Un intervalo de confianza es una regla que produce dos extremos a partir de una muestra. Al repetir muestras, unos intervalos cubrirán el parámetro y otros fallarán. Primero veremos qué significa esa cobertura; después construiremos intervalos despejando una desigualdad con una distribución conocida.
Si necesitas repasar:
1. La cobertura pertenece al procedimiento antes de fijar los datos
Para cada parámetro θ, una regla busca Pθ(L(X)≤θ≤U(X))=1−α, o al menos 1−α si es conservadora. En esas repeticiones θ es fijo y los extremos cambian con la muestra. El dibujo muestra varias realizaciones, no estima un 95 % a partir de cinco filas.
Después de observar, el intervalo y θ frecuentista son valores fijos: contiene o no contiene al parámetro. El nivel no se convierte por sí solo en probabilidad posterior de θ. La cobertura declarada depende del modelo y diseño con que se calibró la regla.
Esperado no significa garantizado en una tanda
Un procedimiento de cobertura exacta 0,95 se usa en mil repeticiones del mismo modelo.
Indicador
Cada intervalo tiene indicador de cobertura con esperanza 0,95.
Sumar
El número esperado que cubre es 1000·0,95=950.Realización
Una tanda concreta puede cubrir más o menos; no se exige exactamente 950.
El 95 % describe la regla de repetición, no una cuota fija de aciertos.
Para la esperanza de la suma basta linealidad; la independencia adicional decidiría su distribución binomial.
Cobertura por sí sola no mide precisión
Para una probabilidad p∈[0,1], una regla devuelve siempre [0,1].
Cobertura
Incluye cualquier p admisible en todas las muestras.
Nivel real
Tiene cobertura uno, por tanto al menos 0,95.
Información
No reduce en absoluto el espacio de valores posibles.
Un método muy conservador puede tener poca precisión.
Más cobertura y menor ancho son objetivos que deben examinarse conjuntamente.
2. Un pivote permite invertir una desigualdad para el parámetro
Un pivote Q(X, θ) tiene una distribución conocida que no depende del parámetro desconocido. Elegimos cuantiles que encierren la probabilidad deseada y despejamos θ. Los extremos finales solo pueden depender de datos y cantidades conocidas.
La inversión respeta signos, positividad y dominio. Una cantidad en el denominador puede invertir el orden de los cuantiles. El intervalo no tiene por qué ser simétrico ni estar centrado en un estimador particular.
Despejar un centro sin saltarse desigualdades
−c≤(X̄−μ)/s≤c, con c>0 y s>0 conocidos.
Multiplicar
−cs≤X̄−μ≤cs.Derecha
X̄−μ≤cs equivale a μ≥X̄−cs.Izquierda
−cs≤X̄−μ equivale a μ≤X̄+cs.
X̄−cs≤μ≤X̄+cs.
Se han reunido las dos condiciones, con el menor extremo escrito primero.
Un parámetro en el denominador invierte los extremos
a≤V/θ≤b, con V>0, θ>0 y 0<a<b.
Cota izquierda
aθ≤V, así θ≤V/a.Cota derecha
V≤bθ, así θ≥V/b.Ejemplo
V=12, a=2, b=6 da 2≤θ≤6.
El intervalo es [V/b, V/a].
Usar [V/a, V/b] daría los extremos en orden equivocado.
3. Para una media normal con σ conocida, el margen usa σ/√n
Con normales iid y σ>0 conocida, Z=(X̄−μ)/(σ/√n) es normal estándar.
Al despejar obtenemos X̄±cσ/√n.
La distribución es exacta bajo normalidad iid; los cuantiles decimales se usan aproximados cuando se redondean. Para otras poblaciones, esa misma forma puede ser aproximada por TCL bajo sus hipótesis. Conocer σ no basta para hacer normal una media cualquiera.
Calcular un intervalo conocido por sus tres piezas
X̄=30, σ=12, n=36; usamos c=1,96 para un nivel nominal del 95 %.
Error estándar
12/√36=2.Margen
1,96·2=3,92.Extremos
30−3,92=26,08 y 30+3,92=33,92.
El intervalo es [26,08;33,92].
Se mantiene el centro 30 y el ancho total es 7,84; la interpretación exacta del pivote requiere el modelo normal.
