4.8 4.8 Sucesos compatibles e incompatibles

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1

Definición y distinción clave

- Sucesos incompatibles (mutuamente excluyentes): No pueden ocurrir simultáneamente.

Su intersección es vacía:

$$A \cap B = \emptyset \implies P(A \cap B) = 0 $$

- Sucesos compatibles: Pueden ocurrir a la vez en una misma realización del experimento:

$$A \cap B \ne \emptyset \implies P(A \cap B) > 0 $$

¡ALERTA CONCEPTUAL!

Incompatibilidad \(\ne \) Independencia:

Si dos sucesos no imposibles (\(P(A)>0, P(B)>0 \)) son incompatibles (\(P(A \cap B) = 0 \)), entonces nunca son independientes , ya que \(P(A) \cdot P(B) > 0 \ne P(A \cap B) \)

Ejemplo:

En un dado, «sacar un 1» y «sacar un 6» son incompatibles (no pueden ocurrir a la vez), mientras que «sacar par» y «sacar mayor que 3» son compatibles: comparten el 4 y el 6, luego \(P(A \cap B) > 0 \)

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La intersección vacía como criterio

Ejemplo:

Al lanzar un dado, \(A = \{1\} \) y \(B = \{2,4, 6\} \) son incompatibles, porque \(A \cap B = \emptyset \): ningún resultado es a la vez un uno y un número par.

El criterio operativo es siempre el mismo: calcular la intersección.

Si la intersección contiene algún elemento, los sucesos son compatibles;

si la intersección es el conjunto vacío, son incompatibles.

Este criterio vale también para más de dos sucesos: una familia de sucesos es dos a dos incompatible cuando la intersección de cada pareja es vacía.

Un caso particular importante es el de un suceso y su contrario: \(A \) y \(A^c \) son siempre incompatibles, ya que \(A \cap A^c = \emptyset \) por definición de contrario.

3

Incompatibilidad no implica independencia

Ejemplo:

Al lanzar un dado, si \(A = \text{salir par} \), su contrario es \(A^c = \text{salir impar} \)

Siempre son incompatibles: \(A \cap A^c = \emptyset \), porque ningún resultado es par e impar a la vez.

Como ya advertimos en la sección 4.12, no debe confundirse la incompatibilidad con la independencia.

La incompatibilidad es una propiedad de los conjuntos: \(A \cap B = \emptyset \)

La independencia es una propiedad de las probabilidades: \(P(A \cap B) = P(A) \cdot P(B) \)

Si \(A \) y \(B \) son incompatibles y ambos tienen probabilidad positiva, entonces \(P(A \cap B) = 0 \) mientras que \(P(A) \cdot P(B) > 0 \), luego son dependientes: saber que ocurrió \(A \) nos garantiza que \(B \) no ha ocurrido.

Solo en el caso degenerado en que uno de los dos tenga probabilidad cero pueden ser a la vez incompatibles e independientes.

Ejemplo 1: Sucesos incompatibles en un dado

Al lanzar un dado equilibrado de 6 caras, considera los sucesos \(A \), "sacar un número menor que 3", y \(B \), "sacar un número mayor que 4".

Determina si son compatibles o incompatibles.

Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por escribir cada suceso como conjunto de resultados elementales.

A continuación calcularemos su intersección para ver si comparten algún resultado.

Para terminar aplicaremos la definición de incompatibilidad y obtendremos la probabilidad de la intersección.

PASO 1

Escritura de los sucesos como conjuntos.

El suceso "sacar un número menor que 3" está formado por los resultados 1 y 2, luego \(A = \{1,2\} \)

El suceso "sacar un número mayor que 4" está formado por los resultados 5 y 6, luego \(B = \{5,6\} \)

PASO 2

Cálculo de la intersección y conclusión.

Ningún resultado pertenece a la vez a ambos conjuntos, por lo que la intersección es el conjunto vacío:

$$A \cap B = \emptyset $$

Al no poder ocurrir simultáneamente, los sucesos \(A \) y \(B \) son incompatibles, y en consecuencia su probabilidad conjunta es nula:

$$P(A \cap B) = 0 $$
Conclusión

Los sucesos son incompatibles.

Ejemplo 2: Sucesos compatibles en una baraja española

Al extraer una carta de una baraja española de 40 cartas, considera los sucesos \(A \), "sacar una copa", y \(B \), "sacar un as".

Determina si son compatibles o incompatibles.

Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por identificar qué cartas pertenecen a cada suceso.

A continuación calcularemos la intersección de ambos sucesos buscando las cartas comunes a los dos.

Para terminar aplicaremos la definición de compatibilidad y calcularemos la probabilidad de la intersección con la regla de Laplace.

PASO 1

Identificación de las cartas de cada suceso.

El suceso \(A \) está formado por las 10 copas de la baraja y el suceso \(B \) por los 4 ases.

La carta "as de copas" es a la vez una copa y un as, luego pertenece a los dos sucesos.

PASO 2

Intersección de los sucesos y compatibilidad.

La intersección contiene exactamente esa carta común:

$$A \cap B = \{\text{as de copas}\} \ne \emptyset $$

Como la intersección no es vacía, ambos sucesos pueden ocurrir a la vez: son compatibles.

Por la regla de Laplace, con 40 cartas equiprobables:

$$P(A \cap B) = \frac{1}{40} $$

que es mayor que cero, como exige la definición de sucesos compatibles.

Conclusión

Los sucesos son compatibles, con probabilidad de intersección igual a 1/

40.

Ejemplo 3: Relación entre incompatibilidad e independencia

Sean dos sucesos A y B con P(A) = 0,3 y P(B) = 0,4, que además son incompatibles.

Determina si A y B son independientes.

Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por obtener la probabilidad de la intersección a partir de la hipótesis de incompatibilidad.

A continuación recordaremos la caracterización de la independencia mediante el producto de las probabilidades marginales.

Para terminar compararemos ambos valores y extraeremos la conclusión sobre la dependencia.

PASO 1

Probabilidad de la intersección por incompatibilidad.

Si dos sucesos son incompatibles, su intersección es vacía y por tanto su probabilidad es cero:

$$P(A \cap B) = 0 $$
PASO 2

Producto de las probabilidades marginales.

Dos sucesos no imposibles son independientes si y solo si la probabilidad de su intersección coincide con el producto de sus probabilidades.

Calculamos dicho producto:

$$P(A) \cdot P(B) = 0,3 \cdot 0,4 = 0,12 $$
PASO 3

Comparación y conclusión.

La probabilidad de la intersección es \(P(A \cap B) = 0 \), mientras que el producto de las marginales es \(P(A) \cdot P(B) = 0,12 \)

Como \(0 \ne 0,12 \), se tiene que \(P(A \cap B) \ne P(A) \cdot P(B) \), de modo que los sucesos no verifican la condición de independencia: son dependientes.

Queda así ilustrada la alerta conceptual de la sección: incompatibilidad no es lo mismo que independencia; de hecho, dos sucesos no imposibles incompatibles nunca son independientes.

Conclusión

A y B no son independientes, sino dependientes.

Ejemplo 4: Compatibilidad de colores en la urna y probabilidad de la unión

Una urna contiene bolas de tres colores: rojas, azules y verdes.

Se extrae una bola al azar.

Sean \(R \) el suceso salir bola roja, \(A \) el suceso salir bola azul y \(V \) el suceso salir bola verde.

Estudia la compatibilidad de cada pareja y calcula \(P(R \cup A) \) sabiendo que hay \(3 \) bolas rojas, \(2 \) azules y \(5 \) verdes.

Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por analizar la compatibilidad de las tres parejas de sucesos.

A continuación calcularemos las probabilidades individuales de cada suceso.

Para terminar obtendremos la probabilidad de la unión usando la propiedad de los sucesos incompatibles.

PASO 1

Compatibilidad de las parejas.

Cada extracción da una única bola de un único color, luego ningún resultado pertenece a dos de estos sucesos a la vez:

$$R \cap A = \emptyset $$
$$R \cap V = \emptyset $$
$$A \cap V = \emptyset $$

Las tres parejas son incompatibles: los sucesos son dos a dos mutuamente excluyentes.

Esta es la situación típica de una partición del espacio muestral por colores.

PASO 2

Probabilidades individuales.

La urna contiene \(3 + 2 + 5 = 10 \) bolas en total, todas equiprobables:

$$P(R) = \frac{3}{10} = 0,3 $$
$$P(A) = \frac{2}{10} = 0,2 $$
$$P(V) = \frac{5}{10} = 0,5 $$
PASO 3

Probabilidad de la unión de incompatibles.

