Monte Carlo calcula usando muestras de un modelo aleatorio. Antes de generar números, decidiremos qué representan y qué media, probabilidad o integral queremos conocer. Empezaremos con pocas posibilidades que se pueden enumerar a mano. Después mediremos la variación del resultado y veremos qué errores no desaparecen aunque simulemos millones de veces.
Si necesitas repasar:
1. La distribución y la pregunta se fijan antes de generar muestras
Una variable aleatoria asigna un número a los resultados del modelo. Su distribución dice qué probabilidades tienen esos valores. Si hay varias variables, también importa cómo dependen entre sí: conocer cada distribución por separado no determina siempre la distribución conjunta.
La aleatoriedad puede representar variación del fenómeno o ser una herramienta para calcular una integral. En ambos casos declaramos el objetivo. Una colección de números sin una regla de muestreo y una pregunta no constituye por sí sola una estimación interpretable.
Una media y una probabilidad del mismo dado son dos preguntas
Dado ideal con caras 1,2,3,4,5,6 equiprobables.
Media
E[X]=(1+2+3+4+5+6)/6=7/2.Umbral
P(X≥5)=2/6=1/3: cuentan solo las caras cinco y seis.
Simular
Para la primera pregunta se promedian valores; para la segunda se promedian indicadores cero o uno. La misma muestra puede alimentar dos estimadores distintos.
Definir el objetivo decide qué operación hacemos sobre cada réplica.
La media 3,5 no es una cara del dado ni una probabilidad.
Dos marginales iguales pueden ocultar dependencias distintas
X e Y son Bernoulli de probabilidad 1/2, es decir, cada una vale cero o uno con igual probabilidad.
Independientes
La suma X+Y tiene varianza 1/4+1/4=1/2.Copias idénticas
Si Y=X, la suma es 2X y su varianza es 4·(1/4)=1.Comparar
Las distribuciones individuales son las mismas en ambos modelos. Cambia la dependencia y con ella la incertidumbre de la suma.
No basta con especificar cómo es cada variable por separado.
En el segundo caso conocer X determina por completo Y.
2. La media de muestras puede ser correcta en esperanza y distinta en cada ejecución
Con réplicas IID de media finita μ, la media muestral μ estimada=(ΣXᵢ)/n es insesgada: su esperanza es μ. Para esa igualdad basta linealidad e igual media; la independencia cumple otros papeles, como la fórmula de varianza y el marco usual de la ley de los grandes números.
La ley de los grandes números explica convergencia al aumentar n bajo sus hipótesis. No significa que una muestra finita sea exacta ni proporciona automáticamente una tolerancia garantizada para un n concreto. Insesgo describe repeticiones del procedimiento, no la exactitud de una realización.
Enumerar todas las medias de dos ensayos
X₁ y X₂ independientes, cada una Bernoulli con p=1/3; K cuenta éxitos.
Cero
P(K=0)=(2/3)²=4/9 y la media es cero.Uno o dos
P(K=1)=2·(1/3)(2/3)=4/9 y la media 1/2; P(K=2)=1/9 y la media uno.Esperanza
0·(4/9)+(1/2)(4/9)+1·(1/9)=1/3.La media del estimador coincide con p aunque sus valores posibles sean cero, un medio y uno.
La distribución del estimador puede estudiarse antes de una ejecución.
Su segundo momento es 2/9 y su varianza 2/9−(1/3)²=1/9.
Una realización no tiene que coincidir con la probabilidad del modelo
Modelo Bernoulli p=1/3; cuatro réplicas dan [0;1;1;0].
Estimar
La media es 2/4=1/2.Error observado
Respecto del p conocido de este ejemplo, el error es 1/2−1/3=1/6.
Interpretar
El resultado no refuta por sí solo el modelo ni el insesgo. Esta secuencia tiene probabilidad positiva; otro conjunto de réplicas podría dar otra media.
Un procedimiento insesgado sigue teniendo variabilidad.
