La PizarraMatemática.

Grado en Matemáticas

Contrastes de hipótesis y potencia

Una máquina afirma llenar botellas con una media de 500 mL. Una muestra no dará exactamente 500: hay variación. Un contraste fija qué resultados serían suficientemente incompatibles con una hipótesis para rechazarla. Vamos a construir esa regla, medir sus errores y separar la decisión de lo que realmente hemos demostrado.

1. Primero fijamos qué afirmación se contrasta y en qué dirección

El parámetro describe la población: aquí μ es el llenado medio. H₀ reúne los valores que se ponen a prueba; H₁ contiene las alternativas de interés. Para detectar falta de llenado usaríamos H₀: μ≥500 frente a H₁: μ<500.

Para detectar cualquier cambio, H₀: μ=500 frente a H₁: μ≠500.

Una hipótesis simple especifica una distribución completa dentro del modelo. Si la varianza también es desconocida, fijar solo μ no especifica todo. Una hipótesis compuesta permite varios valores o distribuciones. La dirección, el estadístico y la regla se fijan antes de ver el resultado: elegir después altera el procedimiento.

La pregunta decide la cola

Queremos detectar un aumento de μ respecto a 10, con Z estandarizado creciente en la media observada.

  1. Nula

    H₀: μ≤10; la frontera es μ=10.
  2. Alternativa

    H₁: μ>10.
  3. Rechazo

    Buscamos Z grande y positivo; un valor muy negativo no apoya un aumento.

Resultado

El contraste es unilateral superior.

Lo comprobamos

Si el objetivo fuera cualquier cambio, habría que reservar probabilidad de rechazo para ambas colas desde el principio.

Elegir la dirección después duplica aquí el error

Bajo una nula simple, Z es normal estándar. Tras observar su signo elegimos la cola correspondiente y el umbral unilateral 1,645.

  1. Regla efectiva

    Rechazamos cuando Z>1,645 o Z<−1,645.
  2. Dos colas

    Cada cola pesa aproximadamente 0,05 bajo H₀.

  3. Sumar

    Son sucesos disjuntos: el error real es aproximadamente 0,10.

Resultado

La regla posterior a los datos no es un contraste de nivel 0,05.

Lo comprobamos

Para un contraste bilateral al 5 % el umbral normal aproximado es 1,96, fijado antes de observar.

2. Una misma regla tiene error bajo H₀ y potencia bajo H₁

Una regla decide rechazar o no rechazar para cada muestra posible. El error de tipo I es rechazar cuando el parámetro pertenece a H₀. Un contraste de nivel α cumple Pθ(rechazar)≤α para todo θ nulo; su tamaño es el supremo de esas probabilidades. El nivel es una cota, no obliga a que toda nula dé exactamente α.

La región de rechazo se mide bajo dos modelos distintos
Misma región, dos probabilidadesH₀: N(0,1)H₁: N(2,1)02Rechazo: Z>1,645Azul: error I ; rojo: potencia
Curvas normales de Z bajo la nula de media cero y bajo una alternativa de media dos, ambas de varianza uno. La misma región Z mayor que uno coma seiscientos cuarenta y cinco tiene probabilidad aproximadamente cero coma cero cinco bajo la nula y cero coma seiscientos treinta y nueve bajo la alternativa. Los colores distinguen esos dos cálculos y no probabilidades posteriores de las hipótesis.

En una alternativa concreta θ, β(θ)=Pθ(no rechazar) es el error de tipo II y π(θ)=1−β(θ) es la potencia. No hay una única potencia sin especificar qué alternativa se considera. En el dibujo, la región de rechazo es la misma; cambia la distribución con la que medimos su área.

Dos filas de una tabla de decisiones

Una regla tiene probabilidad de rechazo 0,05 bajo una nula simple y 0,80 bajo una alternativa fijada.

  1. Si H₀ es cierta

    Rechaza con probabilidad 0,05 y no rechaza con 0,95.

