6.2 6.2 Distribución Chi-cuadrado

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6.2 Distribución chi-cuadrado

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Definición de la distribución chi-cuadrado

📝 Ejemplo:

En esta sección construiremos la distribución chi-cuadrado sumando cuadrados de normales estándar:

si \(Z_1, Z_2 \) son independientes \(N(0, 1) \), entonces \(Y = Z_1^2 + Z_2^2 \sim \chi^2_2 \), con esperanza \(2 \) y varianza \(4 \)

Sean \(X_1, X_2, \ldots, X_n \) un total de \(n \) variables aleatorias independientes e idénticamente distribuidas según una ley \(N(0, 1) \), y consideremos la variable aleatoria \(Y = X_1^2 + X_2^2 + \cdots + X_n^2 \)

A la distribución de la variable aleatoria \(Y \) se le denomina distribución chi-cuadrado con \(n \) grados de libertad, lo que se representa como \(Y \sim \chi^2_n \)

Observemos que, al ser una suma de cuadrados, la variable \(Y \) solo puede tomar valores no negativos.

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Esperanza y varianza

📝 Ejemplo:

Sean \(Z_1, Z_2, Z_3 \) independientes con distribución \(N(0, 1) \)

Entonces \(Y = Z_1^2 + Z_2^2 + Z_3^2 \sim \chi^2_3 \): la suma de tres cuadrados de normales estándar independientes.

Vamos a demostrar que la esperanza de esta distribución es \(n \), es decir, \(E[Y] = n \)

Recordemos la relación entre la varianza y el momento de orden dos: \(\mathrm{Var}[X_i] = E[X_i^2] - E[X_i]^2 \)

Como \(X_i \sim N(0, 1) \), tenemos que \(\mathrm{Var}[X_i] = 1 \) y que \(E[X_i] = 0 \)

Despejando de la relación anterior: $$E[X_i^2] = \mathrm{Var}[X_i] + E[X_i]^2 = 1 + 0^2 = 1 $$

Ahora aplicamos la linealidad de la esperanza a la suma que define a \(Y \): $$E[Y] = E\left[\sum_{i=1}^{n} X_i^2\right] = \sum_{i=1}^{n} E[X_i^2] = \sum_{i=1}^{n} 1 = n $$

Vamos a demostrar que la varianza de esta distribución es \(2n \), es decir, \(\mathrm{Var}[Y] = 2n \)

Como las variables \(X_1, X_2, \ldots, X_n \) son independientes, también lo son sus cuadrados, y la varianza de una suma de variables independientes es la suma de las varianzas: $$\mathrm{Var}[Y] = \sum_{i=1}^{n} \mathrm{Var}[X_i^2] $$

Ahora bien, \(\mathrm{Var}[X_i^2] = E[X_i^4] - E[X_i^2]^2 \)

Se puede demostrar (por integración por partes de la densidad normal) que el momento de orden cuatro de la normal estándar es \(E[X_i^4] = 3 \)

Sustituyendo el valor \(E[X_i^2] = 1 \) obtenido en el

paso anterior: \(\mathrm{Var}[X_i^2] = 3 - 1^2 = 2 \)

Por tanto, \(\mathrm{Var}[Y] = \sum_{i=1}^{n} 2 = 2n \)

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Percentiles y puntos críticos

📝 Ejemplo:

Si \(Y \sim \chi^2_5 \), entonces \(E[Y] = 5 \) y \(\mathrm{Var}[Y] = 2 \cdot 5 = 10 \)

Cada sumando \(Z_i^2 \) aporta esperanza \(1 \) y varianza \(2 \), y al ser independientes se suman.

Sea \(\alpha \in (0, 1) \)

Mediante \(\chi^2_{n,\alpha} \) representaremos a aquel \(x \in \mathbb{R} \) tal que $$\chi^2_{n,\alpha} = x \iff P(\chi^2_n \leq x) = \alpha $$

Es decir, el percentil de nivel \(\alpha \) es el valor que deja a su izquierda una probabilidad acumulada exactamente igual a \(\alpha \)

Estos valores están tabulados y los usaremos constantemente en estimación por intervalos y contrastes de hipótesis.

📝 Ejemplo 1:

Para X ~ χ²₂₀, hallar el percentil o punto crítico de nivel α = 0,

9

5.

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por identificar los grados de libertad y el nivel pedido.

A continuación buscaremos el valor en la tabla de la distribución chi-cuadrado.

Para terminar interpretaremos el resultado en términos de probabilidad acumulada.

👉 PASO 1

Identificación de grados de libertad y nivel.

La variable sigue una ley chi-cuadrado con \(n = 20 \) grados de libertad, y el nivel pedido es \(\alpha = 0,95 \)

Buscamos por tanto \(\chi^2_{20,0,95} \)

👉 PASO 2

Lectura en la tabla.

Entrando en la tabla de la distribución chi-cuadrado con \(20 \) grados de libertad en la columna de nivel \(0,95 \), obtenemos \(\chi^2_{20,0,95} = 31,410 \)

👉 PASO 3

Interpretación probabilística.