Conocer σ no da cobertura normal exacta en cualquier ley
Una observación X=μ−1 o μ+1 equiprobables; σ=1 conocida.
Regla z
Se devuelve [X−1,96; X+1,96].
Error real
|X−μ|=1 siempre.Cobertura
El intervalo cubre a μ en todos los resultados: probabilidad uno, no exactamente 0,95.
La fórmula normal tiene aquí una cobertura distinta.
La desviación se conocía, pero la observación no era normal y n=1 no aporta un TCL útil.
4. Con σ desconocida, Student incorpora la variabilidad de S
Para n≥2 normales iid, T=(X̄−μ)/(S/√n) tiene ley tn−1 gracias a la independencia entre media y varianza muestral. El intervalo es X̄±tn−1,1−α/2 S/√n. Para el modelo normal no degenerado, S>0 casi seguramente.
La t tiene colas más pesadas por el denominador aleatorio. Sin normalidad, no se mantiene ese argumento exacto; con momentos y condiciones adecuados puede usarse una aproximación asintótica, que se identifica como tal.
Usar los grados correctos y un cuantil dado
n=10, X̄=5, S=1; cuantil t₉ aproximado 2,262 para el 95 % bilateral.
Escala
S/√n=1/√10.Margen
2,262/√10≈0,7153.Intervalo
Aproximadamente [4,2847;5,7153].
Se usa t₉, no t₁₀ ni una normal exacta con S sustituida.
Los extremos se redondean al final; el modelo normal sostiene la ley pivotal antes de ese redondeo.
Con muy pocos grados, la incertidumbre de S pesa mucho
n=2, X̄=0, S=1; el cuantil bilateral t₁ del 95 % es aproximadamente 12,706.
Grados
ν=1 y la t₁ es Cauchy.Escala
S/√2=1/√2.Margen
12,706/√2≈8,984.
El intervalo es muy ancho, aproximadamente [−8,984;8,984].
Usar 1,96 omitiría la fuerte variación del denominador con solo dos datos.
5. La varianza normal produce un intervalo asimétrico
La varianza está en el denominador del pivote, por eso se invierte el orden. El intervalo no es simétrico alrededor de S². Para σ se toman las raíces positivas de ambos extremos, porque la raíz crece.
Invertir los dos cuantiles
n=10, S²=4; cuantiles χ²₉ aproximados a=2,700 y b=19,023 para el 95 % bilateral.
Numerador
(n−1)S²=9·4=36.Extremo inferior
36/19,023≈1,892.Superior
36/2,700≈13,333.
Intervalo aproximado para σ²:[1,892;13,333].
No se ponen los cuantiles al revés ni se fuerza una simetría artificial alrededor de cuatro.
Cambiar de varianza a desviación
Usamos los extremos anteriores, sin redondear en una cuenta precisa.
Raíz inferior
√(36/19,023)≈1,376.Superior
√(36/2,700)≈3,651.Unidades
Ahora las unidades son las originales de X, en vez de sus cuadrados.
Intervalo aproximado para σ:[1,376;3,651].
La transformación creciente conserva el suceso de cobertura, no se construyó otro intervalo sumando un margen a S.
6. Las proporciones muestran por qué una etiqueta nominal no garantiza cobertura real
El intervalo Wald binomial es p̂±z√(p̂(1−p̂)/n). Es aproximado y sustituye p por p̂ en su dispersión. Con cero éxitos, p̂=0 y devuelve ancho cero, aunque muchos p positivos puedan producir esa muestra.
Wilson invierte una desigualdad de score con p en la varianza y mantiene un intervalo no degenerado en ese caso. Clopper–Pearson invierte colas binomiales exactas y es conservador. Son reglas distintas; no se intercambian sus garantías cerca de los extremos.
Un fallo visible del intervalo Wald
Cero éxitos en n=20; considera que el verdadero p fuese 0,05.
Intervalo observado
p̂=0 y Wald devuelve [0,0].Probabilidad de ese resultado
P(X=0)=0,95²⁰≈0,3585.Cobertura
Solo ese caso ya falla el 35,85 % de las veces; la cobertura total no puede superar aproximadamente 0,6415.
No tiene aquí la cobertura nominal del 95 %.
No observar un éxito no demuestra que el parámetro positivo sea imposible.