  2. Si rige esa alternativa

    Rechaza con 0,80 y no rechaza con 0,20.

  3. Nombres

    0,05 es error I; 0,20 es error II; 0,80 es potencia.

Resultado

Cada fila se calcula bajo una distribución diferente.

Lo comprobamos

No se suman 0,05 y 0,80 para obtener uno: no son sucesos complementarios bajo la misma condición.

La cota puede alcanzarse solo en la frontera

X̄ es normal de media μ y error estándar 1. Contrastamos μ≤10 rechazando si X̄>11,645.

  1. En μ=10

    P(rechazar)=P(Z>1,645)≈0,05.
  2. En μ=9

    El mismo corte queda a 2,645 errores estándar: la probabilidad baja aproximadamente a 0,0041.

  3. Peor nula

    La probabilidad aumenta con μ; el máximo nulo está en μ=10.

Resultado

El nivel es aproximadamente 5 %, aunque en μ=9 el error real sea mucho menor.

Lo comprobamos

Es necesario controlar todos los valores nulos, no escoger uno conveniente.

3. Estandarizar permite colocar el corte de rechazo

Con X₁,…, Xₙ normales iid de desviación σ>0 conocida, bajo μ=μ₀ tenemos Z=(X̄−μ₀)/(σ/√n) normal estándar.

Para una alternativa superior rechazamos si Z>z₁₋α.
Para una bilateral usamos |Z|>z₁₋α/₂.

Los cuantiles indican qué probabilidad dejamos en las colas.

Si σ es desconocida y el modelo es normal, sustituimos por S y usamos T con n−1 grados de libertad, no una normal exacta. Fuera de la normalidad, una aproximación por TCL exige sus condiciones; escribir Z no convierte automáticamente cualquier estadístico en normal.

Resolver la decisión y volver a las unidades

μ₀=100, σ=12, n=36; alternativa superior al 5 %. La muestra da X̄=104.

  1. Escala

    σ/√n=12/6=2.
  2. Estadístico

    Z=(104−100)/2=2.
  3. Comparar

    2>1,645.
    Equivalentemente, el corte en unidades es 100+1,645·2=103,29.
Resultado

Se rechaza porque 104 supera 103,29.

Lo comprobamos

El corte y la media están en las mismas unidades; Z es adimensional.

Una S estimada cambia el cuantil exacto

Modelo normal iid; n=10, X̄=5, μ₀=4, S=1. Contraste bilateral al 5 %.

  1. Estadístico

    T=(5−4)/(1/√10)=√10≈3,162.
  2. Grados

    ν=9 y t₉,₀․₉₇₅≈2,262.
  3. Región

    |3,162|>2,262.
Resultado

Se rechaza usando la distribución t₉.

Lo comprobamos

El uso exacto de Student depende de normalidad e independencia, no solo de que S aparezca en el denominador.

4. El p-valor compara el resultado con resultados al menos tan extremos

Para una nula simple y una medida de extremidad fijada, el p-valor es la probabilidad bajo H₀ de obtener un resultado al menos tan extremo como el observado. En el contraste normal superior p=1−Φ(z observado); en el bilateral simétrico p=2[1−Φ(|z observado|)]. Cambiar la cola cambia la pregunta.

Un p-valor válido satisface Pθ(p≤a)≤a para toda nula y todo a entre cero y uno. Esta propiedad permite rechazar si p≤α controlando el nivel. En modelos continuos simples puede ser uniforme; en modelos discretos puede dar decisiones conservadoras. No todos los valores intermedios tienen que ser alcanzables.

El mismo Z responde a dos preguntas distintas

Se observa z=2 y Φ(2)≈0,97725.

  1. Superior predefinido

    p=1−0,97725≈0,02275.
  2. Bilateral predefinido

    p=2·0,02275≈0,0455.
  3. Umbral

    Ambos rechazan al 5 %; ninguno al 1 %.

Resultado

El p-valor se interpreta junto a la alternativa fijada.

