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Tema 5: Principales Distribuciones de Probabilidad - Estadística. 4º ...

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<strong>Tema</strong> 5: <strong>Principales</strong> <strong>Distribuciones</strong> <strong>de</strong> <strong>Probabilidad</strong><br />

<strong>Estadística</strong>. 4 o Curso.<br />

Licenciatura en Ciencias Ambientales<br />

Licenciatura en Ciencias Ambientales (4 o Curso) <strong>Tema</strong> 5: <strong>Principales</strong> <strong>Distribuciones</strong> <strong>de</strong> <strong>Probabilidad</strong> Curso 2009-2010 1 / 17


Índice<br />

1 Distribución uniforme discreta<br />

2 Distribución binomial<br />

3 Distribución uniforme continua<br />

4 Distribución normal<br />

5 <strong>Distribuciones</strong> chi-cuadrado, t <strong>de</strong> Stu<strong>de</strong>nt y F <strong>de</strong> Sne<strong>de</strong>cor<br />

Licenciatura en Ciencias Ambientales (4 o Curso) <strong>Tema</strong> 5: <strong>Principales</strong> <strong>Distribuciones</strong> <strong>de</strong> <strong>Probabilidad</strong> Curso 2009-2010 2 / 17


Distribución uniforme discreta<br />

Es la distribución <strong>de</strong> probabilidad se asocia a variables cuyos posibles valores tienen<br />

todos la misma probabilidad. Si una variable aleatoria X cuyos posibles valores son<br />

x1, . . . , xn, tiene distribución uniforme discreta entonces<br />

P(X = x1) = P(X = x2) = · · · = P(X = xn) = 1<br />

n<br />

Intuitivamente, esta variable está asociada al experimento similares al <strong>de</strong> elegir al azar<br />

un número entre 1 y n sin disponer <strong>de</strong> ninguna información adicional.<br />

µ = x1 + · · · + xn<br />

n<br />

= ¯x , σ 2 = (x1 − µ) 2 + · · · + (xn − µ) 2<br />

n<br />

Licenciatura en Ciencias Ambientales (4 o Curso) <strong>Tema</strong> 5: <strong>Principales</strong> <strong>Distribuciones</strong> <strong>de</strong> <strong>Probabilidad</strong> Curso 2009-2010 3 / 17


Distribución binomial<br />

Distribución <strong>de</strong> Bernoulli <strong>de</strong> parámetro p<br />

Es la distribución <strong>de</strong> probabilidad que se asocia a variables que sólo toman dos<br />

valores, el 0 y el 1.<br />

P(X = 1) = p , P(X = 0) = 1 − p , 0 < p < 1<br />

Intuitivamente, una variable dicotómica ó <strong>de</strong> Bernoulli aparece asociada a un<br />

experimento éxito-fracaso, don<strong>de</strong> 1 representa el éxito y 0 el fracaso.<br />

µ = p , σ 2 = p(1 − p)<br />

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Distribución binomial<br />

<strong>Distribuciones</strong> binomial <strong>de</strong> parámetros n y p (B(n, p))<br />

Es la distribución <strong>de</strong> probabilidad que se asocia a variables que toman los valores<br />

0, 1, . . . , n con probabilida<strong>de</strong>s<br />

<br />

n<br />

P(X = i) = p<br />

i<br />

i (1 − p) n−i<br />

, i = 0, . . . , n , 0 < p < 1<br />

Intuitivamente, una variable binomial mo<strong>de</strong>liza el recuento <strong>de</strong>l número <strong>de</strong> éxitos al<br />

repetir n veces un experimento éxito-fracaso (<strong>de</strong> Bernoulli) <strong>de</strong> parámetro p.<br />

µ = np , σ 2 = np(1 − p)<br />

Licenciatura en Ciencias Ambientales (4 o Curso) <strong>Tema</strong> 5: <strong>Principales</strong> <strong>Distribuciones</strong> <strong>de</strong> <strong>Probabilidad</strong> Curso 2009-2010 5 / 17


Distribución binomial<br />

Ejemplo 1<br />

Con objeto <strong>de</strong> estudiar el número <strong>de</strong> salmones <strong>de</strong> cierto río que llegan vivos al mar se<br />

marca el 20% <strong>de</strong> la camada en el lugar <strong>de</strong> nacimiento. Posteriormente, en una estación<br />

