Dpto. Didáctico de Matemáticas. Probabilidad. I.E.S. “La Ería” Año académico: 2010-2011 Departamento Didáctico de Matemáticas Nivel: Bach. CCSS Tema: Probabilidad. Complementos teórico-prácticos. Realizados por: D. Juan José Menéndez Díaz, Ldo. en CC. Físicas por la U.C.M. y profesor agregado de Matemáticas en E.S. Teoría de la Probabilidad. Experimento aleatorio: es aquel en el que no podemos predecir el resultado, aún partiendo de las mismas condiciones iniciales. Decimos que interviene el azar en ellos, para así contraponerlos a los experimentos deterministas, en los que sí podemos predecir el resultado. Espacio muestral o suceso seguro: es el conjunto de todos los posibles resultados de un experimento aleatorio. Se simboliza por E ú Ω. En la teoría de conjuntos equivale al conjunto universal. Suceso A: es un subconjunto del conjunto E, A E Conjunto de partes de E: E , es el conjunto de todos los sucesos de E, entre ellos E y , siendo el suceso imposible, en la teoría de conjuntos equivale al conjunto vacío en la unión o la intersección de conjuntos. Por ejemplo, se trataría del suceso “sacar un siete con un dado de parchís”, o bien al lanzar una moneda al aire el suceso “que quede suspendida en el aire”. NOTA: para la unión e intersección de sucesos se aplican las propiedades del álgebra de Bool y las Leyes de Morgan. Suceso contrario de un suceso A: A , en la teoría de conjuntos equivale al conjunto complementario. También se denomina a veces como A c Sucesos incompatibles: son aquellos que no pueden ocurrir simultáneamente, en términos de intersección de conjuntos A B . Sucesos independientes: son aquellos en los que para que ocurra uno de ellos no es necesario que ocurra el otro. Observación_1: el suceso imposible, Ø, es independiente de todos los demás. Observación_2: si P A 0, y A A es independiente de cualquier otro suceso. Espacio medible o probabilística: la estructura de álgebra de Bool sería E,E . En lugar de E podemos poner cualquiera otra que tenga estructura de álgebra. Una clase de sucesos de E, i E / i I, donde E es el espacio muestral e I es un conjunto de índices, es un álgebra si cumple: 1º. Ai Ai toda álgebra es cerrada respecto a la 2º. Ai , A j Ai A j complementación y a la unión de sucesos. Se puede probar también que: Si ψ es un álgebra no vacía, E y Definiciones y conceptos. Página.- i Dpto. Didáctico de Matemáticas. Probabilidad. En toda álgebra, si Ai , A j Ai A j La σ-álgebra más común es ,E , o bien ,A,A,E , obteniéndose el binomio E, , denominado espacio medible o probabilístico, σ-álgebra. Estas σ-álgebras se hacen necesarias por lo siguiente: Sabemos que la unión de un número finito de sucesos es k A1 A2 A3 Ak Ai i 1 Supongamos que el suceso Ai = “sacar una cara en el lanzamiento i-ésimo de una moneda”, éste se corresponde con el suceso: “que salga cara a la 1ª, o a la 2ª, …. , o la i-ésima, o a la …. “ Luego esto nos obliga a considerar la posibilidad de la unión de ∞ sucesos, aunque numerables. Lo mismo ocurriría para la intersección. Manteniendo el resto de propiedades, esto nos hace que ya no hablemos de un álgebra de Bool, sino de una σ-álgebra de subconjuntos de ese conjunto dado. Definición axiomática de probabilidad: es una aplicación del conjunto de las partes de E en los reales positivos, P :E , que verifica tres axiomas, debidos en su versión actual a KOLMOGOROV (1933): K1.