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Lic. Mg. Manuel Tuesta Moreno 1 MANUEL TUESTA MORENO DOCENTE 1 PROBABILIDAD “vemos ... que la teoría de la probabilidad es en realidad únicamente el sentido común reducido a cálculo, nos hace apreciar con exactitud lo que las mentes razonadoras sienten por una especie de instinto, sin ser muchas veces capaces de expresarlo. Es notable que (esta) ciencia, que nació al estudiar los juegos de azar, haya venido a constituir el objeto más importante del conocimiento humano.” Pierre Simón Laplace 2 3 PROBABILIDAD La probabilidad sirve como enlace entre la descripción y la presentación de la información que se obtiene a partir de las muestras, y la posibilidad de hacer inferencias a poblaciones más grandes. El objeto de la estadística es básicamente la presentación e interpretación de los resultados fortuitos que ocurren en un estudio planteado o investigación. Necesitamos tomar decisiones frente a la incertidumbre como el caso de una compañía usa las probabilidades para ayudar a planificar sus procesos y actividades. 4 Cómo utilizar la estadística? Caso: Compañía de productos electrónicos. Se han realizado numerosos estudios para analizar la planeación que realizan los consumidores antes de adquirir artículos durables, como televisores, refrigeradores, lavadoras, estufas y automóviles. Suponga que el director de ventas de una compañía de productos electrónicos está interesado en estudiar la intención de los consumidores de adquirir un televisor de pantalla grande (definido como de 35 pulgadas o más) en los próximos 12 meses y en el seguimiento de si lo compran en realidad. Con base en una encuesta entre consumidores, algunas preguntas para las que desea respuesta el director de ventas incluyen: 5 Cómo utilizar la estadística? ¿Cuál es la probabilidad de que el consumidor planea adquirir un televisor de pantalla grande durante el próximo año? ¿Cuál es la probabilidad de que el consumidor compre el televisor de pantalla grande? ¿Cuál es la probabilidad de que el consumidor planee adquirir un televisor y en realidad lo haga? ¿Cuál es la probabilidad de que el consumidor piense adquirir un televisor o que de hecho lo compre? Las respuestas a éstas y a otras preguntas pueden ayudar a la administración en el desarrollo de futuras estrategias de venta y mercadotecnia. En este tipo de problemas hay que tomar decisiones con base en experimentos. 6 EXPERIMENTOS Es un procedimiento mediante el cual se obtiene un resultado. Puede ser: Experimento determinístico (A priori). Ejemplo: Observar el color de una bola extraída de una urna que contiene solo bolas negras Experimento no determinístico o aleatorio (no a priori). Ejemplo: Lanzar un dado y observar el número que aparece en la cara superior. Lic. Mg. Manuel Tuesta Moreno 2 7 ¿Qué significa el término probabilidad? La probabilidad es la posibilidad o la oportunidad de que ocurra un evento. Por ejemplo: La oportunidad de que salga una carta negra de una baraja. La probabilidad de que un individuo prefiera un producto sobre otro. La probabilidad que un nuevo producto de consumo tenga éxito en el mercado. En cada uno de los ejemplos, la probabilidad es una proporción o fracción cuyo valor se encuentra entre cero y uno inclusive. Si se observa que no tiene la posibilidad de ocurrir (es decir, el evento imposible), tiene la probabilidad cero; mientras que un evento que ocurrirá con seguridad (es decir, evento seguro) tiene probabilidad uno. 8 ENFOQUE DE PROBABILIDAD ¿Qué definición de probabilidad va a utilizar? 1. Definición clásica o a priori (dada por Laplace). 