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Esperanza y funciones de una variable

Apuntes, tema 2 · 2.8 a 2.11.2 y 2.15.8 a 2.15.11: esperanza, propiedades y existenciaAbrir el PDF en la página 11

Objetivos de la lección

  • Calcular una media ponderada por probabilidad.
  • Distinguir la esperanza de una transformación de la transformación de una media.

Apartado 1 de 3

Un centro que no tiene que observarse

Transcripción

Hola.

Un campo tiene cero o cuatro células activadas, cada posibilidad con una mitad de probabilidad.

Buscaremos un centro del modelo, no una predicción para el próximo campo.

Equis representa el recuento y esos dos valores forman todo su soporte.

La esperanza es un promedio ponderado: cada valor aporta su tamaño multiplicado por la probabilidad con que aparece.

El valor cero tiene peso una mitad, pero cero por una mitad aporta cero al recuento promedio.

No significa que ese resultado tenga probabilidad cero.

El valor cuatro también tiene peso una mitad.

Cuatro por una mitad aporta dos al promedio: distribuimos su contribución entre todas las realizaciones, no solo entre las que tienen células activadas.

Por eso no ponemos cuatro entero en la suma.

Reunimos las aportaciones cero y dos y obtenemos esperanza dos.

La letra e expresa este promedio teórico bajo las probabilidades del modelo.

Con muchas observaciones independientes de este mismo reparto, el promedio observado se estabilizaría alrededor de dos, aunque los campos individuales sigan dando cero o cuatro.

Dos queda entre los valores posibles, pero no es uno de ellos: ningún campo de este modelo tiene exactamente dos células activadas.

Tampoco es la moda, el valor de mayor masa.

La esperanza resume un centro de equilibrio y no promete que ese centro aparezca en una realización.

En una variable absolutamente continua sustituimos las aportaciones de una tabla por franjas: valor equis por densidad efe sub equis, integrado sobre toda la recta.

La densidad es cero fuera del soporte.

Para obtener una esperanza finita exigimos que también sea finita la integral del valor absoluto por la densidad.

Palabras y símbolos de esta lección​

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.

f(x), g(x) · Función

Se lee: efe de x; ge de x.

Una función es una regla que transforma una entrada en una salida. Los paréntesis indican la entrada: f(x) no significa f multiplicado por x.

Ejemplo: Si g(x) = x², entonces g(3) = 9.

∑ᵢ aᵢ · Sumatorio

Se lee: suma de a sub i.

La sigma grande pide sumar términos. El índice i es un contador; las etiquetas inferiores y superiores indican dónde empieza y termina.

Ejemplo: Sumar a₁, a₂ y a₃, con valores 2, 3 y 5, da 10.

∫ₐᵇ f(x) dx · Integral definida

Se lee: integral entre a y b de efe de x respecto de x.

Acumula pequeñas contribuciones entre los límites a y b. Con una función no negativa calcula el área. dx indica qué variable recorre el intervalo; no es un factor numérico que haya que adivinar.

Ejemplo: Una altura constante 0,5 durante 0,8 minutos aporta un área de 0,4.

f_X(x) · Densidad

Se lee: efe minúscula sub equis de x.

Describe probabilidad por unidad de la variable. La probabilidad es el área de un intervalo, no la altura en un punto.

Ejemplo: Densidad 0,5 por minuto en un intervalo de 0,8 minutos da probabilidad 0,4.

p_X(x) · Masa de probabilidad

Se lee: pe sub equis de x.

Es la probabilidad de un valor exacto de una variable discreta, que toma valores separados.

Ejemplo: Si P(X = 2) = 0,3, la masa en dos brotes es 0,3.

¿Cómo resumimos resultados que no son igual de probables?​

Un campo tiene cero células activadas con probabilidad 0,5 o cuatro con probabilidad 0,5. Para hallar la media del modelo multiplicamos cada valor por su probabilidad y sumamos: 0 × 0,5 + 4 × 0,5 = 2. Esta media también se llama esperanza.

Nunca aparecen exactamente dos células en este modelo, pero dos describe su centro. No es una promesa para el siguiente campo ni el valor más frecuente. Ponderar significa dar a cada resultado el peso de su probabilidad, en lugar de tratar todas las filas por igual.

Un centro de equilibrio, no una promesa​

La esperanza pondera cada valor por su probabilidad. Puede ser un número que la variable nunca toma, como un número no entero de colonias. Resume el centro del modelo, pero no es el resultado que necesariamente aparecerá en el siguiente experimento ni el valor más frecuente. Sin especificar una familia, conocer media y varianza no determina la distribución: modelos de formas distintas pueden compartir ambos resúmenes. Solo dentro de una familia declarada se puede comprobar si esos números identifican sus parámetros.

En una variable continua, los pesos se representan mediante densidad y la suma se convierte en integral. Para una esperanza finita bien definida debe existir integrabilidad absoluta. Con soportes infinitos, las colas importan: una variable no negativa puede tener esperanza infinita, y una variable con colas a ambos lados puede carecer de esperanza si ambas contribuciones divergen.

Los ejemplos 2.15.10 y 2.15.11 del Tema 2 (página 23) distinguen recorrido infinito de esperanza infinita. Sea T el número de tiradas independientes de dos dados hasta el primer doble seis, contando la tirada ganadora. Aquí p=1/36, q=35/36 y T toma 1,2,3,...: P(T=k)=qk−1p. Para k=1,2,3 obtenemos 1/36, 35/362 y 352/363. La suma de masas es p/(1−q)=1 y P(T>n)=qn tiende a cero: termina casi seguramente.

