Ejercicios Tema 5: SIMULACIÓN. TEOREMA CENTRAL DEL LÍMITE

5.12

EJEMPLOS

5.12.1

EJERCICIOS RESUELTOS

1

Ejercicio 1 Representa grá…camente las funciones de probabilidad de una distribución E(q> 12 )> cuando: d) e)

q = 5 q = 10

f) g)

q = 25 q = 100

y emite conclusiones al respecto.

Solución.-

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2

Podemos observar como, a medida que aumentamos q, la distribución Binomial tiene un extraordinario parecido con la distribución Normal. Observaríamos el mismo efecto con otras binomiales si bien es cierto que cuanto más cercana sea la probabilidad de éxito s a 12 más rápida será la convergencia de una Binomial a una Normal. En general, una distribución E(q> s) se parece a una curva normal cuanto mayor es el producto q ¢ s= En virtud del Teorema Central del Límite (en adelante TCL) podemos concluir diciendo que: p E(q> s) ¡! Q(q ¢ s> q ¢ s ¢ t) cuando n ¡! +1

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3

Ejercicio 2 Comprobar de modo grá…co la aproximación de una distribución S (10) a una Normal, y emitir conclusiones al respecto.

Solución.Hemos visto que la suma de q variables de Poisson independientes de parámetro  se distribuyen como una Poisson de parámetro q ¢ = Por tanto podemos interpretar la distribución de Poisson de parámetro  = 10 como la suma de cinco variables independientes Poisson de parámetro  = 2= Sean [l » S (2) l = 1> 2> 3> 4> 5 \ = [1 » S (2)> siendo la representación grá…ca de su f.d.p.:

\ = [1 + [2 » S (4)> siendo la representación grá…ca de su f.d.p.:

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4

\ = [1 + [2 + [3 » S (6)> siendo la representación grá…ca de su f.d.p. :

\ = [1 + [2 + [3 + [4 » S (8)> siendo la representación grá…ca de su f.d.p.:

\ = [1 + [2 + [3 + [4 + [5 » S (10)> siendo la representación grá…ca de su f.d.p.:

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5

Podemos observar como efectivamente si [ se distribuye p según una Poisson de parámetro 10, entonces por el TCL ,[ se puede aproximar a una Normal Q(10> 10)= En general sabemos que : p S () ' Q(> ) y la aproximación se considera buena si  A 5

Ejercicio 3 En una disribución E(200> 0=3) calcular s[[ ¸ 85]=

Solución.Si realizásemos el cálculo utilizando la distribución binomial tendríamos que calcular: s[[ ¸ 85] = 1 ¡ s[[ ? 85] = 1 ¡

¶ 84 µ X 200 l=1

l

(0=3)l ¢ (0=7)200¡l

con el consiguiente costo computacional. Para calcular esta probabilidad realicemos la aproximación de una distribución Binomial a una distribución Normal. Sabemos que q es su…cientemente grande y que s no es cercano a cero, por tanto: p [ » E(q> s) ' Q(q ¢ s> q ¢ s ¢ t)

(5.1)

[ » E(200> 0=3) ' Q(60> 6=48) » [ 0 Aplicando la correspondiente corrección de continuidad, tenemos: s[[ ¸ 85] ' s[[ 0 ¸ 85 ¡ 0=5] = s[[ 0 ¸ 84=5] Tipi…cando resulta: ·

¸ [ 0 ¡ 60 84=5 ¡ 60 s[[ ¸ 85] ' s[[ ¸ 84=5] = s ¸ = s [] ¸ 3= 78] , siendo ] » Q(0> 1)= 6=48 6=48 0

Buscando en la tabla de la Q(0> 1), tenemos: s[[ ¸ 85] ' s [] ¸ 3= 78] = 1 ¡ s [] ? 3= 78] = 1 ¡ 0=99992 = 0=0000 8

Ejercicio 4 Una moneda corriente se lanza 150 veces. Determinar la probabilidad de que salgan entre 70 y 80 caras.

