0.14 0.14 Teorema de la Probabilidad Total

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Partición del espacio muestral

Se dice que una colección de sucesos \(\{A_1, A_2, \dots, A_n\} \) constituye una partición del espacio muestral \(E \) si:

• Son incompatibles dos a dos: $$A_i \cap A_j = \emptyset \quad \forall i \ne j $$

• Su unión recubre todo el espacio: \(A_1 \cup A_2 \cup \dots \cup A_n = E \)

• Todos tienen probabilidad no nula: \(P(A_i) > 0 \)

📝 Ejemplo:

En una urna con bolas de tres colores (rojas, azules y verdes), los sucesos «bola roja», «bola azul» y «bola verde» forman una partición: son incompatibles dos a dos y su unión es todo el espacio muestral.

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Enunciado del teorema de la probabilidad total

Si \(\{A_1, A_2, \dots, A_n\} \) es una partición de \(E \), para cualquier suceso \(B \subset E \), su probabilidad se calcula sumando las probabilidades de las diferentes vías que lo producen:

$$P(B) = \sum_{i=1}^n P(A_i) \cdot P(B|A_i) = P(A_1)P(B|A_1) + P(A_2)P(B|A_2) + \dots + P(A_n)P(B|A_n) $$
📝 Ejemplo:

Si el 70 % de los tornillos los hace la máquina M1 (con un 1 % de defectuosos) y el 30 % la máquina M2 (con un 4 %), la probabilidad total de defecto es $$0,7 \cdot 0,01 + 0,3 \cdot 0,04 = 0,007 + 0,012 = 0,019 $$

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Demostración del teorema de la probabilidad total

La demostración usa solo la definición de partición, la propiedad distributiva, la aditividad finita y la regla de la multiplicación.

Como \(A \) es un suceso, \(A \subseteq \Omega \), luego $$A = A \cap \Omega = A \cap (B_1 \cup \cdots \cup B_n) $$

Por la propiedad distributiva de la sección 0.3, $$A = (A \cap B_1) \cup \cdots \cup (A \cap B_n) $$: todo resultado de \(A \) está en exactamente uno de los trozos.

Estas intersecciones son incompatibles dos a dos:

para \(i \neq j \), $$(A \cap B_i) \cap (A \cap B_j) = A \cap (B_i \cap B_j) = A \cap \emptyset = \emptyset $$, porque los \(B_i \) son incompatibles.

Por aditividad finita, $$P(A) = P(A \cap B_1) + \cdots + P(A \cap B_n) $$

Aplicando a cada término la regla de la multiplicación, \(P(A \cap B_i) = P(A|B_i) \cdot P(B_i) \), que está bien definida porque \(P(B_i) > 0 \) por hipótesis, se obtiene el enunciado.

📝 Ejemplo:

Elegir al azar entre la urna \(1 \) y la urna \(2 \) define la partición \(B_1 = \text{elegir la urna 1} \), \(B_2 = \text{elegir la urna 2} \): son incompatibles (se elige una sola urna) y cubren todo el espacio, con \(P(B_1) = P(B_2) = \frac{1}{2} \)

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Visualización con diagramas de árbol

El teorema se visualiza muy bien con un diagrama de árbol: la primera ramificación representa la partición, con ramas de probabilidad \(P(B_i) \), y la segunda ramificación representa las probabilidades condicionadas \(P(A|B_i) \)

La probabilidad total de \(A \) es la suma de los productos de probabilidades a lo largo de todas las ramas que terminan en \(A \)

📝 Ejemplo 1: Probabilidad total de defecto con tres máquinas

Una fábrica produce piezas con tres máquinas: M1 fabrica el 50 % de las piezas, M2 el 30 % y M3 el 20 %.

El porcentaje de piezas defectuosas es del 2 % en M1, del 3 % en M2 y del 5 % en M3.

Halla la probabilidad de que una pieza elegida al azar sea defectuosa.