Para calcular su media usamos la serie geométrica Σk≥1qk=q/(1−q). Dentro de |q|<1 se puede derivar término a término: Σk≥1kqk−1=1/(1−q)2. Multiplicando por p resulta E[T]=p/(1−q)2=1/p=36 tiradas. En esa derivación p se mantiene como factor y se sustituye q=1−p al final. Hay infinitos tiempos posibles, pero la cola decae suficientemente deprisa para que la media sea finita. No significa que el doble seis deba llegar antes de la tirada 36.

Ahora sea N la tirada en que aparece por primera vez un número par al lanzar un solo dado regular de forma independiente, y G=2N el premio en unidades monetarias. Cada ensayo acierta con probabilidad 1/2, por lo que P(G=2n)=2−n para n≥1; estas masas suman uno y el juego también termina casi seguramente. Sin embargo, E[G]=Σn≥12n2−n=Σn≥11=+∞. Cada uno de los primeros m términos aporta uno y la suma parcial es m, sin cota. Para un premio limitado a 2m, E[min(G,2m)]=m+1: los n≤m aportan m y la cola n>m aporta uno. Ningún presupuesto finito reproduce el premio ilimitado.

La distinción de existencia es esencial. Escribe X+=max(X,0) y X−=max(−X,0). Si ambas esperanzas son finitas, E[X] es su diferencia finita; si solo la positiva es infinita, E[X]=+∞ en sentido extendido (y si solo la negativa es infinita, E[X]=−∞). Si ambas son infinitas no existe esa diferencia. El premio G es no negativo: su esperanza diverge a +infinito, no es una resta indeterminada. En la Cauchy estándar, en cambio, ∫0Ax/[π(1+x2)] dx = log(1+A2)/(2π) crece sin límite, y la cola negativa aporta el mismo infinito en valor absoluto. E[C] no existe, ni como +∞ ni como −∞; el valor principal simétrico cero no cancela legítimamente esas colas.

Células activadas por campo​

Un campo tiene cero o cuatro células activadas con probabilidad 0,5 cada uno. La esperanza es dos, aunque nunca aparezcan exactamente dos. La esperanza del cuadrado es ocho, mientras que el cuadrado de la esperanza es cuatro. Si cada célula aporta tres unidades de señal y hay una base de una unidad, la señal esperada es siete.

Desarrollo escrito del ejemplo

X es el número de colonias resistentes en una microplaca que solo puede producir 0, 1 o 2 colonias.

X, x, xᵢ · Variable y valor

Se lee: equis; equis minúscula; equis sub i.

X nombra qué medimos antes de observar. x representa un valor concreto o un umbral. El subíndice identifica una observación o un valor de una lista.

Ejemplo: X es el número de brotes; x = 2 es un resultado posible.

p_X(x) · Masa de probabilidad

Se lee: pe sub equis de x.

Es la probabilidad de un valor exacto de una variable discreta, que toma valores separados.

Ejemplo: Si P(X = 2) = 0,3, la masa en dos brotes es 0,3.

c, wᵢ · Constante y peso

Se lee: ce; uve doble sub i.

Un peso expresa una importancia relativa. La constante c multiplica todos los pesos por el mismo factor para que el total sea uno. El subíndice i identifica un peso.

Ejemplo: Pesos 2, 3 y 5: c = 1/10 y proporciones 0,2, 0,3 y 0,5.

∑ᵢ aᵢ · Sumatorio

Se lee: suma de a sub i.

La sigma grande pide sumar términos. El índice i es un contador; las etiquetas inferiores y superiores indican dónde empieza y termina.

Ejemplo: Sumar a₁, a₂ y a₃, con valores 2, 3 y 5, da 10.

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.

Datos y supuestos​

  • P(X=0)=c, P(X=1)=3c, P(X=2)=6c.
  • Fuera de {0,1,2} la probabilidad es cero.
  • Los tres resultados son excluyentes y cubren todos los casos.
  • Los pesos son no negativos.

Calcula la constante c.​

Identificar la pregunta y justificar el método

Calcula la constante c. Un peso expresa importancia relativa, no una probabilidad todavía. Sumamos los pesos y dividimos cada uno por ese total para obtener probabilidades que suman uno. Una masa es la probabilidad de un valor exacto. Para este apartado: La suma de todas las masas debe ser uno.

Normalizar la masa

(1 + 3 + 6)c = 1; c = 1/10 = 0,1.

∑xP(X=x)=1\sum_x P(X=x)=1

Comprobar e interpretar

El resultado es 0,1 constante de normalización. Revisamos que la respuesta use la unidad pedida y tenga sentido en el contexto. Cada masa queda entre cero y uno.

Cada masa queda entre cero y uno.

Calcula E[X].​

Identificar la pregunta y justificar el método

Calcula E[X]. Un peso expresa importancia relativa, no una probabilidad todavía. Sumamos los pesos y dividimos cada uno por ese total para obtener probabilidades que suman uno. Una masa es la probabilidad de un valor exacto. Para este apartado: Pondera cada valor por su probabilidad, no por su peso sin normalizar.

Promediar con los pesos normalizados

(0 × 1 + 1 × 3 + 2 × 6)/10 = 1,5.

E[X]=∑xxP(X=x)E[X]=\sum_x xP(X=x)

Comprobar e interpretar

El resultado es 1,5 número de colonias. Revisamos que la respuesta use la unidad pedida y tenga sentido en el contexto. La esperanza puede no ser entera aunque cada observación sí lo sea.

La esperanza puede no ser entera aunque cada observación sí lo sea.

Ejemplo resuelto

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