Solución.Si resolviésemos el ejercicio utilizando la distribución binomial, tendríamos que: si [ ´ Números de Caras al lanzar una moneda 150 veces [ » E(150> 1@2)

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6

Por tanto la solución del problema viene dada por: s [70 · [ · 80] =

80 X

s [[ = n]

n=70

¶ µ ¶n µ ¶150¡n 80 µ X 150 1 1 = 0=63084 s [70 · [ · 80] = n 2 2 n=70

Resolvamos el ejercicio utilizando el TCL como aplicación a la hora de aproximar la distribución Binomial por la Normal. En virtud de la expresión 5.1 , tenemos que: 150 = 75 2 r p 150 q¢s¢t =  = = 6=1237 4  = q¢s=

Sea [ 0 » Q(75> 6=12) Para calcular s [70 · [ · 80] , suponiendo los datos continuos para poder aplicar la aproximación a una normal, tendremos que realizar la correción de continuidad: s [70 · [ · 80] ' s [70 ¡ 0=5 · [ · 80 + 0=5] = s [69=5 · [ · 80=5] Entonces:

¤ £ s [70 · [ · 80] ' s [69=5 · [ · 80=5] = s 69=5 · [ 0 · 80=5

tipi…cando la variable [ 0 » Q(75> 6=12),tenemos: · ¸ £ ¤ [ ¡ 80=5 ¡ 75 69=5 ¡ 75 0 · · s 69=5 · [ · 80=5 = s 6=12  6=12 ¤ £ s 69=5 · [ 0 · 80=5 = s [¡0=9886 · ] · 0=8986] , siendo ] » Q(0> 1)=

operando resulta que, £ ¤ s 69=5 · [ 0 · 80=5 = s [] · 0=8986] ¡ s [] · ¡0=8986] = s [] · 0=8986] ¡ (1 ¡ s [] · 0=8986]) ¤ £ s 69=5 · [ 0 · 80=5 = 2 ¢ s [] · 0=8986] ¡ 1 …nalmente buscamos en la tabla de la Q(0> 1), £ ¤ s 69=5 · [ 0 · 80=5 = 2 ¤ 0=8133 ¡ 1 = 0= 626 6

Podemos obsevar que el valor obtenido por este procedimiento de aproximación es muy parecido al valor 0=63 obtenido utilizando la distribución Binomial.

Ejercicio 5 Supongamos que el 2.5% de los artículos producidos en una fábrica son defectuosos. Hallar la probabilidad de que haya menos de 3 artículos defectuosos en una muestra de 100 artículos.

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7

Solución.Aplicamos, al igual que el ejercicio anterior, la distribución binomial para q = 100 y s = 0=025 , siendo X la v.a. que indica el número de artículos defectuosos en una muestra de 100. [ » E(100> 0=025) Resulta que: s [[ ? 3] = s [[ = 0] + s [[ = 1] + s [[ = 2] µ ¶ µ ¶ µ ¶ 100 100 100 0 100 1 99 (0=025) ¤ (0=975) + (0=025)2 ¤ (0=975)98 s [[ ? 3] = (0=025) ¤ (0=975) + 1 2 0 s [[ ? 3] = 0=5421 Si hubiésemos aproximado la E(100> 0=025) por la normal Q(2=5> 1=56) (véase 5.1) tendríamos: · ¸ ¤ £ 0 2=5 ¡ 2=5 = s [] ? 0] = 0=5 s [[ ? 3] ' s [ ? 2=5 = s ] ? 1=56

Podemos observar que este valor di…ere mucho del obtenido utilizando la propia distribución binomial. Ésto ocurre porque al ser s = 0=025 y q ¢ s = 2=5 ? 5 la aproximación de la binomial por la normal no es buena; sin embargo, tal y como vimos en el tema anterior, sí podríamos aproximar la distribución binomial por la de Poisson. Ejercicio 6 Sean [l variables independientes e idénticamente distribuidas según una X(0> 1) > l = 1> 2> 3> ===> 35. Calcula la probabilidad de que la suma de estas 35 v.a. uniformes tome un valor inferior a 20.5

Solución.Como las variables [l son independiéntes e idénticamente distribuidas, podemos aplicar el teorema central del límite en la forma de Lindeberg-Levy. Por tanto: 35 X l=1

[l ¡ q

p  q

¡! Q(0> 1)

en ley.

Como q ¸ 30> podemos considerar aceptable la aproximación de la v.a. Por tanto: 2

35 X

p [l por una Q(q>  q)=

l=1

3

35 X

6 7 [l ¡ q ¸ · 6 20=5 ¡ q 7 20=5 ¡ q 6 l=1 7 p p p s [l ? 20=5 ' s 6 ? 7's ] ? 6  q  q 7  q l=1 4 5 " 35 X

#

donde  y  es la media y la desviación típica poblacional de una v.a. X(0> 1) , que resultan: =

Z1 0

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{ ¢ g{ =

1 2

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8

v 1 0 1 12 u0 1 Z u Z u 1  = +t@ {2 g{A ¡ @ {g{A = p 12 0

0

Sustituyendo y tipi…cando tenemos que: " 35 # # " X 20=5 ¡ 35 ¤ 12 p s = s [] ? 1=7566] [l ? 20=5 ' s ] ? p1 35 l=1 12 s

" 35 X l=1

#

[l ? 0=75 ' s [] ? 1=7566] = 0=9599

Ejercicio 7 Si lanzamos un dado cúbico 100 veces . ¿Cuál es la probabilidad de que la suma de las caras sea mayor o igual que 300? ¿Y la probabilidad de que sea igual a 400?