Al informar una simulación se añade una medida de precisión, no solo una media.
3. El error estándar mide dispersión del estimador y baja como una raíz
Si las réplicas son independientes con varianza finita σ², Var(ΣXᵢ)=nσ² y Var de la media es σ²/n. Su desviación típica, σ/√n, se llama error estándar. Mide cómo variarían las estimaciones entre repeticiones, no el error absoluto de la ejecución observada.
Para dividir ese error estándar por dos hay que cuadruplicar n, conservando distribución y dependencia. La fórmula necesita segundo momento finito. La existencia de una media y una ley de grandes números no garantiza por sí sola una varianza finita ni una aproximación normal con esa escala.
Cuadruplicar muestras reduce a la mitad la dispersión típica
σ=6 conocida y réplicas independientes.
Primer tamaño
Con n=144, SE=6/12=1/2.Cuatro veces más
Con n=576, SE=6/24=1/4.Alcance
Se ha calculado una desviación típica entre posibles estimaciones. No se asegura que el error de cada ejecución sea exactamente ese valor.
El coste puede multiplicarse por cuatro para ganar solo un factor dos en precisión típica.
La cantidad σ describe las réplicas; SE describe su promedio.
Una media finita no basta para aplicar la fórmula de varianza
Distribución Pareto con densidad (3/2)x⁻⁵ᐟ² para x≥1.
Media
E[X]=(3/2)∫₁∞x⁻³ᐟ²dx=3, finita.Segundo momento
E[X²]=(3/2)∫₁∞x⁻¹ᐟ²dx diverge.Consecuencia
La ley usual IID de grandes números puede aplicarse a la media, pero no existe una σ finita para usar σ/√n ni el CLT normal de varianza finita.
Convergencia de una media y su escala de incertidumbre necesitan hipótesis distintas.
No se trata como ruido normal cualquier cola que produzca ocasionalmente valores enormes.
4. Si la varianza se estima, la precisión también es una estimación
Con n≥2 y muestras IID de segundo momento finito, s²=Σ(Xᵢ−media)²/(n−1) estima la varianza de las réplicas. El error estándar estimado es s/√n. No se usa n−1 como denominador de la media ni se sustituye σ por el valor promedio.
Un intervalo normal aproximado necesita una aproximación justificada para la distribución del estimador. No es una garantía universal por alcanzar cierto número de muestras. Para variables acotadas existen otras cotas finitas, con sus propias hipótesis y costes.
Separar varianza muestral y error estándar
Datos ilustrativos [2;2;4;8].
Centro
La media es cuatro. Las desviaciones son −2,−2,0 y cuatro.
Varianza
La suma de cuadrados es 4+4+0+16=24.Con n−1=3, s²=8.Promedio
SE estimado=√8/√4=√2.No es ocho ni la desviación de cada dato.
Cada denominador pertenece a una cantidad distinta.
Cuatro observaciones no justifican por sí solas una aproximación normal precisa para cualquier distribución.
Un intervalo aproximado declara su marco
Una estimación vale dos y su SE es 0,05; se ha justificado una aproximación normal para ese estimador.
Margen
Para un nivel aproximado 95 %, usar 1,96·0,05=0,098.Intervalo
Queda [1,902;2,098].
Interpretar
El nivel se refiere a la cobertura aproximada del procedimiento bajo el modelo y sus condiciones, no a una certeza absoluta ni a una probabilidad posterior automática del parámetro.
La etiqueta aproximado conserva el alcance real del cálculo.
Con varianza desconocida u otras hipótesis puede corresponder otra distribución o método de intervalo.
Una cota finita puede requerir más muestras que una regla informal
Réplicas IID en [0,1]; se quiere error absoluto menor que 0,05 con probabilidad de fallo como máximo 0,05.
Cota
Hoeffding da P(|media−μ|≥ε)≤2exp(−2nε²) para estas réplicas acotadas.