Lo anterior significa que \(P[\chi^2_{20} \leq 31,410] = 0,95 \)

El valor \(31,410 \) deja a su izquierda el noventa y cinco por ciento de la probabilidad de la distribución.

📝 Ejemplo 2: Construcción directa de una chi-cuadrado

Sean \(Z_1, Z_2, Z_3 \) tres variables aleatorias independientes con distribución \(N(0, 1) \)

Se define \(Y = Z_1^2 + Z_2^2 + Z_3^2 \)

Identifica la distribución de \(Y \) y calcula su esperanza y su varianza.

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por reconocer la construcción de la definición: una suma de cuadrados de normales estándar independientes.

A continuación identificaremos los grados de libertad contando los sumandos.

Para terminar aplicaremos las fórmulas de la esperanza y la varianza de la chi-cuadrado.

👉 PASO 1

Identificación de la distribución.

La variable \(Y \) es la suma de los cuadrados de \(3 \) variables independientes con ley \(N(0, 1) \), luego por definición \(Y \sim \chi^2_3 \)

👉 PASO 2

Esperanza y varianza.

La esperanza de una chi-cuadrado es su número de grados de libertad y su varianza el doble:

$$E[Y] = 3 $$
$$\text{Var}(Y) = 2 \cdot 3 = 6 $$
✅ Conclusión

La variable \(Y \) sigue una distribución \(\chi^2_3 \), con esperanza \(3 \) y varianza \(6 \)

Este es el mecanismo por el que aparece la chi-cuadrado en la práctica: siempre que se sumen cuadrados de cantidades tipificadas independientes.

📝 Ejemplo 3: Suma de chi-cuadrados independientes

Sean \(U \sim \chi^2_4 \) y \(V \sim \chi^2_6 \) dos variables aleatorias independientes.

Se define \(W = U + V \)

Identifica la distribución de \(W \) y calcula su esperanza y su varianza.

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por escribir cada chi-cuadrado como suma de cuadrados de normales estándar independientes, usando su definición.

A continuación concatenaremos ambas sumas en una sola.

Para terminar identificaremos la distribución resultante y calcularemos sus momentos.

👉 PASO 1

Escritura como sumas de cuadrados.

Por definición, \(U \) es la suma de los cuadrados de \(4 \) variables \(N(0, 1) \) independientes, y \(V \) la de otros \(6 \)

Como \(U \) y \(V \) son independientes, las diez normales de partida son independientes entre sí, luego \(W = U + V \) es la suma de los cuadrados de \(4 + 6 = 10 \) normales estándar independientes.

👉 PASO 2

Distribución y momentos de la suma.

Por tanto \(W \sim \chi^2_{10} \): la suma de chi-cuadrados independientes es otra chi-cuadrado cuyos grados de libertad son la suma de los grados.

Su esperanza y su varianza son:

$$E[W] = 10 $$
$$\text{Var}(W) = 2 \cdot 10 = 20 $$

que coinciden con \(E[U] + E[V] = 4 + 6 = 10 \) y \(\text{Var}(U) + \text{Var}(V) = 8 + 12 = 20 \), como exige la independencia.

✅ Conclusión

La suma de chi-cuadrados independientes es chi-cuadrado con la suma de los grados de libertad: \(W \sim \chi^2_{10} \), con esperanza \(10 \) y varianza \(20 \)

Esta propiedad reproductiva es la que permite combinar información de varias muestras.

📝 Ejemplo 4: La cuasivarianza muestral y la chi-cuadrado

De una población normal con varianza \(\sigma^2 = 4 \) se extrae una muestra aleatoria simple de tamaño \(n = 10 \) y se obtiene una cuasivarianza muestral \(S_c^2 = 4,2 \)

Calcula el valor del estadístico \(\frac{(n-1)S_c^2}{\sigma^2} \) e identifica su distribución.

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por recordar la distribución del estadístico reescalado de la cuasivarianza en el muestreo normal.

A continuación sustituiremos los valores muestrales y el valor hipotético de la varianza.

Para terminar compararemos el valor obtenido con la esperanza de la distribución para interpretar el resultado.

👉 PASO 1

Distribución del estadístico.

En el muestreo de una población normal, $$\frac{(n-1)S_c^2}{\sigma^2} \sim \chi^2_{n-1} $$

Con \(n = 10 \), el estadístico sigue una \(\chi^2_9 \) si la varianza poblacional es realmente \(4 \)

👉 PASO 2

Valor con los datos muestrales.

Sustituyendo:

$$\frac{(n-1)S_c^2}{\sigma^2} = \frac{9 \cdot 4,2}{4} = \frac{37,8}{4} = 9,45 $$
👉 PASO 3

Interpretación.

La esperanza de una \(\chi^2_9 \) es \(9 \), y el valor obtenido, \(9,45 \), está muy próximo a ella.

La cuasivarianza observada es, por tanto, perfectamente compatible con una varianza poblacional de \(4 \): no hay nada anómalo en la dispersión de la muestra.

✅ Conclusión

El estadístico vale \(9,45 \) y sigue una \(\chi^2_9 \)

Este es el cálculo que está en la base del intervalo de confianza para la varianza y del contraste sobre la varianza que estudiaremos en el tema 7 y en el tema 9.