Solución.Sean las variables [l , l = 1> 2> ===> 100 independientes e idénticamente distribuidas según una ley uniforme discreta X(1> 2> 3> 4> 5> 6) . Al igual que en el ejercicio anterior, aplicando el TCL en la forma de LindebergLevy, se tiene que: 100 X [l ¡ q l=1

p  q

¡! Q(0> 1)

en ley.

Como q ¸ 30> podemos considerar aceptable la aproximación de la v.a.

35 X

p [l por una Q(q>  q)=

l=1

Aplicando la corrección de continuidad: # " 100 " 100 # X X s [l ¸ 300 ' s [l A 299=5 l=1

Por tanto:

3

100 X

7 6 [l ¡ q · ¸ 7 6 299=5 ¡ q 299=5 ¡ q 7 6 l=1 p p p s A [l A 299=5 = s 6 7=s ]A 6  q  q 7  q l=1 5 4 " 100 X

donde  y resulta:

2

l=1

#

 es la media y la desviación típica poblacional de una v.a. discreta X(1> 2> 3> 4> 5> 6) , que =

6 X n=1

n ¢ s[[ = n] =

6 X n=1

n¤

1 = 3=5 6

v v u 6 u 6 uX uX 1 2 t (n ¡ ) ¢ s[[ = n] = +t (n ¡ 3=5)2 ¤ = 1=707 =+ 6 n=1

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n=1

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9

Sustituyendo tenemos que: # " 100 ¸ · X 299=5 ¡ 100 ¤ 3=5 p = s [] A ¡2=958] [l ¸ 300 ' s ] A s 1=707 ¤ 100 l=1 s

" 100 X l=1

#

[l A 299=5 ' s [] ? 2=95] = 0=9984

Para calcular la probabilidad de que la suma de las caras sea igual a 400, actuaremos del mismo modo: Corrección de continuidad: # " # " 100 100 X X [l = 400 = s 399=5 ? [l ? 400=5 s l=1

l=1

Realizando la aproximación a la normal: # " 100 ¸ · X 400=5 ¡ 100 ¤ 3=5 399=5 ¡ 100 ¤ 3=5 p p ?]? = s [2=89 ? ] ? 2=95] [l = 400 ' s s 1=707 ¤ 100 1=707 ¤ 100 l=1 s

" 100 X l=1

#

[l = 400 ' s [2=89 ? ] ? 2=95] = s [] ? 2=95] ¡ s [] ? 2=89]

Buscamos en la tabla de la Q(0> 1), " 100 # X s [l = 400 ' 0=9984 ¡ 0=9981 = 0=0003 l=1

Ejercicio 8 Supongamos que tenemos 50 representantes de cierto partido político, en una convención nacional, de los cuales 30 apoyan al candidato A y 20 al candidato B. En dicha convención se plantea llevar a cabo una encuesta para detectar la preferencia de los votantes con respecto a los candidatos A y B que ocuparán un puesto en la administración pública. Si se toma una muestra de 1000 ciudadanos, ¿cuál es la probabilidad de que 550 o más de los votantes indiquen una preferencia por el candidato A, si la población, con respecto a los candidatos se encuentra igualmente dividida?

Solución.Sea \ la variable aleatoria que representa el número de ciudadanos que tienen preferencia por el candidato A. \ =

1000 X l=1

Tenemos por tanto que

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[l

vlhqgr [l =

½

1 0

si el ciudadano l vota A si el ciudadano l no vota A

¡ ¢ ¾ 1 [l » Eh 12 ) \ » E( > 1000) Lqghs= [l 2

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p En tal situación se tiene que la media de \ es qs = 500 y su desviación típica qs (1 ¡ s) = 15=81= La probabilidad de que \ ¸ 550 se puede aproximar, dado que q es su…cietemente grande, por la distribución Normal. Por tanto si realizámos la correspondiente corrección de continuidad, tendremos: ¸ · 549=5 ¡ 500 = s [] ¸ 3=13] s [\ ¸ 550] ' s ] ¸ 15=81 Resultando: s [\ ¸ 550] ' 1 ¡ s [] · 3=13] = 0=0009 Ejercicio 9 Un dado cúbico corriente se lanza 200 veces. Hallar la probabilidad de que el lado 5 salga entre 30 y 33 veces.