- P A 0 K2.- Si A B , sucesos incompatibles, entonces PA B PA PB También podemos leer que la intersección de dos sucesos incompatibles es el suceso imposible, y en este caso la probabilidad de la unión es igual a la suma de las probabilidades individuales. Generalizándolo a más de dos sucesos incompatibles dos a dos, Ai A j P A i P A i i 1 i 1 K3.- PE 1 , la probabilidad del suceso seguro es igual a la unidad. Observación: esto es debido a que si transformamos la K2.- para muchos sucesos, tales que Ai A j P Ai P Ai , entonces, si por i 1 i 1 ejemplo, tomamos el intervalo 0,1 , la probabilidad de pinchar un número racional, ℚ, sería: P q 0 0 , ya que para cada número racional el número de Q0,1 1 0 casos favorables es uno y el de casos posibles ∞, luego Definiciones y conceptos. Página.- ii Dpto. Didáctico de Matemáticas. Probabilidad. Otros modelos de probabilidad: Modelo frecuentista: (solo para estudios superiores) n A PA lím , donde N es el número de veces que se repite una expeN N riencia, n A es la frecuencia absoluta con que sucede el suceso A. De igual modo, si f A es la frecuencia relativa correspondiente al suceso A, PA lím f A N Se basa en la Ley de Estabilidad de Frecuencias. (Ley de Bernouilli) La convergencia, f A PA cuando N , lo es en probabilidad, es decir, casi seguro que ocurre así. Modelo clásico: (ley de Laplace) numerode casos favorables PA numerode casos posibles Solo es válido en el caso en que todos los sucesos posibles sean equiprobables o verosímiles. Si el número de casos posibles es muy grande se hace necesario el empleo de la combinatoria. Modelo axiomático E,E, P : Axiomas: Si A B PA PB Como B A B A y A B A P B P A P B A , como P B A 0 , necesariamente se cumple el axioma. PA 1 , ya que A E PA PE 1 P A 1 PA Como A A E P A A P A P A P A P A A P A A A P A 1 PA P 0 , ya que E P 1 P E 1 1 0 PA B PA PB PA B , para sucesos compatibles o no (IMPORTANTE) Con A A B A B , donde además A B A B y sucesos incompatibles A B A B P A P A B P A B . Igualmente A B A B A B A B , donde los sucesos del segundo PB PA B P A B . De ambos hechos, y además de que miembro son incompatibles dos a dos, llegamos a que PA B PA B P A B P A B PA PB PA B Definiciones y conceptos. Página.- iii Dpto. Didáctico de Matemáticas. Probabilidad. Probabilidad condicionada: sea el espacio probabilístico E, , P . Se sabe ya que ocurrió el suceso B, B . Ahora PA, A , debe ser modificada, ya que por ejemplo: La probabilidad de sacar un cinco, al lanzar un dado de parchís, es 1 6 , pero si nos dicen que salió un número par, en ese caso el suceso sacar un cinco es imposible, es decir, la probabilidad ahora de sacar cinco es nula. Definimos la probabilidad condicionada PA / B , y leemos probabilidad de que se de el suceso A habiendo sucedido ya el suceso B, como PA B PA / B , con PB 0 . Se tata de una probabilidad ya que veriPB fica los axiomas: K1.- PA / B 0, A , ya que PB 0 y PA B 0 K2.- Si A C P A C / B P A/ B P C/ B PA C / B PA C B PA B C B , pero por ser PB PB los sucesos A B y C B incompatibles, entonces la probabilidad de la unión es igual a la suma de las probabilidades de cada uno de los PA B PC B conjuntos de la unión PA / B PC / B PB PB K3.