Wilson conserva anchura con cero éxitos
n=20, p̂=0 y z=1,96.
Score
Invertimos n(p̂−p)²≤z²p(1−p).Resolver
Para p>0 queda (n+z²)p≤z²; y p=0 también se incluye.Extremo
El intervalo es [0; z²/(n+z²)]≈[0;0,1611].
La regla no colapsa a cero.
Se ha mostrado el caso de frontera; Wilson sigue siendo un método de cobertura aproximada, no una etiqueta de exactitud universal.
Una cola exacta da otro extremo
Cero éxitos en veinte ensayos; intervalo Clopper–Pearson bilateral nominal del 95 %.
Cola en cero
Pp(X=0)=(1−p)²⁰.Reparto bilateral
El extremo superior resuelve (1−p)²⁰=α/2=0,025.Despejar
p superior=1−0,025^(1/20)≈0,1684; el inferior es cero.
El intervalo es aproximadamente [0;0,1684].
Un límite unilateral del 95 % usaría 0,05 y sería otro procedimiento; no se mezclan sus extremos.
7. La anchura cambia con nivel, dispersión y raíz del tamaño
Para m≤e, con e>0 fijado, se necesita n≥(zσ/e)² y se redondea hacia arriba. Reducir el margen entre dos exige cuadruplicar n.
Un nivel mayor requiere un cuantil mayor y ensancha el intervalo si la muestra y dispersión son las mismas. Si σ se estima o el diseño tiene dependencia, la planificación debe reflejar esas incertidumbres; no se conserva automáticamente la fórmula conocida de un modelo más simple.
Redondear el tamaño hacia el lado que garantiza el margen
σ=1, z=1,96 y margen deseado a lo sumo 0,2.
Despejar
n≥(1,96/0,2)²=96,04.Entero
Tomamos n=97.Comprobar
Con n=96, el margen es algo mayor que 0,2; con 97, menor.
Basta n=97 en el diseño y modelo de la fórmula.
Redondear al entero más cercano habría bajado a 96 y perdido la garantía solicitada.
Mayor confianza cuesta anchura
n=100, σ=2; compara cuantiles aproximados 1,645 y 2,576 para niveles bilaterales del 90 % y 99 %.
Escala común
SE=0,2.Primer margen
1,645·0,2=0,329.Segundo
2,576·0,2=0,5152.
El intervalo del 99 % es más ancho con los mismos datos.
No se obtiene más cobertura y menos ancho solo cambiando la cifra del porcentaje.
8. Conocer la media no equivale a predecir un nuevo individuo
El error estándar de la media es σ/√n, pero un nuevo dato conserva su variación individual σ. Un intervalo de predicción debe incluir ambas fuentes. Bajo normalidad iid y σ desconocida, el pivote usa (Xnuevo−X̄)/(S√(1+1/n)) de ley tn−1.
El intervalo predictivo es X̄±t S√(1+1/n), más ancho que X̄±t S/√n para la media. El nuevo dato debe pertenecer al mismo modelo y ser independiente de la muestra; no se usa esta fórmula para cualquier dependencia temporal.
Comparar dos preguntas con los mismos datos
n=9, X̄=10, S=3 y cuantil t₈ aproximado 2,306.
Confianza para μ
El error estándar es 3/3=1; el margen es 2,306.Predicción de un dato
La escala es 3√(1+1/9)=√10; el margen es 2,306√10≈7,292.Razón
El margen predictivo es √10 veces el de confianza para la media.
Los intervalos responden preguntas distintas y tienen anchuras distintas.
Una media precisa no elimina la variación de una observación nueva.
Ni una muestra enorme elimina la dispersión individual
Modelo normal con σ=2 conocida y cuantil z=1,96.
Media
El margen 1,96·2/√n tiende a cero.
Nuevo dato
El margen 1,96·2√(1+1/n) tiende a 3,92.
Interpretar
Podemos conocer muy bien el centro y seguir teniendo individuos lejos de él.
La predicción conserva un margen positivo al crecer n.
Se mantiene el mismo modelo de variación individual; solo se reduce la incertidumbre sobre su media.