<strong>de</strong> seguimiento río abajo, se registra el paso <strong>de</strong> 10 salmones <strong>de</strong> dicha camada. ¿Cuál<br />

es la probabilidad <strong>de</strong> que se registren 3 <strong>de</strong> los marcados? ¿Y con qué probabilidad se<br />

registrarán 2 ó menos <strong>de</strong> los marcados?<br />

X ≡ número <strong>de</strong> salmones marcados que se registran ∼ B(10, 0.2)<br />

P(X = 3) =<br />

10<br />

3<br />

<br />

0.2 3 0.8 7 = 10!<br />

3! 7! 0.23 0.8 7 = 0.2013<br />

P(X ≤ 2) =P(X = 0) + P(X = 1) + P(X = 2)<br />

=0.1074 + 0.2684 + 0.3020 = 0.6778<br />

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Distribución uniforme continua<br />

<strong>Distribuciones</strong> Uniforme Continua en el intervalo [a, b] (U[a, b])<br />

Es la distribución <strong>de</strong> probabilidad que se asocia a variables aleatorias que pue<strong>de</strong>n<br />

tomar cualquier valor en el intervalo [a, b] y cuya función <strong>de</strong> <strong>de</strong>nsidad es:<br />

f (x) = 1<br />

b − a<br />

, x ∈ [a, b]<br />

Intuitivamente, es la distribución <strong>de</strong> probabilidad que se asocia a experimentos<br />

similares a elegir un número al azar entre los valores a y b. La gráfica <strong>de</strong> su función<br />

<strong>de</strong> <strong>de</strong>nsidad es<br />

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5<br />

U[2,6]<br />

● ●<br />

0 2 4 6 8 10<br />

x<br />

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Distribución normal<br />

Distribución normal <strong>de</strong> parámetros µ y σ (N(µ, σ))<br />

Es la distribución <strong>de</strong> probabilidad que viene <strong>de</strong>terminada por la siguiente función <strong>de</strong><br />

<strong>de</strong>nsidad, <strong>de</strong>finida en toda la recta real:<br />

f (x) = 1<br />

σ √ 2π e−(x−µ)2 /2σ 2<br />

, −∞ < x < ∞<br />

Intuitivamente, es la distribución <strong>de</strong> probabilidad que se asume para una variable<br />

cuyos posibles valores se disponen <strong>de</strong> forma simétrica en torno a su media <strong>de</strong> modo<br />

que los valores próximos a dicha media tendrán mayor probabilidad <strong>de</strong> ser<br />

alcanzados. Conforme más alejados estén <strong>de</strong> la media, los valores tienen menor<br />

probabilidad <strong>de</strong> ser alcanzados.<br />

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Distribución normal<br />

Distribución normal <strong>de</strong> parámetros µ y σ (N(µ, σ))<br />

La gráfica <strong>de</strong> la función <strong>de</strong> <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong> la distribución normal es la <strong>de</strong>nominada<br />

campana <strong>de</strong> Gauss y se representa <strong>de</strong>l siguiente modo:<br />

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20<br />

N(2,2)<br />

−4 −2 0 2 4 6 8<br />

x<br />

Los parámetros <strong>de</strong> esta distribución<br />

son la media, µ, que es el eje <strong>de</strong> simetría<br />

<strong>de</strong> la gráfica, y la <strong>de</strong>sviación<br />

típica σ.<br />

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Distribución normal<br />

Distribución normal <strong>de</strong> parámetros µ y σ (N(µ, σ))<br />

En el siguiente gráfico se ve la variación que se produce en la gráfica <strong>de</strong> la normal<br />

cuando cambiamos su media y su <strong>de</strong>sviación típica:<br />

0.0 0.2 0.4<br />

0.0 0.2 0.4<br />

N(0, 1)<br />

−4 −2 0 2 4<br />

N(2, 1)<br />

−4 −2 0 2 4<br />

0.00 0.10 0.20<br />

0.00 0.10 0.20<br />

N(0, 2)<br />

−4 −2 0 2 4<br />

N(2, 2)<br />

−4 −2 0 2 4<br />

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Distribución normal<br />

Distribución normal <strong>de</strong> media 0 y <strong>de</strong>sviación típica 1 (N(0, 1))<br />