- PE / B PE B PB PB PB 1 Observación_3: normalmente la probabilidad condicionada se suele escri- bir en la forma PA B PB PA / B , si además PA 0 , entonces tenemos que PA PB / A PB PA / B , y si los sucesos son además independientes, PA B PA PB Observación_4: tres sucesos independientes dos a dos son tales que P A B C P A P B P C , aunque no siempre es así. Ejemplo: Se lanzan dos dados, uno blanco y otro negro. Sean los sucesos A=”sacar puntuación impar con el dado negro”, B=”sacar puntuación impar con el dado blanco” y C=”que la suma de lo sacado sea par”. 1 PA , ya que la mitad de los números son pares y la mitad impares 2 1 PB , por igual motivo. 2 Para este último caso mira las explicaciones que vienen a continuación 1 y de ellas verás que PC . Observa que: 2 par + par = impar + impar = par par + impar = impar + par = impar pares negro 3 total9 pares blanco3 imparesnegro3 total9 Definiciones y conceptos. Página.- iv Dpto. Didáctico de Matemáticas. Probabilidad. paresnegro 3 total9 impares blanco 3 imparesnegro 3 total9 Total de casos posibles 9 4 36 Total de casos favorables 9 2 18 favorables 18 1 Probabilidad de Laplace PC posibles 36 2 Probabilidad de que salga impar negro e impar blanco 1 1 1 PA B PA PB PA C PB C , ya que son 2 2 4 todas ellas independientes. Sin embargo, la probabilidad de que salga impar negro, impar blanco y que la suma sea par será PA B C PA B PC / A B PA PA / B PC / A B 1 1 1 1 1 1 1 1 PA PB PC , ya que el que la suma 2 2 4 2 2 2 8 sea par habiendo salido blanco e impar y negro e impar es PC / A B PE . Luego la independencia debe pedirse, no solo para los sucesos dos a dos, sino también para las ternas. Probabilidad compuesta: la probabilidad de que se produzcan muchos sucesos a la vez, será: n P Ai PA1 PA 2 / A1 PA3 / A1 A 2 PA n / A1 A 2 A n 1 i 1 Observación_5: no confundir sucesos incompatibles con sucesos independientes, ya que para los primeros A B , mientras que para los segundos PA B PA PB Probabilidad total: por lo general, un suceso no ocurre de manera aislada sino que para que ese suceso ocurra se han de analizar diversos hechos, motivos, circunstancias aisladas, pero todas determinantes de que pueda ocurrir dicho suceso. Por ejemplo, un avión al aterrizar o al despegar se puede estrellar por culpa de los pilotos, por el estado de las ruedas del tren de aterrizaje, por la niebla, la lluvia o el hielo, etc. … Sean A1 , A2 , A3 , , An un sistema completo de sucesos, es decir A1 A2 An E , y además Ai A j . Para un suceso cualquiera B, se tiene que B E B B A1 A2 An B B A1 B A2 B An B , por constituir A1 , A2 , A3 , , An un sistema completo de sucesos, entonces los sucesos B A1 , B A2 , , B An son incompatibles entre si, por lo que P B P A1 P B / A1 P A2 P B / A2 la probabilidad total. Definiciones y conceptos. n P An P B / A n P Ai P B / Ai , que es Página.- v i 1 Dpto. Didáctico de Matemáticas. Probabilidad. Fórmula de Bayes: para uno cualquiera de los sucesos Aj se verifica siempre que: P B Aj P Aj P B / Aj n P A j / B P B P Ai P B / Ai i 1 Ya que P A j B P A j P B / A j P B P A j / B , ver observación_3 . Hay que distinguir las expresiones; P A j , es la “probabilidad a priori”. Nos la dan. P A j / B , es la “probabilidad a posteriori”. Nos la piden. P A j P B / A j , son las “verosimilitudes”. Se deducen de los datos iniciales. P B , es la “probabilidad total”. Se calcula como se ha visto anteriormente. Ejemplos de aplicación: E1.