Despejar
Con ε=0,05 se exige 2exp(−0,005n)≤0,05, es decir, n≥ln40/0,005.Entero
El mínimo entero que cumple esa desigualdad es 738. Es una garantía de la cota bajo esas hipótesis, no una predicción del error exacto que saldrá.
Una tolerancia probabilística necesita declarar tanto tamaño de error como probabilidad de fallo.
La cota puede ser conservadora y no se aplica sin revisar acotación e independencia.
5. Las probabilidades se estiman contando indicadores, incluso si el suceso es raro
La indicadora de un suceso A vale uno si ocurre y cero si no. Su esperanza es P(A), así la proporción de éxitos estima esa probabilidad.
Tampoco una varianza muestral cero en ese caso certifica precisión perfecta: solo dice que no hubo variación en lo observado. Los sucesos raros pueden requerir muchos más ensayos o métodos especiales.
Una proporción y su dispersión corresponden al mismo indicador
En 200 réplicas independientes ocurren 30 éxitos.
Estimación
p estimada=30/200=0,15.Error estándar usual estimado
La sustitución asintótica usa √[0,15·0,85/200], aproximadamente 0,02525.
Alcance
La fórmula estima dispersión bajo réplicas Bernoulli IID. No transforma automáticamente ±SE en un intervalo de confianza válido al nivel que se desee.
La proporción es un promedio de ceros y unos.
Con p conocida se usaría p en la varianza exacta; aquí se la estimó con los datos.
Un evento posible puede no aparecer en mil intentos
p=0,001 y n=1000 réplicas Bernoulli independientes.
Ceros
La probabilidad de ningún éxito es (1−p)ⁿ=0,999¹⁰⁰⁰≈0,3677.Resultado posible
En más de una tercera parte de repeticiones de este experimento se observarían cero éxitos, pese a que p sea positiva.
Límite informativo
Si se observan ceros con n fijado, resolver (1−p)ⁿ=0,05 da el límite superior unilateral exacto habitual 1−0,05¹ᐟⁿ, aproximadamente 0,002991 para n=1000. Su interpretación exige ese marco Bernoulli IID y el procedimiento de confianza correspondiente.
Ausencia en la muestra y ausencia en el modelo no son la misma afirmación.
No se cambia n después de mirar los datos conservando sin revisión las mismas garantías.
6. Una integral requiere la longitud del intervalo o los pesos de la densidad elegida
La integral se estima multiplicando la media de f(U) por b−a. Olvidar esa longitud estima una media distinta de la integral.
Con densidad q, la identidad de importancia usa E[f(X)/q(X)]=∫f si q cubre donde f contribuye y existe la integrabilidad adecuada. Cambiar cómo se muestrea sin los pesos cambia el objetivo. Una propuesta que evita una zona necesaria pierde su contribución.
Una media de alturas no es el área hasta multiplicar por anchura
Integrar x² en [0,2]; cuatro valores ilustrativos U son 1/4,3/4,5/4,7/4.
Alturas
Sus cuadrados suman (1+9+25+49)/16=21/4.Media y área
La media es 21/16; multiplicar por longitud dos da estimación 21/8.
Referencia
La integral exacta es 8/3. El error de estos valores ilustrativos es 21/8−8/3=−1/24; no se presentan como una ejecución aleatoria realmente medida.
El factor de longitud conserva el objetivo integral.
La precisión de una realización concreta y su SE se calculan como preguntas distintas.
Una propuesta adecuada puede quitar variabilidad y una incompleta puede introducir sesgo
Integral de f(x)=2x en [0,1], cuyo valor es uno.
Propuesta completa
Elegir q(x)=2x da peso f/q=1 casi seguramente.Se puede generar X=√U con U uniforme; el estimador vale uno en cada réplica.
Soporte incompleto
Elegir q=2 solo en [0,1/2] y cero fuera muestrea únicamente la primera mitad.
Efecto
Con pesos f/q=x en esa mitad, la esperanza es 1/4: la integral de f en [0,1/2]. Falta la contribución 3/4 del resto. Aumentar n no la inventa.