Solución.Sea X la v.a. que nos indica el número de veces que sale el lado 5. Entonces: [ » E(200> 1@6) Buscamos s [30 · [ · 33] si consideramos la correción de continuidad entonces: ¤ £ s [30 · [ · 33] ' s 29=5 · [ 0 · 33=5

Por tanto, realizando la aproximación normal de una distribución binomial, resulta: · ¸ 33=5 ¡  29=5 ¡  ·]· s [30 · [ · 33] ' s   siendo

1  = q ¢ s = 200 ¤ = 33=33 6 r p 1 5  = + q ¢ s ¢ t = 200 ¤ ¤ = 5=27 6 6

Sustituyendo: s [30 · [ · 33] ' s

·

¸ 33=5 ¡  29=5 ¡  ·]· = s [¡0=726 · ] · 0=032]  

s [30 · [ · 33] ' s [] · 0=032] ¡ s [] · ¡0=726] = s [] · 0=032] + s [] · 0=726] ¡ 1 s [30 · [ · 33] ' 0=5120 + 0=7642 ¡ 1 = 0=2762 Ejercicio 10 En una clase de 40 alumnos la probabilidad de que una persona utilice gafas es 0.25 , ¿cuál es la probabilidad de que menos de 10 alumnos utilicen lentes ?

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Solución.Sea [ ´ Número de alumnos que utilizan gafas entonces [ » E(40> 0=25) como q ¢ s = 10 podemos aproximar la distribución binomial por la normal. Corrección de continuidad: ¤ £ s [[ ? 10] = s [[ · 9] ' s [ 0 · 9=5 · ¸ £ 0 ¤ 9=5 ¡  s [[ ? 10] ' s [ · 9=5 ' s ] ·  p siendo  = q ¢ s y  = q ¢ s ¢ t , ¸ · · ¸ 9=5 ¡ (40 ¤ 0=25) 9=5 ¡  =s ]· p s [[ ? 10] ' s ] · = s [[ · ¡0=182]  40 ¤ 0=25 ¤ 0=75 s [[ ? 10] ' 1 ¡ s [[ · 0=182] = 1 ¡ 0=5714= 0=4286 Ejercicio 11 Un día visitamos el Casino y decidimos jugar a la ruleta. Nuestra apuesta va a ser siempre al negro y cada apuesta de 3 euros. Llevamos 60 euros y queremos calcular la probabilidad de que tras jugar 80 veces consigamos doblar nuestro dinero.

Solución.Cada jugada es una variable independiente que sigue el modelo de distribución de Bernouilli. ½ 1 Salir Negro [l = 0 Salir Rojo Siendo: s = s[[l = 1] = 0=485 1 ¡ s = s[[l = 0] = 0=515 Hagamos notar que en el juego de ruleta la probabilidad de “no salir negro” es mayor ya que puede salir rojo o el cero. La media y varianza de cada variable Bernoulli  = s = 0=485 p p  = s ¢ t = 0=25 = 0=5 P Aplicando el TCL en la forma de Lindeberg-Levy a la variable [l , resulta que: l

\ =

X l

es decir: ]= CURSO EIR-2003

P l

p [l » Q(q>  q)

[l ¡ q p » Q(0> 1)  q c °A. Gámez, L.M. Marín, R. Huertas y S. Fandiño

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Para doblar nuestro dinero el negro tiene que salir al menos 20 veces más que el rojo ( ya que 20 * 3 = 60), por lo que tendrá que salir negro al menos 50 veces y por tanto el rojo o el cero saldrán como máximo 30 veces). Luego: 49=5 ¡ 80 ¤ 0=485 p ) S (\ ¸ 50) ' S (] A 0=5 ¤ 80 S (\ ¸ 50) ' s[] A 2=39] = 1 ¡ S (] ? 2=39) = 1 ¡ 0=9916 = 0=0084

Es decir, la probabilidad de doblar el dinero es tan sólo del 0,84% . Por tanto, lo mejor es no ir al Casino, pero si no puedes evitarlo no se te ocurra jugar a la ruleta y mucho menos apostar de modo continuo al negro. Nota: Podríamos haber resuelto el problema con la consideración de que: \ ´ E(q> s)> hubiese bastado realizar la aproximación de la Binomial a través de la Normal.