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por identificar la partición del espacio muestral formada por las tres máquinas.

A continuación escribiremos las probabilidades a priori y las verosimilitudes de defecto de cada máquina.

Para terminar aplicaremos el teorema de la probabilidad total con tres sumandos y realizaremos los cálculos vía a vía.

👉 PASO 1

Partición y datos del problema.

Los sucesos \(M_1 \), \(M_2 \) y \(M_3 \), "la pieza procede de la máquina 1, 2 o 3", son incompatibles dos a dos y su unión es todo el espacio muestral, luego forman una partición.

Sea \(D \) el suceso "la pieza es defectuosa".

Los datos son:

$$P(M_1) = 0,50, \quad P(M_2) = 0,30, \quad P(M_3) = 0,20 $$
$$P(D \mid M_1) = 0,02, \quad P(D \mid M_2) = 0,03, \quad P(D \mid M_3) = 0,05 $$
👉 PASO 2

Aplicación del teorema de la probabilidad total.

El teorema con tres elementos de la partición da:

$$P(D) = P(M_1) \cdot P(D \mid M_1) + P(M_2) \cdot P(D \mid M_2) + P(M_3) \cdot P(D \mid M_3) $$

Sustituyendo los valores:

$$P(D) = 0,50 \cdot 0,02 + 0,30 \cdot 0,03 + 0,20 \cdot 0,05 = 0,010 + 0,009 + 0,010 = 0,029 $$
✅ Conclusión

La probabilidad de que una pieza elegida al azar sea defectuosa es 0,029, es decir, un 2,9 %.

📝 Ejemplo 2: Probabilidad total con dos urnas y elección al azar

La urna 1 contiene 4 bolas rojas y 6 negras, y la urna 2 contiene 7 bolas rojas y 3 negras.

Se lanza una moneda equilibrada para elegir la urna y después se extrae una bola de la urna elegida.

Calcula la probabilidad de que la bola extraída sea roja.

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por identificar la partición formada por la elección de cada urna, con sus probabilidades a priori dadas por la moneda equilibrada.

A continuación calcularemos las verosimilitudes de extraer bola roja en cada urna con la regla de Laplace.

Para terminar aplicaremos el teorema de la probabilidad total a las dos vías que producen una bola roja.

👉 PASO 1

Partición y probabilidades a priori.

Sean \(U_1 \) el suceso "se elige la urna 1" y \(U_2 \) el suceso "se elige la urna 2".

Como la moneda es equilibrada:

$$P(U_1) = \frac{1}{2}, \quad P(U_2) = \frac{1}{2} $$

Los sucesos \(U_1 \) y \(U_2 \) son incompatibles y cubren todas las posibilidades, luego forman una partición del espacio muestral.

👉 PASO 2

Verosimilitudes en cada urna.

Sea \(R \) el suceso "la bola extraída es roja".

Por la regla de Laplace, en la urna 1 hay 4 rojas de 10 bolas y en la urna 2 hay 7 rojas de 10 bolas:

$$P(R \mid U_1) = \frac{4}{10} = 0,4, \quad P(R \mid U_2) = \frac{7}{10} = 0,7 $$
👉 PASO 3

Aplicación del teorema de la probabilidad total.

$$P(R) = P(U_1) \cdot P(R \mid U_1) + P(U_2) \cdot P(R \mid U_2) = \frac{1}{2} \cdot \frac{4}{10} + \frac{1}{2} \cdot \frac{7}{10} = \frac{1}{2} \cdot (0,4 + 0,7) = \frac{1,1}{2} = 0,55 $$
✅ Conclusión

La probabilidad de extraer una bola roja es 0,55, es decir, un 55 %.

📝 Ejemplo 3: Probabilidad total de ausencia en dos turnos laborales

En una empresa, el turno de mañana agrupa al 60 % del personal y tiene una tasa de ausencias del 5 %, mientras que el turno de tarde agrupa al 40 % del personal con una tasa de ausencias del 8 %.