Importancia no significa favorecer regiones y seguir promediando sin comprobar la identidad.
La razón del primer caso se usa donde q es positiva; el punto cero no contribuye al integral.
7. La dependencia cambia la varianza y también puede aprovecharse de forma deliberada
La varianza de una media incluye covarianzas: Var(media)=σ²/n+(2/n²)Σᵢ<ⱼCov(Xᵢ, Xⱼ) si las marginales comparten varianza σ². Correlaciones positivas pueden aumentar incertidumbre y negativas reducirla. Un simple contador de registros no determina precisión.
En cadenas de Markov se necesitan además condiciones de convergencia y estimación apropiada de incertidumbre. No se trata cada estado consecutivo como réplica IID sin justificarlo. Una construcción antitética usa dependencia negativa deliberada y analiza el estimador de pares.
Mil filas pueden contener solo diez sorteos distintos
Se generan diez variables independientes con varianza σ² y cada una se repite cien veces.
Promedio real
La media de las mil filas es exactamente la media de los diez sorteos originales.
Varianza
Su varianza es σ²/10, no σ²/1000. El SE real es diez veces el que sugeriría tratar todas las filas como independientes.
Extremo
Si todas las filas fueran la misma Z, la media sería Z y su varianza σ² no bajaría al aumentar n.
Repetir datos no añade réplicas independientes.
El modelo de dependencia se conserva al informar tamaño de muestra efectivo.
Un par antitético puede reducir varianza sin cambiar la esperanza
U uniforme en [0,1]; usar U y 1−U como pareja.
Función lineal
Para f(x)=x, la media del par es [U+(1−U)]/2=1/2, sin variabilidad.
Cuadrática
Para f(x)=x², el estimador de par es U²−U+1/2.Su esperanza es 1/3 y su varianza 1/180.
Comparación
Dos evaluaciones independientes de U² darían media con varianza 2/45, ocho veces mayor. Se comparan parejas y costes equivalentes; dentro de la pareja antitética no hay independencia.
La dependencia puede formar parte del diseño del estimador.
La mejora depende de f: no se promete la misma reducción para cualquier función.
8. Reproducir la secuencia y comprobar el modelo son tareas distintas
Un generador pseudoaleatorio sigue una regla determinista desde un estado inicial. Para reproducir se guardan generador, versión, semilla, parámetros y reparto de secuencias entre procesos. La semilla sola no determina todos esos detalles.
Una secuencia repetible puede muestrear una distribución equivocada o repetir bloques como si fueran independientes. Se comprueban casos conocidos, momentos y transformaciones del modelo. Estas comprobaciones finitas detectan fallos, pero no prueban por sí solas todas las propiedades estadísticas del generador.
Conservar estado evita duplicar bloques por accidente
Generador didáctico s siguiente=(5s+1) mod16, inicio tres.
Continuo
Los siguientes estados son cero, uno, seis y quince.
Dos bloques
Tras [0;1], el estado final uno produce [6;15] si se continúa.
Reinicio
Volver a semilla tres en cada bloque da [0;1;0;1]. No es la misma secuencia ni una forma justificada de crear réplicas independientes.
El reparto paralelo se diseña y se registra.
Este generador pequeño solo ilustra estado; no se propone como herramienta de simulación científica.
Una transformación conocida permite comprobar el muestreo
Se quiere densidad q(x)=2x en [0,1] y se usa X=√U.
Distribución
P(X≤x)=P(U≤x²)=x² para 0≤x≤1.Densidad
Derivar la función de distribución da q(x)=2x, la deseada.Control
La media teórica es ∫₀¹2x²dx=2/3.Un control numérico puede contrastarla sin reemplazar la demostración de la transformación.
Conocer qué distribución produce la regla es más importante que generar muchos valores.
Usar X=U en su lugar daría otra distribución aunque se conservara la misma semilla.
