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Grado en Matemáticas

Muestreo y distribuciones muestrales

Una muestra es lo que observamos; la población objetivo es aquello sobre lo que queremos concluir. Al repetir la selección, cambian los datos y también su media. Construiremos esa distribución de medias con una población de solo cuatro valores antes de usar las fórmulas generales.

1. Primero decidimos de quién queremos saber algo y cómo se selecciona

La población objetivo, el periodo y la unidad se declaran antes de calcular. Una muestra contiene las unidades observadas, y cada dato es el valor obtenido de una unidad. La palabra muestra no garantiza representatividad: el mecanismo puede seleccionar unas unidades más que otras.

Iid significa independencia y distribución común de las observaciones. No se obtiene automáticamente por tener muchas filas. Selección sin reemplazo, observaciones agrupadas, series temporales y participación voluntaria pueden requerir otros modelos.

Cuatro conceptos en un estudio concreto

Queremos conocer los tiempos de espera de todas las entregas de una empresa durante octubre; medimos 80 elegidas al azar.

  1. Objetivo y unidad

    Población: todas esas entregas del periodo. Unidad: cada entrega.

  2. Muestra

    Las 80 entregas seleccionadas.

  3. Dato

    Por ejemplo,12 minutos de espera en una entrega concreta.

Resultado

La población no son solo las 80 observadas.

Lo comprobamos

No extendemos la conclusión a todos los años o a otras empresas sin justificar ese cambio de objetivo.

Muchas respuestas pueden venir del grupo equivocado

Se quiere estudiar el uso de un parque por todos los vecinos, pero solo se encuesta a quienes están dentro el domingo.

  1. Grupo seleccionado

    Visitantes de ese día y horario.

  2. Falta de cobertura

    Quienes no van al parque no pueden aparecer así.

  3. Tamaño

    Recoger más respuestas en el mismo lugar puede mantener esa selección.

Resultado

El tamaño no convierte este mecanismo en una muestra iid de todos los vecinos.

Lo comprobamos

Primero se revisa la población efectivamente alcanzada, después la fórmula de incertidumbre.

2. Un estadístico tiene una distribución antes de convertirse en un número observado

X̄ es una función de variables aleatorias; antes de seleccionar, también es aleatoria. Tras observar x₁,…, xₙ, el valor x̄ es un número. El parámetro μ del modelo permanece fijo al repetir el muestreo frecuentista.

La distribución muestral reúne una media por cada muestra posible
Población fija: 0, 2, 4, 6Todas las muestras de dos,sin devolverMuestraMedia{0;2}1{0;4}2{0;6}3{2;4}3{2;6}4{4;6}5Cada fila pesa 1/6 ; centro de medias: 3
Población fija de cuatro valores cero dos cuatro seis. Las seis muestras sin reemplazo de tamaño dos son cero dos, cero cuatro, cero seis, dos cuatro, dos seis y cuatro seis, con medias uno dos tres tres cuatro cinco. En muestreo aleatorio simple cada fila tiene probabilidad un sexto. El número tres aparece como media de dos muestras distintas.

La distribución muestral de X̄ reúne una media por cada muestra posible, con sus probabilidades. No es el histograma de los datos de una sola muestra. El dibujo enumera todas las selecciones de dos valores sin reemplazo de una población pequeña.

Enumerar en lugar de imaginar infinitas repeticiones

Población {0,2,4,6}; selección aleatoria simple de dos valores sin reemplazo.

  1. Muestras

    {0,2},{0,4},{0,6},{2,4},{2,6},{4,6}, cada una con peso 1/6.

  2. Medias

    1,2,3,3,4,5.

  3. Ley de la media

    El valor 3 pesa 2/6; cada uno de 1,2,4,5 pesa 1/6.

Resultado

La ley muestral no es uniforme sobre sus cinco medias distintas.

Lo comprobamos

Dos muestras diferentes producen el mismo número 3 y sus probabilidades se suman.

Distinguir la ley y el valor que ya salió

En ese mismo diseño observamos la muestra {2,6}.

  1. Valor observado

    Su media es 4.

  2. Antes de observar

    La regla X̄ podía tomar 1,2,3,4,5.

  3. Parámetro fijo

    La media poblacional sigue siendo 3, con independencia de qué muestra salió.

Resultado

La estimación observada 4 y la media poblacional 3 son objetos distintos.

Lo comprobamos

Una muestra concreta puede alejarse del parámetro aunque la distribución del estadístico esté centrada correctamente.

3. La media iid conserva el centro y reduce su varianza por n

Para iid integrables, E(X̄)=(1/n)ΣEXi=μ.

Si cada observación tiene varianza finita σ², independencia anula covarianzas y Var(ΣXi)=nσ². Al dividir por n, la varianza queda σ²/n.

El error estándar es la desviación de esa distribución muestral: σ/√n. La σ individual no baja por recoger más observaciones. Lo que se vuelve más preciso es el promedio. Se distingue el error estándar conocido de su estimación S/√n cuando σ no se conoce.

Calcular centro, dispersión individual y dispersión del promedio

Iid con μ=30, σ=12 y n=36.

  1. Centro

    E(X̄)=30.
  2. Varianza

    Var(X̄)=144/36=4.
  3. Raíz

    SE(X̄)=2, mientras cada observación conserva desviación 12.
Resultado

La media tiene desviación 2, no 12 ni 1/3.

Lo comprobamos

La raíz del tamaño es seis; se usa para la desviación, no el tamaño completo.

Cuánto aporta cuadruplicar observaciones

Mismo modelo, pero n pasa de 36 a 144.