La distribución N(µ, σ) se pue<strong>de</strong> relacionar con la distribución N(0, 1), mediante el<br />

siguiente proceso al que se <strong>de</strong>nomina tipificación o estandarización:<br />

X ∼ N(µ, σ) ⇒ Z =<br />

X − µ<br />

σ<br />

∼ N(0, 1)<br />

A la distribución N(0, 1) se le <strong>de</strong>nomina Normal Estándar.<br />

Aproximación <strong>de</strong> la Binomial por la Normal<br />

Cuando n > 30 po<strong>de</strong>mos aproximar la distribución binomial <strong>de</strong> parámetros n, p por la<br />

Normal <strong>de</strong> media np y <strong>de</strong>sviación típica np(1 − p).<br />

B(n, p) ≈ N(np, np(1 − p))<br />

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Distribución normal<br />

Distribución normal <strong>de</strong> media 0 y <strong>de</strong>sviación típica 1 (N(0, 1))<br />

Como ya dijimos anteriormente, la distribución N(0, 1) es simétrica respecto al 0, es<br />

<strong>de</strong>cir, si Z ∼ N(0, 1)<br />

P(Z ≤ x) = P(Z ≥ −x)<br />

Gráficamente, las siguientes áreas son idénticas:<br />

x 0 0 −x<br />

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Distribución normal<br />

Ejemplo 2<br />

La vida <strong>de</strong> un semiconductor láser a una potencia constante se distribuye<br />

normalmente con media 7000 horas y <strong>de</strong>sviación típica 600 horas. ¿Cuál es la<br />

probabilidad <strong>de</strong> que la vida <strong>de</strong>l láser esté entre 6280 y 7120 horas?<br />

X ≡ vida <strong>de</strong>l semiconductor (en horas) ∼ N(7000, 600)<br />

Tipificación:<br />

Z =<br />

X − 7000<br />

600<br />

∼ N(0, 1) ,<br />

6280 − 7000<br />

600<br />

= −1.2 ,<br />

P(6280 ≤ X ≤ 7120) = P(−1.2 ≤ Z ≤ 0.2)<br />

7120 − 7000<br />

600<br />

=P(Z ≤ 0.2) − P(Z ≤ −1.2) = 0.5793 − 0.1151 = 0.4642<br />

= 0.2<br />

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Distribución normal<br />

Ejemplo 2 (continuación)<br />

Veamos una interpretación gráfica <strong>de</strong>l cálculo anterior. La probabilidad que tenemos<br />

que calcular es igual al siguiente área:<br />

P(− 1.2 ≤ Z ≤ 0.2)<br />

−1.2<br />

Dicho recinto está incluido en el <strong>de</strong>l gráfico que aparece a la izquierda. La parte que<br />

sobra es precisamente la que está sombreada en el gráfico <strong>de</strong> la <strong>de</strong>recha:<br />

P(Z ≤ 0.2)<br />

0.2<br />

0.2<br />

P(Z ≤ − 1.2)<br />

P(−1.2 ≤ Z ≤ 0.2) = P(Z ≤ 0.2) − P(Z ≤ −1.2)<br />

Licenciatura en Ciencias Ambientales (4 o Curso) <strong>Tema</strong> 5: <strong>Principales</strong> <strong>Distribuciones</strong> <strong>de</strong> <strong>Probabilidad</strong> Curso 2009-2010 14 / 17<br />

−1.2


<strong>Distribuciones</strong> chi-cuadrado, t <strong>de</strong> Stu<strong>de</strong>nt y F <strong>de</strong> Sne<strong>de</strong>cor<br />

Distribución chi-cuadrado (χ 2 (n))<br />

La distribución <strong>de</strong> probabilidad chi-cuadrado con n grados <strong>de</strong> libertad (χ 2 (n)) es la<br />

asociada a una variable aleatoria que se obtiene como suma <strong>de</strong> los cuadrados <strong>de</strong> n<br />

variables in<strong>de</strong>pendientes con distribución N(0, 1).<br />

Por tanto, esta distribución sólo toma valores positivos y a<strong>de</strong>más su función <strong>de</strong><br />