9. Más réplicas no corrigen una discretización ni un modelo equivocados
La variabilidad Monte Carlo viene del número finito de muestras. El sesgo puede venir de una aproximación del modelo, una discretización o un estimador. Las entradas también pueden ser inciertas. Aumentar n reduce la primera fuente en su marco, no elimina automáticamente las otras.
Un informe conserva estimación, objetivo, n, dependencia, SE o intervalo con condiciones y controles realizados. Si cada réplica resuelve una ecuación aproximada, también se comprueban paso temporal, malla y tolerancias. El resultado se valida para la pregunta original y no solo para la versión simulada.
Una réplica determinista ya puede revelar un sesgo de discretización
y′=−y, y(0)=1; aproximar y(1) por Euler explícito con h=1/2.
Dos pasos
La actualización multiplica por 1−h=1/2.Después de dos pasos resulta 1/4.
Exacto
La solución continua es exp(−1), aproximadamente 0,3679, distinta de 0,25.
Repetir
Repetir ese mismo cálculo cualquier número de veces da media 0,25 y variación Monte Carlo cero. No elimina la diferencia debida al paso temporal.
Precisión estadística y precisión de la ecuación resuelta se controlan por separado.
Refinar h responde a otra fuente de error que aumentar réplicas.
El estimador converge al modelo que realmente se muestrea
La probabilidad real de interés fuera del simulador es 0,6, pero el programa usa Bernoulli p=0,5.
Objetivo simulado
La media de réplicas del programa apunta a 0,5 por la ley de grandes números bajo ese modelo.
Más n
Puede estimar 0,5 con un SE muy pequeño y seguir lejos de 0,6.
Diagnóstico
Hay que comprobar el dato o la ley que fijó la probabilidad. Un intervalo estrecho del modelo incorrecto no demuestra validez para el fenómeno de interés.
Calcular con precisión y representar bien la realidad son dos comprobaciones necesarias.
La comparación usa un valor real conocido solo para este ejemplo didáctico.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Estimar una media
Muestras 1,2,3,6. Calcula la media Montecarlo.
Objetivo
La media Monte Carlo de cuatro valores se calcula sumando y dividiendo entre cuatro.
Sumar
1+2+3+6=12.Promediar
12/4=3.Desviaciones
Respecto de tres son −2,−1,0 y tres.
Control
Su suma −2−1+0+3=0, propiedad del centro muestral.Alcance
Tres es la estimación de esta muestra. Una incertidumbre de simulación requiere además las hipótesis de muestreo y una medida de dispersión, no solo esa suma cero.
Estimación 3.
Los desvíos −2,−1,0,3 suman cero.
EJEMPLO RESUELTO 2
Calcular error estándar
σ=4 conocida y n=100 muestras independientes. Halla SE.
Hipótesis
Las cien muestras son independientes y tienen desviación típica conocida σ=4.
Varianza del promedio
Var(media)=σ²/n=16/100=0,16.Raíz
SE=√0,16=0,4.Fórmula equivalente
σ/√n=4/10=0,4.Más muestras
Con n=400, SE=4/20=0,2: se cuadruplica n para reducirlo a la mitad.Interpretar
El SE mide dispersión entre posibles promedios, no afirma que el error absoluto observado sea exactamente 0,4. La fórmula se revisa si hay dependencia.
SE=0,4.
Con n=400 bajaría a 4/20=0,2.
Los símbolos que hemos usado
- X / Xᵢ
- Variable aleatoria del modelo / réplica de esa variable.
- E[X]=μ
- Esperanza o media poblacional, cuando existe.
- Var(X)=σ²
- Variabilidad cuadrática respecto de la media.
- IID
- Independientes e idénticamente distribuidas.
- Estimador
- Función de las muestras que aproxima una cantidad desconocida.
- SE
- Desviación típica del estimador, llamada error estándar.
- Sesgo
- Diferencia entre la esperanza del estimador y la cantidad que pretende estimar.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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