Lo comprobamos

No elegimos ahora la menor cifra: la elección de cola forma parte del contraste original.

La discreción deja huecos

Una moneda se lanza dos veces; H₀: p=1/2 y H₁: p>1/2. Observamos dos caras.

  1. Extremo superior

    Solo dos caras es al menos tan extremo como lo observado.

  2. Probabilidad

    p-valor=P₀(S≥2)=1/4.
  3. Regla al 5 %

    Ningún resultado produce p≤0,05: la regla no aleatorizada nunca rechaza.

Resultado

Su tamaño es cero, aunque sea válida al nivel 5 %.

Lo comprobamos

Para S=0,1,2 los p-valores son 1, 3/4 y 1/4; no hay una distribución uniforme continua.

5. La probabilidad de los datos bajo H₀ no es la probabilidad de H₀

El cálculo de p trabaja dentro del modelo nulo. No reparte probabilidades entre H₀ y H₁. Para calcular P(H₀|datos) hacen falta probabilidades previas y modelos alternativos con los que comparar la verosimilitud. Una cola bajo H₀ y una probabilidad posterior son objetos distintos.

Veámoslo con una observación Z: bajo H₀ es N(0,1), bajo H₁ es N(2,1), y observamos z=2. La razón de densidades f₁(2)/f₀(2)=e² multiplica las odds previas. Las mismas densidades y el mismo p-valor pueden producir posteriores muy diferentes al cambiar las previas.

Dos modelos con igual probabilidad previa

P(H₀)=P(H₁)=1/2; observación z=2 en los modelos indicados.

  1. Razón

    f₁(2)/f₀(2)=e²≈7,389.
  2. Bayes

    P(H₀|z)=1/(1+e²).
  3. Resultado

    Es aproximadamente 0,1192, mientras el p bilateral normal es aproximadamente 0,0455.

Resultado

El p-valor no coincide con la probabilidad posterior de H₀.

Lo comprobamos

Las densidades se comparan en la observación; el p-valor integra una región de cola.

Cambiar las previas conserva el p-valor

Ahora P(H₀)=0,99 y P(H₁)=0,01; los modelos y z=2 son los mismos.

  1. Odds previas

    Las odds de H₀ frente a H₁ son 99.

  2. Actualizar

    Las odds posteriores son 99/e².

  3. Normalizar

    P(H₀|z)=99/(99+e²)≈0,9305.
Resultado

El p bilateral sigue siendo 0,0455 y la posterior nula cambia a aproximadamente 0,9305.

Lo comprobamos

Este cálculo exige las dos hipótesis probabilísticas y sus previas expresamente declaradas.

6. La potencia aumenta cuando el efecto se separa mejor del ruido

En el contraste normal superior conocido, si μ=μ₀+δ, entonces Z tiene media δ√n/σ y varianza uno. La potencia es 1−Φ(z₁₋α−δ√n/σ). Para el mismo δ positivo, aumentar n o disminuir σ desplaza más la distribución alternativa a la derecha del corte.

Para planificar una potencia 1−β frente a un efecto positivo δ, se despeja n≥[(z₁₋α+z₁₋β)σ/δ]² y se redondea hacia arriba. Es una planificación para ese efecto, modelo y diseño. No sustituye conocer pérdidas de seguimiento, variabilidad o restricciones reales del muestreo.

Medir el área roja del dibujo

α≈0,05, corte 1,645, δ=0,4, σ=2 y n=100.

  1. Desplazamiento

    δ√n/σ=0,4·10/2=2.
  2. Centrar la alternativa

    P(Z>1,645)=P(N(0,1)>−0,355).
  3. Área

    La potencia es Φ(0,355)≈0,639.
Resultado

Una diferencia de 0,4 se detecta aproximadamente el 63,9 % de las veces bajo ese modelo.

Lo comprobamos

El error II frente a esta alternativa es aproximadamente 0,361, no el 5 % del error I.

