2.1 2.1 Esperanza matemática de una variable aleatoria discreta

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2.1 Esperanza Matemática De Una Variable Aleatoria Discreta

📝 Ejemplo:

La esperanza del dado es \(3,5 \), pero ningún lanzamiento muestra tres coma cinco puntos: los valores posibles son solo los enteros del \(1 \) al \(6 \)

La esperanza es un promedio teórico, no un resultado observable.

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La variable aleatoria discreta y su función de probabilidad

📝 Ejemplo:

En esta sección veremos que la esperanza es una media ponderada por probabilidades: al lanzar un dado equilibrado, $$E(X) = \frac{1 \cdot 1 + 2 \cdot 1 + 3 \cdot 1 + 4 \cdot 1 + 5 \cdot 1 + 6 \cdot 1}{6} = \frac{21}{6} = 3,5 $$, un valor que el dado nunca muestra pero que es su centro de gravedad.

Una variable aleatoria discreta \(X \) es aquella que solo puede tomar un conjunto finito o numerable de valores aislados, que denotamos por \(x_1, x_2, \ldots, x_n \)

La función de probabilidad asigna a cada valor posible su probabilidad: \(p(x_i) \) es la probabilidad de que \(X \) tome el valor \(x_i \)

Esta función debe cumplir dos condiciones.

Primera, que ninguna probabilidad sea negativa: \(p(x_i) \geq 0 \)

Segunda, que la suma de todas las probabilidades sea igual a uno: \(\sum_{i=1}^{n} p(x_i) = 1 \)

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Definición de la esperanza matemática

📝 Ejemplo:

Si \(X \) es el número de caras en dos monedas, sus valores posibles son \(0 \), \(1 \) y \(2 \), con función de probabilidad \(p(0) = \frac{1}{4} \), \(p(1) = \frac{1}{2} \) y \(p(2) = \frac{1}{4} \), que son no negativas y suman uno.

La esperanza matemática de una variable aleatoria discreta, también llamada valor esperado o media de la distribución, se define como la suma de cada valor posible multiplicado por su probabilidad:

$$E(X) = \sum_{i=1}^{n} x_i \cdot p(x_i) $$

Obsérvese que la fórmula es exactamente la de una media ponderada, donde los pesos son las probabilidades de cada valor.

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Interpretación de la esperanza como valor medio a largo plazo

📝 Ejemplo:

Al lanzar un dado equilibrado, cada valor \(1 \) a \(6 \) tiene probabilidad \(\frac{1}{6} \), luego $$E(X) = \sum_{i=1}^{6} i \cdot \frac{1}{6} = \frac{1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6}{6} = \frac{21}{6} = 3,5 $$: cada valor ponderado por su probabilidad.

Si repetimos el experimento aleatorio un número muy grande de veces y calculamos la media aritmética de los valores observados, esa media se acerca cada vez más a la esperanza matemática.

Por eso la esperanza se interpreta como el valor medio que cabe esperar a largo plazo, es decir, como el centro de gravedad de la distribución de probabilidad.

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Propiedades de la esperanza

📝 Ejemplo:

Si lanzamos un dado mil veces y promediamos los resultados, obtendremos un valor próximo a \(3,5 \); con diez mil lanzamientos, aún más próximo.

La media observada se estabiliza alrededor de la esperanza: ese es su significado como valor medio a largo plazo.

La esperanza de una cantidad constante es la propia constante: \(E(c) = c \), puesto que una constante toma ese valor con probabilidad uno.

La propiedad más importante es la linealidad:

para cualesquiera constantes \(a \) y \(b \) se cumple que \(E(aX + b) = a \cdot E(X) + b \)

La demostración se obtiene aplicando la definición y separando la suma:

$$E(aX + b) = \sum_{i=1}^{n} (a \cdot x_i + b) \cdot p(x_i) = a \cdot \sum_{i=1}^{n} x_i \cdot p(x_i) + b \cdot \sum_{i=1}^{n} p(x_i) = a \cdot E(X) + b $$

Como casos particulares se obtienen \(E(X + b) = E(X) + b \) y \(E(aX) = a \cdot E(X) \)

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Observación: la esperanza no tiene por qué ser un valor posible

📝 Ejemplo:

Con \(X \) igual a la puntuación del dado, \(E(X) = 3,5 \), la linealidad da directamente \(E(2X + 3) = 2 \cdot 3,5 + 3 = 10 \), sin necesidad de calcular la distribución de \(2X + 3 \)

La esperanza es un promedio teórico y, en general, no coincide con ninguno de los valores que puede tomar la variable.