2. Definición de probabilidad por frecuencia relativa o a posteriori. OJO: Las definiciones (1) y (2) son probabilidades objetivas. 3. Probabilidad subjetiva. Cualquiera que sea la definición de probabilidad que se utilice, las reglas de probabilidad son las mismas (axiomas, teoremas, etc.); más aún las tres definiciones son complementarias y la definición adecuada de probabilidad que utilice dependerá de la naturaleza del problema especifico que esta tratando de resolver. 9 ENFOQUE DE PROBABILIDAD A menudo, el primero se llama enfoque de probabilidad clásica a priori. En él la probabilidad de éxito se basa en el conocimiento previo del proceso implicado. En el caso más sencillo, donde cada resultado es igualmente posible, la oportunidad de ocurrencia del evento se define como sigue: Probabilidad de ocurrencia: ⁄ , donde es el número de veces que ocurre el evento que observa, es la cantidad total de resultados posibles. 10 ENFOQUE DE PROBABILIDAD En el segundo enfoque de probabilidad llamada Probabilidad clásica empírica (a posteriori), aunque la probabilidad todavía se define como la proporción de resultados favorables al total de resultados, esto se basa en datos observados, no en el conocimiento previo de un proceso. Este tipo de probabilidad puede referirse a la proporción de individuos en una encuesta que en realidad compran un televisor, que prefieren a cierto candidato político, o que tienen un trabajo de tiempo parcial mientras asisten a la escuela. 11 ENFOQUE DE PROBABILIDAD El tercer enfoque, se llama Probabilidad subjetiva. Mientras que en los dos enfoques anteriores la probabilidad de un evento favorable se calcula en forma objetiva, ya sea mediante un conocimiento previo o apriori de datos reales, la probabilidad subjetiva se refiere a la probabilidad de ocurrencia asignada a un evento por una persona en particular. Esta posibilidad es bastante diferente de la probabilidad subjetiva que estipula otra persona. La asignación de probabilidades subjetivas a diferentes eventos por lo común, se basa en la combinación de la experiencia de una persona, su opinión personal y el análisis de la situación específica. La probabilidad subjetiva es muy útil en la toma de decisiones en situaciones para los que la probabilidad de diferentes eventos no se puede determinar en forma empírica. 12 Experimento aleatorio Definición 1: Un experimento es un proceso mediante el cual se obtiene un resultado de una observación. Un experimento puede ser determinístico y no determinístico. Definición 2: Un experimento es determinístico, cuando el resultado de la observación es determinado en forma precisa por las condiciones bajo las cuales se realiza dicho experimento. Definición 3: Un experimento es aleatorio o no determinístico, cuando los resultados de la observación no se puede predecir con exactitud antes de realizar el experimento. Lic. Mg. Manuel Tuesta Moreno 3 13 Experimento aleatorio Característica de un experimento aleatorio : 1° Cada experimento podría ser repetido indefinidamente sin cambiar esencialmente las condiciones. 2° No se conoce un particular valor del experimento a priori, sin embargo es posible describir el conjunto de todos los posibles resultados del experimento. 3° Cuando el experimento es repetido un número grande de veces, aparece un modelo de regularidad esto es, habrá un estabilidad de la fracción h = f/n (frecuencia relativa), donde n es el número de repeticiones y f es el número de éxitos de un particular resultado establecido antes de la realización del experimento. 14 Espacio muestral Definición 4: Un espacio muestral denotado por , es un conjunto de puntos correspondientes a todos los posibles resultados de un experimento aleatorio, esto es: ⁄ ò ò Nota: Espacio muestral discreto (finito o infinito) y continuo. 