- de la fórmula de Bayes: Tenemos seis cajas que contienen cada una doce bombillas en total, entre buenas y fundidas. Una caja contiene 8 buenas y 4 fundidas. Dos cajas contienen 6 buenas y 6 fundidas. El resto, 3 cajas, contienen 4 buenas y 8 fundidas. Se elige una caja al azar y se extraen tres bombillas sin reemplazamiento, el resultado es que 2 son buenas y 1 está fundida. ¿Cuál es la probabilidad de que la caja elegida contenga exactamente 6 buenas y 6 fundidas?. Sucesos, C=”extraer dos bombillas buenas y una fundida”, Ai=”escoger una caja del tipo i”, Bi=”sacar una bombilla buena a la i-ésima”. 1 1 1 Probabilidades a priori, P A1 ; P A 2 ; P A3 6 3 2 El conjunto E A1 , A2 , A3 es un sistema completo de sucesos, ya 1 1 1 6 3 2 Tener en cuenta que el suceso “elegir una caja del tipo 1, 2 o 3 “es independiente de la forma en que se extraen las bombillas, y que éstas se extraen sin reemplazamiento. Probabilidad total que P E P A1 P A 2 P A3 A B B B A B B B B A B B B A B B B B A B B B A B B B como P C P A1 B1 B2 B3 A B B A 2 B1 B2 3 1 2 1 1 1 2 3 1 1 2 3 2 1 2 3 2 1 2 3 3 3 1 2 3 3 1 2 3 3 cada uno de los sucesos encerrados entre paréntesis entre uniones, son incompatibles entre si, entonces lo anterior se transforma en P C P A1 P B1 B2 B3 P A1 P B1 B2 B3 P A1 P B1 B2 B3 P A2 P B1 B2 B3 P A2 P B1 B2 B3 P A 2 P B1 B2 B3 Definiciones y conceptos. Página.- vi Dpto. Didáctico de Matemáticas. Probabilidad. P A3 P B1 B2 B3 P A3 P B1 B2 B3 P A3 P B1 B2 B3 , cada uno de los sumandos son las verosimilitudes. Así las verosimilitudes desarrolladas serán: P A P B P B / B P B / B B P A P B P B / B P B / B B 14 P A P B P B / B P B / B B 165 P C A P A P B B B P A P B B B P A P B B B P A P B P B / B P B / B B P A P B P B / B P B / B B 3 P A P B P B / B P B / B B 22 P C A P A P B B B P A P B B B P A P B B B P A P B P B / B P B / B B P A P B P B / B P B / B B 6 P A P B P B / B P B / B B 55 1 1 1 2 1 2 2 2 3 3 2 3 1 2 3 1 2 1 1 2 2 1 3 1 2 3 2 3 2 1 1 2 1 2 1 2 2 3 Con lo que la probabilidad total será P C 1 1 2 3 1 14 165 3 1 3 22 3 2 6 55 1 1 P A2 / C P C P A2 P C / A2 P C 3 1 109 330 3 45 22 109 109 330 Por diagrama de árbol: 6 10 B3 711 B 4 2 1 8 7 4 14 10 B3 total 8 6 12 11 10 495 12 B1 1 8 4 7 14 710 B total 3 4 11 6 12 11 10 495 B2 3 10 1 6 B3 tipo _1 1 4 8 7 14 710 811 B3 total 6 12 11 10 495 B2 4 4 10 12 B3 B1 8 10 3 B3 11 B2 2 10 B3 Tener en cuenta para el cálculo: Siguiendo una misma rama las probabilidades que nos encontremos se van multiplicando Definiciones y conceptos. Página.- vii 3 2 2 La probabilidad a posteriori pedida es P C A2 2 2 3 3 1 2 1 3 1 2 3 3 1 1 1 2 1 2 1 3 1 2 1 3 1 2 1 3 1 1 2 1 2 P C A1 P A1 P B1 B2 B3 P A1 P B1 B2 B3 P A1 P B1 B2 B3 3 2 Dpto. Didáctico de Matemáticas. Probabilidad. Al cambiar de rama las probabilidades que se acumulen en la misma mediante productos se suman en el total. Para el resto de las verosimilitudes: 4 10 B3 511 B 6 2 1 6 5 6 1 10 B3 total 6 3 12 11 10 22 12 B 1 1 6 6 5 1 510 B3 total 6 11 3 12 11 10 22 B2 5 1 10 3 B3 tipo _ 2 1 6 6 5 1 510 611 B3 total 3 12 11 10 22 B2 6 5 10 12 B3 B1 6 10 5 B3 11 B 2 4 10 B3 2 10 B3 311 B 8 2 1 4 3 8 2 10 B3 total 