Calcula la probabilidad de que un trabajador elegido al azar esté ausente.

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por identificar la partición formada por los dos turnos.

A continuación escribiremos las probabilidades a priori de cada turno y las verosimilitudes de ausencia condicionadas.

Para terminar aplicaremos el teorema de la probabilidad total sumando las dos vías que producen una ausencia.

👉 PASO 1

Partición y datos.

Sean \(T_M \) el suceso "el trabajador es del turno de mañana" y \(T_T \) el suceso "el trabajador es del turno de tarde"; forman una partición porque cada trabajador pertenece a un solo turno.

Sea \(A \) el suceso "el trabajador está ausente".

Los datos son:

$$P(T_M) = 0,60, \quad P(T_T) = 0,40 $$
$$P(A \mid T_M) = 0,05, \quad P(A \mid T_T) = 0,08 $$
👉 PASO 2

Aplicación del teorema de la probabilidad total.

$$P(A) = P(T_M) \cdot P(A \mid T_M) + P(T_T) \cdot P(A \mid T_T) = 0,60 \cdot 0,05 + 0,40 \cdot 0,08 = 0,030 + 0,032 = 0,062 $$
✅ Conclusión

La probabilidad de ausencia de un trabajador elegido al azar es 0,062, es decir, un 6,2 %.

📝 Ejemplo 4: Probabilidad total de defecto con dos máquinas

Una fábrica tiene dos máquinas M1 y M2 que producen el 60 % y el 40 % de los artículos, con tasas de defecto del 2 % y del 5 % respectivamente.

Calcula la probabilidad de que un artículo elegido al azar sea defectuoso.

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por comprobar que las dos máquinas forman una partición del espacio muestral, ya que cada artículo procede de una sola máquina.

A continuación identificaremos las probabilidades a priori de cada máquina y las verosimilitudes de defecto condicionadas a cada una.

Para terminar aplicaremos el teorema de la probabilidad total sumando las dos vías que producen un artículo defectuoso.

👉 PASO 1

La partición del espacio muestral.

Sea \(M_1 \) el suceso "el artículo procede de la máquina 1" y \(M_2 \) el suceso "el artículo procede de la máquina 2".

Cada artículo es fabricado por una sola máquina, luego \(M_1 \cap M_2 = \emptyset \), y entre las dos cubren toda la producción: \(M_1 \cup M_2 = E \)

Por tanto, \(\{M_1, M_2\} \) es una partición del espacio muestral y se puede aplicar el teorema.

👉 PASO 2

Probabilidades a priori y verosimilitudes.

Las proporciones de producción son las probabilidades a priori:

$$P(M_1) = 0,60 $$
$$P(M_2) = 0,40 $$

Sea \(D \) el suceso "el artículo es defectuoso".

Las tasas de defecto son las verosimilitudes:

$$P(D \mid M_1) = 0,02 $$
$$P(D \mid M_2) = 0,05 $$
👉 PASO 3

Aplicación del teorema de la probabilidad total.

El teorema afirma que $$P(D) = P(M_1) \cdot P(D \mid M_1) + P(M_2) \cdot P(D \mid M_2) $$, es decir, la suma de las probabilidades de las dos vías que producen un defecto.

Sustituyendo:

$$P(D) = 0,60 \cdot 0,02 + 0,40 \cdot 0,05 = 0,012 + 0,020 = 0,032 $$
✅ Conclusión

La probabilidad de que un artículo elegido al azar sea defectuoso es 0,032, es decir, un 3,2 %.

📝 Ejemplo:

Con las dos urnas del ejemplo anterior, el teorema descompone el suceso \(A = \text{extraer roja} \) según la urna elegida: $$P(A) = P(A|B_1)P(B_1) + P(A|B_2)P(B_2) = \frac{3}{10} \cdot \frac{1}{2} + \frac{6}{10} \cdot \frac{1}{2} = \frac{9}{20} $$