15 Eventos Definición 5: Un evento es un conjunto de posibles resultados de un experimento; en términos de conjuntos, es un subconjunto del espacio muestral Ω. En particular Ω y Φ (conjunto vacío) son eventos. Al espacio muestral Ω se le llama evento seguro y a Φ evento imposible. Definición 6: (Evento simple). Un evento es simple, si contiene solamente un punto del espacio muestral y se denota por . Definición 7: (Evento compuesto). Un evento compuesto es aquel que puede expresarse como la unión de dos o más eventos simples. 16 Operación con eventos Dado y incluidos en . ∪ ∨ ∩ ∧ ∩ , . ` ∉⊂ ∀ ∈ , ∈ → ∈ ò Los conceptos de unión e intersección de eventos se extiende a una familia grande de eventos. 17 PROBLEMAS PROPUESTOS P-1) Dos personas A y B se distribuyen al azar en tres oficinas numeradas 1, 2 y 3. Si las dos personas pueden estar en la misma oficina, define un espacio muestral adecuado. P-2) Tres personas A, B y C se distribuyen al azar en dos oficinas numeradas con 1 y 2. Determinar un espacio muestral adecuado a este experimento: a)Si los tres pueden estar en una misma oficina. b)Si sólo se puede asignar una persona a cada oficina. 18 PROBLEMAS PROPUESTOS P-3) Durante el día, una máquina produce tres artículos cuya calidad individual, definida como defectuosa o no defectuosa, se determinará al final del día. Describe el espacio muestral generada para la producción diaria. P-4a) Describa el espacio muestral del siguiente circuito: donde 1 si está operativo, 0 si está descompuesto. 1,2,3 P-4b) Describa los eventos A: “Por lo menos un componente funciona”, y B: “Todo el sistema funciona”. ¿Son A y B mutuamente excluyentes? : Lic. Mg. Manuel Tuesta Moreno 4 19 Probabilidad de un evento Sea un espacio muestral asociado con un cierto experimento aleatorio y sea un – álgebra de conjuntos de . Definición 8: Una medida de probabilidad es una función. : → ; ↓ ↓ → que asigna a cada evento ∈ un número , llamado la probabilidad del evento , que satisface los tres axiomas siguientes: 20 Probabilidad de un evento Axioma 1: , para cualquier evento ∈ . Axioma 2: Axioma3: (Aditividad finita). Si , , … ∈ son eventos disjuntos dos a dos (mutuamente excluyentes), entonces: Una función de probabilidad que satisface estos tres axiomas se denomina probabilidad finitamente aditiva. 21 Consecuencia de los axiomas Teorema 1: Se verifica las siguientes propiedades: 1° La probabilidad del complemento de un evento es: 2° La probabilidad del evento imposible es 3° Si ⊂ entonces: i) ii) 4° Si y son dos eventos mutuamente excluyentes de , entonces se tiene: ∪ . 5° La probabilidad de la unión de dos eventos (no necesariamente disjuntos) viene dada por: ∪ ∩ 6° Si , son tres eventos cualesquiera se verifica: ∪ ∪ ∩ ∩ ∩ ∩ ∩ 22 Espacios muestrales finitos equiprobables Definición 9: Se dice que un espacio de probabilidad , , es equiprobable o uniforme, si la función de probabilidad asigna igual probabilidad a cada uno de sus elementos, esto es: ; , , … Fórmula de Laplace Es una regla práctica que permite calcular probabilidades en espacios probabilísticos que cumplen la hipótesis de equiprobabilidad. Supongamos un espacio muestral finito ; ; … , donde los eventos o sucesos elementales son equiprobables, es decir , . Entonces si ⊂ , la fórmula: 23 PROBLEMAS PROPUESTOS P-1) En una clase hay 5 alumnos de 4to año, 4 del 2do año y 3 del 3er año, ¿cuál es la probabilidad de que sean sorteados 2 alumnos del 2do año, 3 del 4to año y 2 del 3er año?. : ⁄ P-2) (No equiprobable). En el hipódromo de Monterrico, 4 caballos A, B, C y D compiten en una carrera; la probabilidad