9. Cubrir cada parámetro y cubrirlos todos son objetivos diferentes
Muchos intervalos individuales del 95 % no garantizan cobertura conjunta del 95 %. Si los diez sucesos de cobertura fueran independientes, la conjunta sería 0,95¹⁰. Sin independencia, no se multiplica automáticamente.
Bonferroni controla cada fallo por α/m y suma las cotas: la probabilidad de algún fallo es ≤α, y la cobertura simultánea al menos 1−α. También un intervalo puede obtenerse como los parámetros que no rechaza una familia de contrastes compatibles; no rechazar no equivale a demostrar verdad.
Diez garantías individuales pueden dar una conjunta menor
Diez intervalos con cobertura exacta 0,95 y sucesos de cobertura independientes.
Todos a la vez
0,95¹⁰≈0,5987.Algún fallo
1−0,95¹⁰≈0,4013.Distinguir
Ninguna cobertura individual cambió; lo que cambió fue la pregunta conjunta.
La cobertura simultánea no es 0,95 en este ejemplo.
La cuenta del producto usa independencia explícita de los sucesos de cobertura.
Una garantía simultánea sin exigir independencia
Diez parámetros; queremos cobertura conjunta al menos 0,95.
Presupuesto de fallo
α=0,05; asignamos 0,05/10=0,005 a cada intervalo.Coberturas individuales
Cada procedimiento debe cubrir al menos 0,995 bajo sus hipótesis.
Unión de fallos
La probabilidad de algún fallo es como máximo 10·0,005=0,05.
Bonferroni garantiza al menos el 95 % conjunto.
La garantía depende de que cada método individual cumpla realmente su nivel, exacto o conservador, no solo su nombre nominal.
Ver la relación con un contraste de media
Normal iid con σ=3, n=225, X̄=20; z crítico 1,96.
Intervalo
SE=0,2; el intervalo z es [19,608;20,392].Valor 20,5
Da z=(20−20,5)/0,2=−2,5 y se rechaza en el contraste bilateral correspondiente; no está en el intervalo.
Valor 20,2
Da z=−1 y no se rechaza; está en el intervalo.
La inversión conecta las dos reglas compatibles.
No rechazar 20,2 significa que no quedó excluido por ese procedimiento, no una prueba de que sea el verdadero valor.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Intervalo con σ conocida
X̄=10,σ=2,n=100. Usa z=1,96 para 95 %.
Datos
X̄=10, σ=2, n=100 y cuantil dado z=1,96.Error estándar
2/√100=0,2.Margen
1,96·0,2=0,392.Extremo inferior
10−0,392=9,608.Superior
10+0,392=10,392.Resultado y comprobación
Intervalo [9,608;10,392], centro 10 y ancho total 0,784, con el alcance del modelo usado para el pivote.
[9,608;10,392].
El centro es diez y el ancho total 2·0,392=0,784. Se ha usado el cuantil aproximado 1,96 dado en el problema.
EJEMPLO RESUELTO 2
Tamaño y precisión
¿Cómo cambiar n para dividir el margen entre dos, manteniendo nivel y σ?
Fórmula
Con nivel y σ fijos, el margen es zσ/√n.
Nuevo tamaño
Llamamos n′ al tamaño que produce la mitad.
Igualar
zσ/√n′=(zσ/√n)/2.Raíces
Al cancelar cantidades positivas,√n′=2√n.Cuadrar
n′=4n.Interpretar
Hay que cuadruplicar. Duplicar n solo dividiría el margen entre √2, bajo el mismo diseño y supuestos.
Cuadruplicar la muestra.
Duplicar n solo divide el margen por √2. La conclusión mantiene nivel, dispersión y diseño, tal como exige el enunciado.
Los símbolos que hemos usado
- [L(X),U(X)]
- Intervalo aleatorio calculado mediante una regla aplicada a la muestra.
- 1−α
- Nivel nominal de confianza; α es la probabilidad de no cobertura prevista por el procedimiento.
- q_p
- Cuantil de probabilidad acumulada p de la distribución indicada.
- z_p,t_(ν,p)
- Cuantiles de normal estándar y t con ν grados de libertad.
- Margen m
- Distancia de la estimación central a cada extremo en un intervalo simétrico.
- Pivote
- Función de muestra y parámetro cuya distribución es conocida y no depende de parámetros desconocidos.
- SE
- Error estándar del estimador, conocido o estimado según el modelo.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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