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5.12.2

13

EJERCICIOS PROPUESTOS

Ejercicio 12 La renta de los habitantes de un país se distribuye uniformemente entre 7500 euros y 10500 euros. Calcular la probabilidad de que al seleccionar al azar a 1000, personas la media de sus rentas supere los 9000 euros . Ejercicio 13 Un día visitamos el Casino y decidimos jugar en la ruleta. Nuestra apuesta va a ser siempre al negro y cada apuesta de 3 euros. Llevamos 60 euros y queremos calcular la probabilidad de que tras jugar 80 veces consigamos no perder nuestro dinero. Ejercicio 14 El precio de una acción en bolsa se mueve aleatoriamente entre 10 euros y 20 euros, con la misma probabilidad en todo el tramo. Hemos dado la orden a nuestro broker de que nos compre paquetes de 1.000 acciones cada día durante las próximas 40 sesiones. ¿Cuál será la probabilidad de que el precio medio de nuestras acciones sea superior a 15 euros? Ejercicio 15 Una moneda corriente se lanza 20 veces. Hallar la probabilidad de obtener entre 8 y 14 caras. 1. Utilizando la distribución Binomial. 2. Utilizando la aproximación normal a la distribución Binomial. 3. Utilizando las variables Bernoulli y el TCL en la forma de Lindeberg-Levy. Ejercicio 16 Entre 500 dígitos al azar, hallar la probabilidad de que el dígito 6 salga entre 50 y 65 veces. Ejercicio 17 En una asignatura del colegio, la probabilidad de que te saquen a la pizarra en cada clase es del 12%. A lo largo del año tienes 125 clases de esa asignatura. ¿Cuál es la probabilidad de tener que salir a la pizarra más de 18 veces? Ejercicio 18 Sabemos que el tiempo medio de espera en la cola de un Banco es de 15 min. con una desviación típica de 5 minutos. Si tomasemos al azar a un grupo de 35 clientes: 1. ¿Cuál es la probabilidad de que el tiempo medio de espera del grupo fuera menor de 17 minutos? 2. ¿Cuál es la probabilidad de que estuviera entre 12 y 16 minutos? Ejercicio 19 En unos grandes almacenes, la media de los salarios es de 700 euros, con una desviación típica de 120 euros. Si preguntaramos por su sueldo a 35 empleados, elegidos aleatoriamente, ¿cuál es la probabilidad de que la media correspondiente a los 35 fuera inferior a 600 euros? Ejercicio 20 Una compañía aérea sabe que el equipaje de sus pasajeros tiene como media 25 kg. con una desviación típica de 6 kg. Si uno de sus aviones transporta a 50 pasajeros. ¿Cuál es la probabilidad de que el peso medio de los equipajes de dicho grupo sea superior a 27 Kg? Ejercicio 21 El peso medio de las cápsulas producidas por una empresa farmacéutica es de 0.002 g. Se considera defectuosa aquella cápsula que tenga un peso superior a 0.0025 g., siendo la probabilidad de este suceso de 0.0062. Si se producen 30000 cápsulas, ¿cuál es la probabilidad de que se desechen 10 ? Ejercicio 22 Sean [1 > [2> ===[50 Pv.a. independientes e idénticamente distribuidas con distribución U(0,1). [l sea menor que 0.4. Calcular la probabilidad de que l

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Ejercicio 23 Calcule la probabilidad de que al lanzar 35 veces un dado salga la cara del 5 siete veces. Ejercicio 24 El 25% de una población está afectada por cierta enfermedad. Si se eligen 80 individuos al azar, calcula la probabilidad de que estén afectados: 1. Menos del 50% de los individuos. 2. Al menos el 30%. 3. Exactamente el 15 %. 4. Más del 12% y menos del 20% Ejercicio 25 En un pueblo de 800 habitantes hay un único salón de teatro, con una única sesión diaria. La probabilidad de que un habitante asista al teatro un día cualquiera es de 0.3. ¿Cuál será el aforo del teatro para que la probabilidad de que un individuo no encuentre sitio, un día cualquiera, sea como mucho de 0.02? (Suponer que los individuos asisten al teatro de modo independiente unos de otros.)

Ejercicio 26 Al tirar un dado trucado, la probabilidad de sacar 5 es doble que la de cualquiera de los restantes valores. Se lanza dicho dado 35 veces. ¿Cuál es la probabilidad de que salga 5 más de 20 veces?

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