Lo veremos con claridad en el primer ejemplo: la esperanza del dado es tres coma cinco, un valor que el dado jamás muestra.

📝 Ejemplo 1: esperanza de los puntos obtenidos al lanzar un dado equilibrado

Sea \(X \) la variable que mide los puntos obtenidos al lanzar un dado equilibrado.

Calcula su esperanza matemática.

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por identificar los valores posibles de la variable y sus probabilidades.

A continuación aplicaremos la definición de esperanza como suma de valores por probabilidades.

Para terminar interpretaremos el resultado obtenido.

👉 PASO 1

Valores posibles y sus probabilidades.

Los valores posibles son uno, dos, tres, cuatro, cinco y seis.

Como el dado es equilibrado, todos son igual de probables, con probabilidad \(p = \frac{1}{6} \) cada uno.

👉 PASO 2

Aplicación de la definición de esperanza.

Sustituimos los valores y las probabilidades en la fórmula de la esperanza:

$$E(X) = 1 \cdot \frac{1}{6} + 2 \cdot \frac{1}{6} + 3 \cdot \frac{1}{6} + 4 \cdot \frac{1}{6} + 5 \cdot \frac{1}{6} + 6 \cdot \frac{1}{6} = \frac{1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6}{6} = 3,5 $$
✅ Conclusión

La esperanza es tres coma cinco.

Obsérvese que este valor no es un resultado posible del dado: es el valor medio que se obtendría al lanzar el dado un número muy grande de veces y promediar los puntos.

📝 Ejemplo 2: ganancia esperada en un juego de cara o cruz

Se lanza una moneda equilibrada:

si sale cara se ganan dos euros y si sale cruz se pierde un euro.

Sea \(X \) la ganancia obtenida en una partida.

Calcula la ganancia media esperada por partida.

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por escribir la distribución de probabilidad de la ganancia.

A continuación aplicaremos la definición de esperanza.

Para terminar interpretaremos el signo del resultado para decidir si el juego es favorable al jugador.

👉 PASO 1

Distribución de probabilidad de la ganancia.

La variable toma el valor dos con probabilidad un medio, cuando sale cara, y el valor menos uno con probabilidad un medio, cuando sale cruz.

👉 PASO 2

Cálculo de la esperanza.

Aplicamos la definición multiplicando cada ganancia por su probabilidad:

$$E(X) = 2 \cdot \frac{1}{2} + (-1) \cdot \frac{1}{2} = 1 - \frac{1}{2} = \frac{1}{2} $$
✅ Conclusión

La ganancia media esperada es un medio de euro, es decir, cero coma cinco euros por partida.

Como el valor es positivo, el juego es favorable al jugador a largo plazo: jugando muchas partidas, el jugador ganaría en promedio medio euro por partida.

📝 Ejemplo 3: esperanza de una variable dada por una tabla y de su transformación lineal

Una variable aleatoria discreta toma los valores cero, uno, dos y tres con probabilidades cero coma dos, cero coma cinco, cero coma dos y cero coma uno, respectivamente.

Calcula la esperanza de \(X \) y la esperanza de \(Y = 2X + 5 \)

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por comprobar que las probabilidades suman uno.

A continuación calcularemos la esperanza de equis mayúscula aplicando la definición.

Para terminar obtendremos la esperanza de i griega mayúscula usando la propiedad de linealidad, sin necesidad de calcular su distribución.

👉 PASO 1

Comprobación de las probabilidades.

Sumamos las probabilidades dadas: cero coma dos más cero coma cinco más cero coma dos más cero coma uno es igual a uno, luego se trata de una función de probabilidad válida.

👉 PASO 2

Cálculo de la esperanza de equis mayúscula.

Aplicamos la definición:

$$E(X) = 0 \cdot 0,2 + 1 \cdot 0,5 + 2 \cdot 0,2 + 3 \cdot 0,1 = 0 + 0,5 + 0,4 + 0,3 = 1,2 $$
👉 PASO 3

Cálculo de la esperanza de i griega mayúscula mediante la linealidad.

Por la propiedad de linealidad de la esperanza:

$$E(Y) = E(2X + 5) = 2 \cdot E(X) + 5 = 2 \cdot 1,2 + 5 = 7,4 $$
✅ Conclusión

La esperanza de la variable transformada es siete coma cuatro, obtenida directamente a partir de la esperanza original sin calcular la distribución de i griega.