Como \(R \) y \(A \) son incompatibles, el tercer axioma de Kolmogorov permite sumar directamente:

$$P(R \cup A) = P(R) + P(A) = 0,3 + 0,2 = 0,5 $$

Es decir, \(P(R \cup A) = 0,5 \)

Conclusión

Este ejemplo anticipa la fórmula de la unión de la sección 4.9: cuando los sucesos son incompatibles, la intersección tiene probabilidad cero y la fórmula general se reduce a la suma.

Ejemplo 5: La suma de probabilidades solo vale para sucesos incompatibles

Se lanza un dado equilibrado.

Sean \(P \) el suceso salir número par y \(M \) el suceso salir múltiplo de tres.

Calcula \(P(P \cup M) \) de dos formas: por conteo directo y comprobando si se puede sumar las probabilidades.

Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por escribir los dos sucesos y sus probabilidades individuales.

A continuación estudiaremos su intersección para decidir si son compatibles o incompatibles.

Para terminar calcularemos la probabilidad de la unión por conteo directo y analizaremos si la suma directa habría sido correcta.

PASO 1

Los sucesos y sus probabilidades.

\(P = \{2,4, 6\} \), luego \(P(P) = \frac{3}{6} = 0,5 \)
\(M = \{3,6\} \), luego \(P(M) = \frac{2}{6} = \frac{1}{3} \)
PASO 2

Estudio de la intersección.

\(P \cap M = \{6\} \), porque el seis es par y múltiplo de tres a la vez.

La intersección no es vacía: \(P \) y \(M \) son compatibles, luego el tercer axioma no se aplica directamente a su unión.

PASO 3

Cálculo de la probabilidad de la unión.

Por conteo directo: \(P \cup M = \{2,3, 4,6\} \), que tiene cuatro elementos de seis, luego \(P(P \cup M) = \frac{4}{6} = \frac{2}{3} \)

Si sumáramos directamente obtendríamos $$P(P) + P(M) = 0,5 + \frac{1}{3} = \frac{5}{6} $$, un valor incorrecto porque el seis se habría contado dos veces.

Conclusión

La probabilidad correcta es \(\frac{2}{3} \), no \(\frac{5}{6} \)

El tercer axioma solo autoriza sumar probabilidades cuando los sucesos son incompatibles; con sucesos compatibles hay que descontar la intersección.

Ejemplo 6: Incompatibilidad y compatibilidad en el lanzamiento de un dado

En el lanzamiento de un dado equilibrado de 6 caras: 1) Estudia si los sucesos \(A = \{1,2\} \) y \(B = \{5,6\} \) son compatibles o incompatibles.

2) Estudia si los sucesos \(A = \{2,4, 6\} \) (número par) y \(C = \{1,2, 3\} \) (número menor que 4) son compatibles o incompatibles.

Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por recordar que dos sucesos son incompatibles cuando su intersección es el conjunto vacío y compatibles cuando comparten al menos un resultado elemental.

A continuación calcularemos la intersección de cada pareja de sucesos para decidir en qué caso estamos.

Para terminar obtendremos la probabilidad de cada intersección con la regla de Laplace.

PASO 1

Los sucesos \(A = \{1,2\} \) y \(B = \{5,6\} \) son incompatibles.

Los resultados 1 y 2 no coinciden con ninguno de los resultados 5 y 6, de modo que no existe ningún resultado elemental común a ambos sucesos:

$$A \cap B = \emptyset $$

Como la intersección es vacía, los sucesos no pueden ocurrir simultáneamente: son incompatibles, y por tanto su probabilidad conjunta es nula:

$$P(A \cap B) = 0 $$
PASO 2

Los sucesos \(A = \{2,4, 6\} \) y \(C = \{1,2, 3\} \) son compatibles.

El resultado 2 pertenece tanto al suceso "número par" como al suceso "número menor que 4", luego la intersección no es vacía:

$$A \cap C = \{2\} \ne \emptyset $$

Como comparten el resultado 2, ambos sucesos pueden ocurrir a la vez en una misma realización del experimento: son compatibles, y por la regla de Laplace su intersección tiene probabilidad

$$P(A \cap C) = \frac{1}{6} $$

que es mayor que cero, como exige la definición de sucesos compatibles.

Conclusión

Los sucesos \(A = \{1,2\} \) y \(B = \{5,6\} \) son incompatibles, mientras que los sucesos \(A = \{2,4, 6\} \) y \(C = \{1,2, 3\} \) son compatibles.