5)\) y \(P(2 < X \le 4)\)

Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por acumular las probabilidades hasta \(3,5\) A continuación usaremos la función de distribución para el intervalo.

PASO 1

Cálculo de F en 3,5.

$$F(3,5) = P(X \le 3,5) = P(X = 1) + P(X = 2) + P(X = 3) = \frac{3}{6} = \frac{1}{2}$$
PASO 2

Probabilidad del intervalo.

$$P(2 < X \le 4) = F(4) - F(2) = \frac{4}{6} - \frac{2}{6} = \frac{2}{6} = \frac{1}{3}$$
Conclusión

\(F(3,5) = \frac{1}{2}\) y la probabilidad del intervalo es \(\frac{1}{3}\)

Ejemplo 3: Media y varianza con tabla de probabilidades

Sea \(X\) una variable que toma los valores \(0, 1, 2, 3\) con probabilidades \(0,1\), \(0,3\), \(0,4\) y \(0,2\) respectivamente. Calcula \(E(X)\) y \(\text{Var}(X)\)

Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por comprobar que las probabilidades suman uno. A continuación calcularemos la esperanza. Para terminar calcularemos la varianza con la fórmula abreviada.

PASO 1

Comprobación.

$$0,1 + 0,3 + 0,4 + 0,2 = 1$$
PASO 2

Esperanza.

$$E(X) = 0 \cdot 0,1 + 1 \cdot 0,3 + 2 \cdot 0,4 + 3 \cdot 0,2 = 0 + 0,3 + 0,8 + 0,6 = 1,7$$
PASO 3

Varianza.

$$E(X^2) = 0^2 \cdot 0,1 + 1^2 \cdot 0,3 + 2^2 \cdot 0,4 + 3^2 \cdot 0,2 = 0 + 0,3 + 1,6 + 1,8 = 3,7$$
$$\text{Var}(X) = 3,7 - 1,7^2 = 3,7 - 2,89 = 0,81$$
Conclusión

\(E(X) = 1,7\), \(\text{Var}(X) = 0,81\) y \(\sigma = 0,9\)

Ejemplo 4: Esperanza y varianza del dado

Calcula la media y la varianza de la puntuación de un dado.

Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por calcular la esperanza. A continuación calcularemos \(E(X^2)\) Para terminar aplicaremos la fórmula de la varianza.

PASO 1

Esperanza.

$$E(X) = \frac{1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6}{6} = \frac{21}{6} = 3,5$$
PASO 2

Esperanza del cuadrado.

$$E(X^2) = \frac{1 + 4 + 9 + 16 + 25 + 36}{6} = \frac{91}{6}$$
PASO 3

Varianza.

$$\text{Var}(X) = \frac{91}{6} - 3,5^2 = \frac{91}{6} - \frac{49}{4} = \frac{182 - 147}{12} = \frac{35}{12}$$
Conclusión

\(E(X) = 3,5\) y \(\text{Var}(X) = \frac{35}{12}\), aproximadamente \(2,917\)

Ejemplo 5: Determinación del parámetro k

Una variable \(X\) toma los valores \(1, 2, 3, 4\) con probabilidades \(k\), \(2k\), \(3k\) y \(4k\) Halla \(k\) y calcula \(E(X)\)

Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por imponer que la suma de probabilidades sea uno. A continuación despejaremos \(k\) Para terminar calcularemos la esperanza.

PASO 1

Suma de probabilidades.

$$k + 2k + 3k + 4k = 10k = 1$$
PASO 2

Valor de k.

$$k = \frac{1}{10} = 0,1$$
PASO 3

Esperanza.

$$E(X) = 1 \cdot 0,1 + 2 \cdot 0,2 + 3 \cdot 0,3 + 4 \cdot 0,4 = 0,1 + 0,4 + 0,9 + 1,6 = 3$$
Conclusión

\(k = 0,1\) y \(E(X) = 3\)