Elegir un tamaño antes de tomar datos

Queremos potencia 0,80 para δ=0,5, con σ=2 y α=0,05 unilateral; z₀․₉₅≈1,645 y z₀․₈≈0,842.

  1. Sustituir

    n≥[(1,645+0,842)·2/0,5]².
  2. Calcular

    El lado derecho es aproximadamente 98,963.

  3. Entero

    Se elige n=99; con n=100 el desplazamiento sería 2,5 y la potencia aproximadamente Φ(0,855)=0,804.

Resultado

La planificación aproximada requiere al menos 99 observaciones.

Lo comprobamos

Se redondea hacia arriba y no se promete esa potencia para efectos más pequeños.

7. Neyman–Pearson ordena evidencia entre dos modelos simples

Si H₀ y H₁ son simples con densidades o masas f₀ y f₁, la razón L=f₁/f₀ compara cuánto favorece una muestra a H₁ frente a H₀. La regla más potente a tamaño fijado rechaza para razones grandes, con posible aleatorización en la frontera para alcanzar exactamente el tamaño.

La idea de la demostración es comparar una regla φ* de ese tipo con otra φ del mismo nivel.

Punto a punto, (φ*−φ)(f₁−cf₀)≥0.

Al integrar obtenemos potencia(φ*)−potencia(φ)≥c[tamaño(φ*)−tamaño(φ)]≥0 cuando φ* alcanza α y φ tiene tamaño a lo sumo α. El resultado se refiere a esa alternativa simple: no promete una regla universal óptima para cualquier hipótesis compuesta.

Ordenar por el número de éxitos

Cuatro Bernoulli independientes; H₀: p=0,2 frente a H₁: p=0,6. S cuenta éxitos.

  1. Razón

    L=(0,6/0,2)ˢ(0,4/0,8)⁴⁻ˢ=6ˢ/16.
  2. Orden

    Cada éxito multiplica L por 6; los valores grandes de S favorecen H₁.

  3. Región simple

    Rechazar con S≥3 da tamaño 4·0,2³·0,8+0,2⁴=0,0272 y potencia 4·0,6³·0,4+0,6⁴=0,4752.
Resultado

La región S≥3 respeta el nivel 0,05 pero deja margen sin usar.

Lo comprobamos

Se han sumado masas binomiales de resultados disjuntos bajo cada modelo.

Alcanzar exactamente el 5 % con aleatorización

Conservamos S≥3 y rechazamos con probabilidad γ cuando S=2.

  1. Masa en la frontera

    P₀(S=2)=6·0,2²·0,8²=0,1536.
  2. Completar tamaño

    0,0272+γ·0,1536=0,05 da γ=19/128.
  3. Potencia

    P₁(S=2)=0,3456; la potencia total es 0,4752+(19/128)·0,3456=0,5265.
Resultado

La regla aleatorizada tiene tamaño 0,05 y potencia 0,5265.

Lo comprobamos

La aleatorización se define como parte de la regla; no se inventa después de observar la muestra.

8. Significación, importancia y equivalencia responden a preguntas diferentes

Rechazar H₀ señala incompatibilidad con el modelo nulo mediante una regla calibrada; no mide por sí solo la importancia del efecto. Conviene informar estimación, unidades e intervalo. Una muestra enorme puede detectar un efecto diminuto; una muestra pequeña puede no detectar uno importante.

No rechazar tampoco demuestra H₀. Para demostrar equivalencia dentro de una tolerancia Δ se plantea otra pregunta: H₀ es δ≤−Δ o δ≥Δ y H₁ es −Δ<δ<Δ. Dos contrastes unilaterales de nivel α deben rechazar sus respectivas partes nulas. En el modelo normal conocido, equivale a que el intervalo bilateral 1−2α quede estrictamente dentro de (−Δ, Δ), con decisiones de frontera coherentes.