4 2 12 11 10 55 12 B 1 1 4 8 3 2 310 B3 total 8 11 2 12 11 10 55 B2 7 10 1 2 B3 tipo _ 3 1 8 4 3 2 310 411 B3 total 2 12 11 10 55 B2 8 7 10 12 B3 B1 4 10 B3 7 11 B 2 6 10 B3 Así pues P C A1 14 14 495 495 2 2 2 6 P C A3 55 55 55 55 14 495 14 165 , P C A2 Con lo que la probabilidad total será P C 14 3 1 22 1 22 6 1 22 3 , 22 109 165 22 55 330 Los diagramas de árbol ayudan mucho a aclarar las ideas, pero ocupan mucho espacio para que sean claros, y deben serlo, pues en caso contrario lo único que harían sería complicarnos más las cosas. Definiciones y conceptos. Página.- viii Dpto. Didáctico de Matemáticas. Probabilidad. E2.- de Bayes. A una prueba de selección de personal acuden personas con y sin titulación. Se sabe que la probabilidad de que un titulado supere la prueba es del 60%, y la de que un no titulado la supere es del 40%. Si la probabilidad de que un individuo, elegido al azar, supere la prueba es del 48%, calcular la proporción de individuos titulados y la probabilidad de que sea un no titulado, sabiendo que no ha superado la prueba. Sucesos A=”tener título” y B=”superar la prueba”. Probabilidades a priori P B/ A 0.6 , P B / A 0.4 y P B 0.48 Sistema completo E A, A B, B Probabilidad total P A P B / A P A P B / A P A P B / A 1 P A P B / A P B P A B A B P A B P A B De donde P A P B P B / A 0.48 0.4 0.4 0.6 0.4 P A B P A P B / A 0.6 0.6 9 P A / B , ya que P B P B 0.52 13 P B / A 1 P B / A 1 0.4 0.6 P B / A P B / A E3.- teórico. Sean A y B dos sucesos sobre , , P , donde P A 0.7 y P B 0.5 . ¿Pueden ser A y B incompatibles?. Si A y B son independientes, calcular la probabilidad de que se de uno de ellos. Si A B P A B 0 P A B P A P B 1.2 , lo cual es absurdo A B , no son incompatibles. P A B P A P B , por ser independientes, con lo que la probabilidad de que ocurra uno solo será P uno solo P A B A B P A B P A B , como, por otro lado, sabemos que P A P A B P A B P A B P A P A B P A P A P B , con lo que P A B P A 1 P B P A P B , y de igual modo P unoi solo P A P B P A P B 0.7 0.5 0.3 0.5 0.5 P A B P B P A , nos queda definitivamente que E4.- Sean A y B dos sucesos independientes. ¿Son también independientes A y B . ¿Podemos poner que P A B 1 P A P B ?. Definiciones y conceptos. Página.- ix Dpto. Didáctico de Matemáticas. Probabilidad. A y B independientes P A B P A P B , por otro lado A A B A B P A A B P A B P A B P A P A B P A 1 P B P A P B , luego si son independientes. De igual modo se puede demostrar que los sucesos A y B, y A y B también lo son. P A B P A P B P A B P A P B P A P B P A B P A 1 P B P B P A P B 1 P B P A B P B P A 1 1 1 P B 1 P A 1 P A P B como queríamos demostrar. E5.- Un jugador de fútbol, especialista en lanzar penaltis, mete 4 de cada 5 que tira. Para los próximos tres penaltis que tire, se consideran los siguientes sucesos A=”mete solo uno de ellos”, B=”mete dos de los tres” y C=”mete el primero”. Halla la probabilidad de los sucesos A B, A C y B C . 4 4 1 5 5 5 Llamemos M a meter el penalti y F a fallarlo. P M P F 1 , del enunciado. El diagrama de árbol sería: 4 4 4 64 45 4 M MMM 5 5 5 125 5 M 1 4 4 1 16 5 F MMF 4 5 5 5 125 5 M 4 1 4 16 45 M MFM 1 5 5 5 125 5 F 1 4 1 1 4 5 F MFF 5 5 5 125 1 4 4 16 45 4 M FMM 5 5 5 125 5 M 1 1 4 1 4 5 F FMF 1 5 5 5 125 5 F 1 1 4 4 45 M FFM 1 5 5 5 125 5 F 1 1 1 1 1 5 F FFF 5 5 5 125 De donde A MFF, FMF, FFM , B MMF, MFM, FMM y C MMM, MMF, MFM, MFF . A B MFF, FMF, FFM, MMF, MFM, FMM A B , A C MFF y B C MMF, MFM Definiciones y conceptos. Página.