de que gane A es 2 veces la probabilidad de B, B tiene 2 veces la probabilidad de C y C tiene 2 veces la probabilidad de D. a)¿Cuáles son las probabilidades de victoria de cada uno de los caballos? : ⁄ ; ⁄ ; ⁄ ; ⁄ b)¿Cuál es la probabilidad de que gane B ó C? : ⁄ 24 PROBLEMAS PROPUESTOS P-3) Sean , tres eventos disjunto 2 a 2 y 3 a 3 tal que . ; . . Calcular: i) ∩ ∩ : . ii) ∩ ∩ : . iii) : . P-4) En una compañía hay 6 varones y 4 damas que asisten a ser miembros de un comité. Si se debe escoger 2 al azar escribiendo los nombres en hojas de papel y sacándolos de una urna. ¿Cuál es la probabilidad de que los dos sean hombres? ¿Cuál es la probabilidad de que sea un hombre y una mujer o dos mujeres? : ⁄ ⁄ Lic. Mg. Manuel Tuesta Moreno 5 25 PROBLEMAS PROPUESTOS P-5) Un experimento aleatorio consiste en disponer los dígitos 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 9, uno a uno a continuación del otro; calcular la probabilidad de: a) Que el 3 aparece junto a 4 y ese orden; b) El número formado sea par; c) El número formado sea mayor que 6x107; d) El número formado sea múltiplo de 4; e) El número formado sea múltiplo de 3. 26 PROBABILIDAD FRENTE A APUESTAS Definición 10: Sea un evento cualquiera, si las apuestas son : a favor del evento , entonces la probabilidad que ocurra dicho evento es: ⁄ además, decir que las apuestas : a favor del evento es lo mismo decir que la apuesta : en contra del evento . Entonces, la probabilidad de que no ocurra es: . 27 PROBABILIDAD FRENTE A APUESTAS Ejemplo: En una carrera de caballos, el caballo “AELORO” tiene las apuestas 5:1 en su contra, mientras que el caballo “LUHPIAS” las tiene 9:1 en su contra. ¿Cuál es la probabilidad que cualquiera de estos caballos gane? ⁄ PROBLEMAS PROPUESTOS 28 PROBABILIDAD CONDICIONAL Ejemplo: Calcular la probabilidad de que al lanzar un dado salga 6. Ejemplo: Una vez lanzado, vemos que es par, calcule la probabilidad de que salga 6. Definición 11: Sea dos eventos tal que , la probabilidad condicional de que ocurra el evento , dado que ha ocurrido el evento , denotado por ∖ ∩ 29 PROBABILIDAD CONDICIONAL Ejemplo: Una muestra aleatoria de 200 adultos se clasifica por sexo y nivel de educación Si se escoge una persona al azar de este grupo, encuentre la probabilidad de que: a)La persona sea hombre, dado que la persona tiene educación secundaria. ⁄ b)La persona no tiene educación superior, dado que la persona es mujer. ⁄ Educación Hombre Mujer Primaria 38 45 Secundaria 28 50 Superior 22 17 30 LA REGLA DEL PRODUCTO ∩ . ∖ La probabilidad de que ocurra simultáneamente y es igual a la probabilidad de que ocurra , por la probabilidad de que ocurra dado que ha ocurrido . Esta fórmula tiene especial utilidad cuando los sucesos ocurren de forma secuencial en el tiempo, de modo que el resultado de un suceso depende del resultado obtenido por la suceso anterior. Teorema 2: Sean , , … , eventos tales que: ∩ ∩⋯ . ∖ . ∖ ⋂ … ∖ ⋂ ∩ … Lic. Mg. Manuel Tuesta Moreno 6 31 LA REGLA DEL PRODUCTO Ejemplo: Una urna contiene 20 bolas idénticas de las cuales 8 son negras, 7 rojas y 5 blancas. Se extrae 4 bolas de la urna sin reemplazo, encontrar la probabilidad de que la primera bola sea negra, la segunda roja, la tercera blanca y la cuarta negra. . 