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Cauchy y Weibull: colas y riesgo cambiante

Apuntes, tema 3 · 3.2.6 y 3.2.7: Cauchy y Weibull; riesgo instantáneo como ampliación explícitaAbrir el PDF en la página 17

Objetivos de la lección

  • Explicar por qué simetría no garantiza esperanza.
  • Interpretar la forma Weibull como una hipótesis sobre el riesgo.

Apartado 1 de 4

Una simetría que no permite promediar las colas

Transcripción

Hola.

Una curva simétrica alrededor de cero invita a decir que su media es cero.

Antes debemos preguntar si esa media existe.

La Cauchy estándar será nuestro contraejemplo: tiene centro y probabilidades bien definidos, pero sus colas impiden definir la esperanza.

Su densidad es uno dividido entre pi por uno más equis al cuadrado, para cualquier equis real.

El cuadrado hace simétricas las alturas y el factor pi normaliza el área total a uno.

Pi es la constante circular.

Tener una densidad integrable no garantiza que también lo sea el tiempo o la señal ponderados por ella.

El gráfico muestra solo de menos ocho a ocho: las colas continúan.

Caen aproximadamente como el inverso de equis al cuadrado, mucho más despacio que las normales.

Si recortamos la mirada a la zona central podemos perder justo lo que decide si existen los momentos.

Cero es mediana porque deja la mitad de la probabilidad a cada lado y es moda porque allí la densidad es máxima.

Para la esperanza, en cambio, multiplicamos cada valor por su densidad.

La contribución del lado positivo diverge y la del negativo también en valor absoluto: no hay dos cantidades finitas que puedan cancelarse.

Integrar entre límites simétricos puede dar cero, pero calcula un valor principal, no la esperanza probabilística.

En Cauchy la esperanza no existe, la varianza no está definida y los momentos enteros positivos no son finitos.

La simetría permite localizar el centro; no resuelve la falta de integrabilidad.

Una muestra finita sí tiene una media aritmética calculable y aun así puede proceder de esta población sin esperanza.

No debemos confundir ambos conceptos.

Cocientes con denominadores próximos a cero motivan revisar colas extremas, pero no prueban automáticamente un modelo Cauchy: esa elección necesita evidencia sobre el mecanismo o los datos.

Palabras y símbolos de esta lección​

x₀, γ · Localización y escala de Cauchy

Se lee: equis sub cero; gamma minúscula.

x₀ fija el centro y la mediana; γ es una escala positiva en las mismas unidades. La gamma minúscula de esta fórmula no es la función Γ ni la distribución gamma. El centro no es una esperanza en este modelo.

Ejemplo: Cauchy con x₀ = 4 y γ = 2 tiene mediana 4; su esperanza no está definida.

tan(x), arctan(x), π · Tangente, inversa y pi

Se lee: tangente de x; arco tangente de x; pi.

La tangente relaciona un ángulo con una razón; arctan deshace esa relación. Aquí los ángulos se expresan en radianes y π vale aproximadamente 3,14159.

Ejemplo: arctan(1) = π/4. En Bayes, π puede nombrar prevalencia; el contexto lo distingue.

k, β · Forma de una distribución

Se lee: ka; beta.

k es la forma gamma y β la forma Weibull. Son números positivos sin unidades, no probabilidades. La forma modifica el reparto de los tiempos.

Ejemplo: Gamma con k = 3 puede sumar tres esperas; Weibull con β = 1 es exponencial.

α · Escala temporal

Se lee: alfa.

En las lecciones de tiempos, una escala positiva estira o encoge la duración. En la exponencial coincide con el tiempo medio; su inversa es la tasa.

Ejemplo: Escala 5 minutos: tasa exponencial 1/5 = 0,2 por minuto.

S(t) · Supervivencia

Se lee: ese de te.

Es la probabilidad de que el tiempo del evento sea mayor que t. No requiere que el evento sea una muerte.

Ejemplo: S(10) = 0,2: el 20 % aún no presenta el evento a los diez minutos.

Γ(k) · Función gamma

Se lee: gamma de ka.

Es una función distinta de la distribución gamma. Para enteros positivos, Γ(k) vale (k−1) factorial; con otros valores positivos se evalúa con una calculadora o biblioteca.

Ejemplo: Γ(3) = 2! = 2.

E[X], μ · Esperanza o media del modelo

Se lee: esperanza de equis; mu.

Promedia los valores posibles dando más peso a los más probables. No obliga a que ese valor aparezca en una observación.

Ejemplo: Cero o cuatro células con igual probabilidad dan media dos.

Var(X), σ², σ · Varianza y desviación típica

Se lee: varianza de equis; sigma al cuadrado; sigma.

La varianza promedia distancias a la media elevadas al cuadrado. Su raíz, la desviación típica, expresa la dispersión en las unidades originales.

Ejemplo: Desviación 3 mm significa varianza 9 mm².

¿Un centro simétrico garantiza que exista una media?​

No siempre. La Cauchy estándar tiene centro, mediana y moda cero, pero sus colas son tan importantes que la media del modelo no está definida. La mediana deja la mitad a cada lado; la moda señala la mayor densidad. Ninguna de esas definiciones exige que exista esperanza.

Podemos promediar cualquier muestra finita de Cauchy, pero ese cálculo no crea una media poblacional. Tampoco restamos dos contribuciones infinitas y las llamamos cero. Para intervalos usamos su acumulada, que incorpora la función arco tangente, explicada en la notación de esta lección.

Cauchy: un centro sin media​

La Cauchy estándar es simétrica alrededor de cero y tiene mediana y moda cero, pero no esperanza. Sus colas aportan integrales divergentes a ambos lados. No podemos cancelar una parte positiva infinita con una negativa infinita y llamarlo media. El valor principal simétrico es una operación diferente de la esperanza.

Su acumulada es un medio más arco tangente de x dividida entre pi. Sale de integrar la densidad: la primitiva es arco tangente de x entre pi y su límite en menos infinito es menos un medio. Para un intervalo resta las acumuladas de sus extremos. Entre menos uno y uno, las arco tangentes son menos pi cuartos y pi cuartos, por lo que la probabilidad es un medio. Poder calcular estas probabilidades no implica que exista la esperanza.

Sus momentos enteros positivos no son finitos y su varianza no está definida. Una muestra finita siempre permite calcular un promedio numérico, pero eso no crea una esperanza poblacional. Como contexto adicional, cocientes de señales con denominadores próximos a cero pueden producir colas extremas; la Cauchy ilustra el riesgo, sin afirmar que cualquier cociente biológico siga ese modelo.

Fórmulas del apartado​

Se lee: La densidad de la Cauchy estándar es uno entre pi por uno más x al cuadrado. Equis puede ser cualquier real. La esperanza de ce no existe.

fC(x)=1π(1+x2),x∈R,E[C] no existef_C(x)=\frac{1}{\pi(1+x^2)},\quad x\in\mathbb R,\qquad E[C]\text{ no existe}

La simetría de la Cauchy estándar no elimina la divergencia de sus colas.