<strong>de</strong>nsidad es muy compleja. En el siguiente gráfico aparecen representadas las<br />

funciones <strong>de</strong> <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong> una χ 2 (3) (línea continua) y una χ 2 (5) (línea discontinua):<br />

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25<br />

χ 2 (3) y χ 2 (5)<br />

0 2 4 6 8 10<br />

Intuitivamente, esta distribución es <strong>de</strong> utilidad para obtener información <strong>de</strong> la varianza<br />

poblacional a partir <strong>de</strong> un conjunto <strong>de</strong> datos extraídos <strong>de</strong> una variable normal.<br />

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<strong>Distribuciones</strong> chi-cuadrado, t <strong>de</strong> Stu<strong>de</strong>nt y F <strong>de</strong> Sne<strong>de</strong>cor<br />

Distribución t <strong>de</strong> Stu<strong>de</strong>nt (t(n))<br />

La distribución <strong>de</strong> probabilidad t <strong>de</strong> Stu<strong>de</strong>nt con n grados <strong>de</strong> libertad (t(n)) es la<br />

asociada a una variable aleatoria que se obtiene a partir <strong>de</strong>l cociente <strong>de</strong> una variable<br />

N(0, 1) y la raíz cuadrada <strong>de</strong> una variable χ 2 (n).<br />

Por tanto, esta distribución pue<strong>de</strong> tomar cualquier valor real. Su función <strong>de</strong> <strong>de</strong>nsidad<br />

es muy compleja y su gráfica es parecida a la <strong>de</strong> la distribución N(0, 1). En el<br />

siguiente gráfico aparecen representadas las función <strong>de</strong> <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong> una t(4):<br />

0.0 0.1 0.2 0.3<br />

t(4)<br />

−4 −2 0 2 4<br />

Intuitivamente, esta distribución es <strong>de</strong> utilidad para obtener información o establecer<br />

comparaciones entre las medias poblacionales a partir <strong>de</strong> uno o dos conjuntos <strong>de</strong><br />

datos Licenciaturaextraídos en Ciencias Ambientales <strong>de</strong> una (4 variable normal.<br />

o Curso) <strong>Tema</strong> 5: <strong>Principales</strong> <strong>Distribuciones</strong> <strong>de</strong> <strong>Probabilidad</strong> Curso 2009-2010 16 / 17


<strong>Distribuciones</strong> chi-cuadrado, t <strong>de</strong> Stu<strong>de</strong>nt y F <strong>de</strong> Sne<strong>de</strong>cor<br />

Distribución F <strong>de</strong> Sne<strong>de</strong>cor (F(n, m))<br />

La distribución <strong>de</strong> probabilidad F <strong>de</strong> Sne<strong>de</strong>cor con n y m grados <strong>de</strong> libertad (F(n, m))<br />

es la asociada a una variable aleatoria que se obtiene a partir <strong>de</strong>l cociente <strong>de</strong> una dos<br />

variables chi-cuadrado con n y m grados <strong>de</strong> libertad respectivamente.<br />

Por tanto, esta distribución sólo tomar valores positivos. Su función <strong>de</strong> <strong>de</strong>nsidad es<br />

muy compleja y su gráfica es parecida a la <strong>de</strong> la distribución chi-cuadrado. En el<br />

siguiente gráfico aparecen representada las función <strong>de</strong> <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong> una F(3, 6):<br />

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7<br />

F(3,5)<br />

0 2 4 6 8 10<br />

Intuitivamente, esta distribución es <strong>de</strong> utilidad para establecer comparaciones entre las<br />

varianzas poblacionales a partir <strong>de</strong> dos conjuntos <strong>de</strong> datos extraídos <strong>de</strong> una variable<br />

normal.<br />

Licenciatura en Ciencias Ambientales (4 o Curso) <strong>Tema</strong> 5: <strong>Principales</strong> <strong>Distribuciones</strong> <strong>de</strong> <strong>Probabilidad</strong> Curso 2009-2010 17 / 17

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