32 LA REGLA DEL PRODUCTO Ejemplo: Una urna contiene 10 bolas, 5 marcadas con la letra A y 5 marcadas con la letra B. Dos jugadores, A y B juegan de la siguiente forma: comienza el jugador extrayendo una bola y a continuación B realiza también una extracción, y así alternamente. Las extracciones se hace sin reposiciones. Gana el primer jugador que extraiga una bola con su letra (A una bola A o B una bola B). a) ¿Cuál es la probabilidad que gane el jugador A? ¿Cuál de B? ⁄ ⁄ b) ¿Cuál es la probabilidad que no gane ninguno de los dos? ⁄ 33 INDEPENDENCIA DE EVENTOS Dos sucesos o eventos A y B se dicen que son independientes si la ocurrencia de uno de ellos no influye en la ocurrencia del otro. Definición 12: Se dice que dos sucesos o eventos A y B son independientes, si se verifica una de las siguientes condiciones equivalentes: i) ∖ ii) ∖ iii) ∩ . 34 INDEPENDENCIA DE EVENTOS Ejemplo: Tres jugadores internacionales, Ángel, Luis y Marvin, al ejecutar un penal, la probabilidad de hacer gol de cada uno es 0,1; 0,6 y 0,45 respectivamente. Un determinado partido termina en penales y cada uno de ellos patea un penal. ¿Cuál es la probabilidad de que al menos dos de ellos hacen gol? 35 INDEPENDENCIA DE EVENTOS De las tres condiciones considerados, las dos primeras son las más intuitivas, puesto que expresan que los sucesos A y B son independientes si la ocurrencia de uno de ellos no influye en la ocurrencia del otro. La tercera de las condiciones no es tan facil de interpretar sin embargo es la más utilizada para probar analíticamente la independencia de dos sucesos o eventos. 36 INDEPENDENCIA DE EVENTOS Observación: Un eventoaleatorio es independiente consigo mismo, si y sólo si: ó . Teorema 3: Si y son eventos independientes, se verifica que: i) son independientes. ii) son independientes. iii) son independientes. Lic. Mg. Manuel Tuesta Moreno 7 37 INDEPENDENCIA DE EVENTOS Definición 14: Los sucesos , … , se dice que son independientes si para ⋯ se verifica que: ∩ …∩ . … * En particular, tres sucesos A, B y C son mutuamente independientes, si se verifican las condiciones: i) ∩ . ii) ∩ . iii) ∩ . iv) ∩ ∩ . . 38 INDEPENDENCIA DE EVENTOS Las tres primeras condiciones expresan la independencia de dos cualesquiera de ellos, mientras que la cuarta condición indica que la ocurrencia simultanea de dos de ellos no debe influir en la tercera. Puede existir tres sucesos independientes dos a dos, pero no independientes entre si, al fallar la cuarta condición. 39 INDEPENDENCIA DE EVENTOS Ejemplo: ¿La probabilidad de que el químico resuelva un problema es de 2/3 y la probabilidad de que el industrial resuelva el problema es 3/4. Si ambos intentan independientemente, ¿Cuál es la probabilidad de que el problema sea resuelto? R. 11 12⁄ Ejemplo: La probabilidad de que un hombre viva 10 años más es 1/4 y la probabilidad de que su esposa viva 10 años más es 1/3. Hallar la probabilidad de que: a) Ambos vivan 10 años más. ⁄ b) Al menos uno viva al cabo de 10 años. ⁄ c) Ninguno viva al cabo de 10 años. ⁄ d) Solamente la esposa viva al cabo de 10 años. ⁄ 40 TEOREMA DE LA PROBABILIDAD TOTAL Y TEOREMA DE BAYES Teorema 4: (Probabilidad Total) Sea , un espacio probabilístico y , , … , sucesos que forman una partición de , es decir ⋃ , y ∩ , para todo . Entonces, si es un suceso cualesquiera, se verifica: ∩ . ∖ 41 TEOREMA DE LA PROBABILIDAD TOTAL Y TEOREMA DE BAYES Teorema 5: (Teorema de Bayes) Sea , un espacio probabilístico y , , … , , sucesos que forman una partición de , es decir ⋃ , y ∩ , para todo . Entonces, si es un suceso cualesquiera con , se verifica: ∖ ⋂ ∩ ∑ ∩ ∩ ∑ . ∖ 42 Ejemplo: Una compañía que fabrica tornillos tienen tres factorías, F1, F2 y F3. las factorías F2 y F3 producen el mismo número de tornillos , mientras que F1 produce el doble de la F2. Por experiencia pasada se sabe, que el 2% de los tornillos producidos por F1 y F2 respectivamente son defectuosos en tanto que el 4% de los fabricados por F3 son defectuosos. Los tornillos producidos por las tres factorías se guardan en un mismo almacén. Si se escoge aleatoriamente un tornillo del