Un efecto pequeño puede tener un Z enorme

σ=1, n=1 000 000 y diferencia observada 0,01 respecto a cero; la tolerancia práctica declarada es 0,1.

  1. Error estándar

    1/√1 000 000=0,001.
  2. Estadístico

    Z=0,01/0,001=10.
  3. Escala práctica

    La estimación 0,01 es diez veces menor que la tolerancia 0,1.

Resultado

El p-valor es muy pequeño, pero eso no cuantifica una mejora práctica grande.

Lo comprobamos

La interpretación práctica exige la tolerancia, unidades y precisión, no solo el umbral de p.

Equivalencia requiere acotar el efecto por ambos lados

Modelo normal conocido, estimación δ̂=0,05, error estándar 0,1, tolerancia Δ=0,5; dos pruebas al 5 %.

  1. Intervalo apropiado

    El intervalo bilateral del 90 % usa 1,645: 0,05±0,1645.

  2. Extremos

    [−0,1145;0,2145] está dentro de (−0,5;0,5).

  3. Conclusión

    Rechazamos ambas partes de la nula de no equivalencia. Si solo una parte fuese cierta, rechazar ambas seguiría siendo un subconjunto de rechazar esa parte y tendría probabilidad a lo sumo 0,05.

Resultado

Hay evidencia de equivalencia con esa tolerancia y modelo.

Lo comprobamos

Un intervalo [−2;2] que contenga cero no demostraría equivalencia dentro de ±0,5: es demasiado impreciso.

9. Muchos contrastes crean muchas oportunidades de falso positivo

Sea V el número de rechazos falsos entre m nulas verdaderas. Por linealidad E(V)=ΣP(rechazar cada nula), sin requerir independencia. Si todos los contrastes son de nivel α, E(V)≤mα; la igualdad exige que las probabilidades reales sean α. La probabilidad de al menos un falso positivo es otro objeto.

Si los m rechazos son independientes y cada uno tiene probabilidad real α, P(V≥1)=1−(1−α)ᵐ. Bonferroni controla esta probabilidad sin independencia: usar nivel α/m en cada prueba da, por la cota de la unión, P(V≥1)≤Σα/m=α. Hay métodos menos conservadores, pero cualquier elección debe corresponder a la familia de preguntas realmente investigada.

Esperanza y probabilidad de algún error no son iguales

Veinte nulas verdaderas, contrastes independientes y probabilidad real de error 0,05 en cada uno.

  1. Número esperado

    E(V)=20·0,05=1.
  2. Ningún error

    P(V=0)=0,95²⁰≈0,3585.
  3. Al menos uno

    P(V≥1)=1−0,95²⁰≈0,6415.
Resultado

Esperar un error no significa que la probabilidad de algún error sea uno.

Lo comprobamos

La esperanza no necesita independencia; la fórmula de producto usada aquí sí.

Una etiqueta de nivel solo da una cota

Cien pruebas tienen nivel máximo 0,05, pero en las cien nulas concretas su probabilidad real de falso rechazo es 0,02.

  1. Probabilidades reales

    E(V)=100·0,02=2.
  2. Solo con el nivel

    Si ignoráramos esas probabilidades, solo concluiríamos E(V)≤100·0,05=5.
  3. Control familiar

    Para veinte pruebas y objetivo familiar 0,05, Bonferroni pide nivel individual 0,0025.

Resultado

La esperanza es dos en el primer caso; cinco es solo una cota obtenida del nivel.

Lo comprobamos

No se necesita independencia para ninguna de esas esperanzas ni para Bonferroni.

10. Mirar repetidamente también forma parte de la regla

Si se toma una nueva muestra cada vez y se repite una prueba hasta obtener significación, el procedimiento completo ya no es una sola prueba al nivel anunciado. Hay que calibrar las oportunidades de decisión y el criterio de parada. Los análisis sucesivos con datos compartidos tampoco son independientes por defecto.