- x Dpto. Didáctico de Matemáticas. Probabilidad. Luego, nos queda: 4 1 1 4 4 1 1 12 4 4 1 48 P A 3 , P B 3 , P A C , 5 5 5 125 5 5 5 125 5 5 5 125 4 4 1 4 1 4 32 P B C 5 5 5 5 5 5 125 12 48 60 P A B P A P B P A B 0 125 125 125 E6.- En una clase de infantil hay 6 niñas y 10 niños. Si se escogen tres alumnos al azar, ¿Cuál es la probabilidad de que sean los tres niños?. ¿Y dos niños y una niña?. ¿Y al menos un niño?. Sucesos Ni=”niño a la i-ésima”, ni=”niña a la i-ésima” 10 9 8 3 P 3 niños P N1 P N2 / N1 P N3 / N1 N 2 16 15 14 14 P 2N1n NNn NnN nNN , las tres son equiprobables, luego nos quedará 10 9 6 27 16 15 14 56 1 27 , ya que P al menos un niño P ningún niño 1 P tres niñas 1 28 28 6 5 4 1 P tres niñas P n1 P n 2 / n1 P n 3 / n1 n 2 16 15 14 28 P 2N1n 3 P N1 P N 2 / N1 P n 3 / N1 N 2 3 Definiciones y conceptos. Página.- xi Dpto. Didáctico de Matemáticas. Probabilidad. I.E.S. “La Ería” Año académico: 2004-2005 Departamento Didáctico de Matemáticas Nivel: Bach. CCSS Tema: Álgebra de Bool y Leyes Morgan Complementos teórico-prácticos. Realizados por: D. Juan José Menéndez Díaz, Ldo. en CC. Físicas por la U.C.M. y profesor agregado de Matemáticas en E.S. Leyes de Morgan y álgebra de Bool: sean A y B dos sucesos de un experimento aleatorio cuyo espacio muestral es E. Suceso seguro: conjunto E , espacio muestral, contiene a todos los sucesos elementales, y por tanto, ocurrirá siempre. Suceso imposible: es el conjunto vacío , no posee sucesos elementales. Unión de sucesos: A B , es el suceso formado por los resultados del experimento que pertenecen a alguno (uno al menos) de los sucesos A y B. AE E A A c AA AA E Intersección: A B , es el suceso formado por los resultados del experimento que pertenecen simultáneamente a los dos sucesos A y B. AE A A c AA AA Diferencia: A B , es el suceso formado por los resultados del experimento que pertenecen a A y no a B. A B A B B A A B A B A B A Bc Suceso contrario: A Ac E A , es el suceso formado por los resultados del experimento que no pertenecen a A. También se denomina suceso complementario. Sucesos incompatibles: se dice que dos sucesos A y B son incompatibles cuando A B . Leyes de Morgan: A B A A B c A B A c Bc A B A B c c Bc A B Resto de propiedades: (Álgebra de Bool) Conmutativas: A B B A , y A B B A Asociativas: A B C A B C , y A B C A B C Idempotentes: A A A , y A A A Absorción: A A B A , y A A B A , también se la denomina de simplificación. Definiciones y conceptos. Página.- i Dpto. Didáctico de Matemáticas. Probabilidad. Distributivas: A B C A B A C , y para la intersección A B C A B A C Elementos neutros: A A , A , A E A , y por último A E E . c c Complementación: E E y E c Involución: A A A c Propiedades de las probabilidades: P A B P A P B P A B , para sucesos compatibles, para sucesos incompatibles P A B P A P B P A B P A P B/ A P B P A/ B , para sucesos dependientes, para sucesos independientes, P A B P A P B Ejemplos gráficos: AB A A A B B AB AB A A B A B B C C B C A C AB A B C A B A C A A A B B B C C C A C AB A B C A B A C E B A Ac AB AB A B A A B A B A B B A Definiciones y conceptos. Página.- ii