almacén: a)¿Cuál es la probabilidad de que sea defectuosa? b)¿Cuál es la probabilidad de que provenga de la factoría 2 dado que es defectuosa? Lic. Mg. Manuel Tuesta Moreno 8 43 PROBLEMAS DE REPASO P-1)Un suero de la verdad tiene la propiedad de que 90% de los sospechosos culpables se juzgan de forma adecuada mientras que, por supuesto, 10% de los sospechosos culpables resultan erróneamente inocentes. Por otro lado, a los sospechosos inocentes se les juzga de manera errónea 1% de las veces. Si el sospechoso se selecciona de un grupo de sospechosos de los que sólo 5% alguna vez han cometido un crimen, y el suero indica que es culpable, ¿cuál es la probabilidad de que sea inocente? 44 P-2) Un alergista afirma que 60% de los pacientes que examina son alérgicos a algún tipo de hierba. ¿Cuál es la probabilidad de que a)Exactamente tres de sus cuatros próximos pacientes sea alérgicos a hierbas? b)Ninguno de sus siguientes cuatro pacientes sean alérgicos a hierbas? 45 P-3) Las probabilidades de que una estación de servicio bombee gasolina en cero, uno, dos, tres, cuatro, cinco o más autos durante cierto período de 30 minutos son, 0.03, 0.18, 0.24, 0.28, 0.10 y 0.17, respectivamente. Encuentre la probabilidad de que en este periodo de 30 minutos a)Más de dos autos reciban gasolina; b)A lo más cuatro autos reciban gasolina; c)Cuatro o más autos reciban gasolina. 46 P-4) Si la probabilidad de que una persona cometa un error en su declaración de impuestos es 0.1, encuentre la probabilidad de que a)Cuatro personas no relacionadas cometan cada una un error; b)De cinco personas no relacionadas, exactamente dos cometan cada una un error. 47 P-5) En la figura, la probabilidad de la i – ésima llave del circuito esté cerrada (dejando pasar la corriente) es 1 6⁄ ; 1,2,3,4,5. Si todas las llaves se cierran o abren independientemente, ¿cuál es la probabilidad de que la corriente pasa de L a R para el respectivo circuito? R: 71 6⁄ 0.00091311 48 P-6) En la figura, la probabilidad de la i – ésima llave del circuito esté cerrada (dejando pasar la corriente) es 1 6⁄ ; 1,2,3,4,5. Si todas las llaves se cierran o abren independientemente, ¿cuál es la probabilidad de que la corriente pasa de L a R para el respectivo circuito? R: 476 6⁄ 0.061213 Lic. Mg. Manuel Tuesta Moreno 9 49 P-7) Dos proveedores, A y B, entregan la misma pieza a un fabricante, que guarda las existencias de esta pieza en un mismo lugar. Los antecedentes demuestran que 5% de las piezas entregas por A son defectuosas, y que 9% de las piezas entregadas por B también son defectuosas. Además, la cantidad de piezas que entrega A es cuatro veces la de B. Si se extrae al azar una pieza y se encuentra que no es defectuosa, ¿cuál es la probabilidad de que haya fabricado A?. R: 0.807 50 P-8) De los 15 miembros de la junta directiva de una gran empresa, ¿cuántos comités de 5 miembros pueden seleccionarse si el orden no importa? P-9) De 10 ejecutivos, 3 van a ser seleccionados para que sirvan como presidente, vicepresidente y tesorero, ¿cuántas selecciones diferentes son posibles? 51 P-10) Sus dos compañeros de cuarto están enfermos y a usted lo envían a un centro estudiantil para llevar comida a cada uno de ellos. Si usted debe escoger entre cinco platos, ¿en cuántas formas puede alimentar a sus compañeros Nota: Pista. ¿el orden hace la diferencia? ¿puede repetir? 52 P-11) De un grupo de cuatro hombres y cinco mujeres, ¿cuántas comités de tres miembros son posibles a)Sin restricciones? b)Con un hombre y dos mujeres? c)Con dos hombres y una mujer si cierto hombre debe estar en el comité? 53 PROBLEMAS PROPUESTOS 54 ÉXITOS
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