Una construcción sencilla fija de antemano niveles αₜ cuya suma no supera α. Si la prueba del instante t es válida bajo cada nula, la unión de todos los falsos rechazos tiene probabilidad a lo sumo Σαₜ≤α. Es conservadora y requiere que la validez se mantenga bajo el diseño utilizado; una selección adaptativa no justificada puede romperla.

Parar al primer resultado significativo

Diez tandas independientes bajo una nula verdadera, cada una con error real 0,05; se anuncia éxito si alguna rechaza.

  1. Regla conjunta

    El suceso de éxito es la unión de diez rechazos.

  2. Complemento

    Ninguno ocurre con probabilidad 0,95¹⁰.

  3. Error total

    1−0,95¹⁰≈0,4013.
Resultado

El error de esa búsqueda es aproximadamente 40,1 %, no 5 %.

Lo comprobamos

La cuenta supone diez tandas independientes con error real 0,05; con datos acumulados se necesita otra calibración.

Repartir un presupuesto de error

Se fijan pruebas válidas en tiempos t=1,2,… y niveles αₜ=0,05/2ᵗ.

  1. Primeros niveles

    0,025;0,0125;0,00625;…

  2. Suma

    La serie geométrica suma 0,05.

  3. Unión

    P(algún falso rechazo)≤Σₜαₜ=0,05, sin exigir independencia entre esos sucesos.

Resultado

El presupuesto cubre todos los tiempos planificados.

Lo comprobamos

La condición clave es que cada probabilidad de falso rechazo siga acotada por el nivel asignado bajo el procedimiento completo.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Decisión

Un contraste predefinido produce p=0,03 con α=0,05.

  1. Leer la decisión prevista

    El p-valor 0,03 corresponde al contraste predefinido.

    El umbral de decisión indicado es α=0,05.
  2. Comparar

    0,03≤0,05.
  3. Aplicar la regla

    Se rechaza H₀ al nivel 5 %.

  4. Interpretar el alcance

    La regla controla su error bajo los modelos nulos para los que el p-valor es válido; no calcula P(H₀|datos).

  5. Cambiar el umbral

    Al 1 %, 0,03>0,01 y no se rechazaría con ese umbral.
  6. Cerrar

    El p-valor observado y el nivel elegido son cantidades diferentes.

Resultado

Se rechaza H₀ al nivel 5 %.

Lo comprobamos

Al nivel uno por ciento el mismo p no produciría rechazo. Eso ilustra que el p-valor y el umbral son objetos diferentes.

EJEMPLO RESUELTO 2

Potencia

Un test tiene β=0,2 frente a una alternativa concreta.

  1. Identificar la condición

    β=0,2 es la probabilidad de no rechazar bajo la alternativa concreta fijada.

  2. Complemento

    Bajo esa misma alternativa, rechazar y no rechazar son sucesos complementarios.

  3. Calcular

    Potencia=1−β=1−0,2=0,8.
  4. Lectura

    La regla rechazaría aproximadamente el 80 % de las repeticiones bajo esa alternativa.

  5. Límite

    Otra alternativa puede tener otra potencia; el 0,8 no describe todas las desviaciones respecto a H₀.

  6. Comprobar

    0,8+0,2=1 bajo la condición fijada.
Resultado

Potencia 0,8.

Lo comprobamos

La potencia y el error tipo II suman uno para la alternativa fijada: 0,8+0,2=1.

Los símbolos que hemos usado

H₀,H₁
Hipótesis nula y alternativa, que especifican conjuntos de parámetros o modelos.
α
Nivel máximo previsto de probabilidad de rechazo cuando H₀ es verdadera.
R
Región de rechazo en el espacio de posibles muestras o del estadístico.
β(θ)
Probabilidad de no rechazar bajo una alternativa concreta θ.
π(θ)=1−β(θ)
Función de potencia: probabilidad de rechazo bajo el parámetro θ.
p-valor
Medida de extremidad calibrada bajo H₀, comparada con el nivel del test.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

Practicar este tema →

Para ampliar