  1. Nuevo error estándar

    12/√144=1.
  2. Comparación

    El anterior era 2.

  3. Varianzas

    Pasan de 4 a 1.

Resultado

Cuadruplicar n divide la desviación de la media entre dos.

Lo comprobamos

No se dice que los individuos pasen a tener menos variación; se mejora la precisión de su centro estimado.

4. La dependencia puede aumentar o reducir esa incertidumbre

En general, Var(X̄)=[ΣVar(Xi)+2Σi<jCov(Xi, Xj)]/n².

Copias muy parecidas con covarianza positiva pueden aportar menos información que observaciones independientes.

En muestreo aleatorio simple sin reemplazo de N valores fijos, sea Spop²=Σ(yi−μpop)²/(N−1).

Entonces Var(X̄)=(1−n/N)Spop²/n.

La corrección depende de este diseño y de ese denominador poblacional; no se añade por rutina a un modelo iid con reemplazo.

Repetir el mismo valor no divide su varianza

Xi=Z para todos los i, con Var(Z)=9.

  1. Media

    El promedio de cualquier número de copias es Z.

  2. Resultado

    Var(X̄)=9.
  3. Cruzados

    Los n² términos de la suma de covarianzas valen 9; al dividir por n² queda 9.

Resultado

La incertidumbre no disminuye con el número de copias.

Lo comprobamos

La fórmula 9/n exigía independencia que aquí no existe.

Comprobar la corrección con las seis muestras del dibujo

Población {0,2,4,6}, N=4, n=2.

  1. Población

    Media 3 y suma de cuadrados 9+1+1+9=20, así Spop²=20/3.
  2. Fórmula

    (1−2/4)(20/3)/2=5/3.
  3. Enumeración

    Las medias 1,2,3,3,4,5 dan varianza (4+1+0+0+1+4)/6=5/3.
Resultado

La enumeración coincide con el diseño sin reemplazo.

Lo comprobamos

Si n=N, la corrección es cero: observar toda esta población fija elimina la incertidumbre de selección de su media.

5. Una normal exacta y una aproximación por TCL tienen garantías distintas

Si Xi son normales iid N(μ, σ²), su media es exactamente N(μ, σ²/n) para cada n. Con σ conocida y positiva, Z=(X̄−μ)/(σ/√n) es exactamente normal estándar.

Para otras leyes iid con varianza finita positiva, el TCL ofrece aproximación asintótica. La calidad depende de la ley y de los sucesos considerados. Declarar muestra grande o conocer σ no convierte esa aproximación en una igualdad exacta.

La normalidad permite trabajar incluso con pocos datos

n=4 normales iid de media 10 y varianza 16.

  1. Ley de la media

    X̄ es normal de media 10 y varianza 4.

  2. Escala

    Su desviación es 2.

  3. Evento

    P(X̄≤12)=Φ(1), exactamente salvo el cálculo numérico de Φ.
Resultado

La afirmación exacta viene del modelo normal, no de n grande.

Lo comprobamos

Las cuatro observaciones mantienen varianza 16; la media tiene varianza 4.

Una media Bernoulli no es exactamente una campana

Diez Bernoulli independientes de p=0,2.

  1. Valores

    X̄ toma k/10 para k=0,1,…,10: avanza de una décima en una décima.

  2. Centro y varianza

    E(X̄)=0,2 y Var(X̄)=0,16/10=0,016.
  3. Forma

    La distribución es una binomial reescalada, no una normal continua exacta.

Resultado

Los momentos correctos no bastan para afirmar una ley normal exacta.

Lo comprobamos

Una aproximación debe justificarse aparte y distinguirse de la ley discreta disponible.

6. Ajustar el centro impone una restricción a los residuos

Los residuos Ri=Xi−X̄ cumplen ΣRi=0.

Una vez conocidos n−1, el último queda fijado.

La identidad Q=Σ(Xi−X̄)²=Σ(Xi−μ)²−n(X̄−μ)² se obtiene desarrollando cuadrados.
El centro ajustado obliga a compensarse
258Media = 5−3+3−3 + 0 + 3 = 03 residuos · 2 grados de libertad
Para datos dos, cinco y ocho, la media es cinco. Los residuos respecto a esa media son menos tres, cero y tres, cuya suma es cero. Conocidos dos residuos, el tercero queda determinado.

Bajo iid de segundo momento finito, EQ=nσ²−nVar(X̄)=(n−1)σ².

Por eso S²=Q/(n−1), n≥2, es insesgada para σ².

La ley exacta de Q y la independencia de media y residuos necesitan condiciones adicionales; el denominador por sí solo no las proporciona.

Tres residuos, solo dos libres

Datos 2,5,8.

  1. Centro

    La media es 5.

  2. Residuos

    −3,0,3 y su suma es cero.

  3. Cuadrados

    Q=9+0+9=18; S²=18/2=9.
Resultado

El tercer residuo compensa a los dos anteriores.

Lo comprobamos

Usar Q/3=6 daría la varianza empírica con otro denominador, no el estimador insesgado S².

Derivar el factor de corrección

Iid con n=5 y varianza verdadera 4.

  1. Esperanza de Q

    (n−1)σ²=4·4=16.
  2. Dividir por n

    E(Q/5)=16/5=3,2.
  3. Dividir por n−1

    E(Q/4)=4.
Resultado

El factor 5/4 corrige la esperanza del estimador de varianza.

Lo comprobamos

No significa que Q/4 sea exactamente 4 en cada muestra, ni que su raíz sea insesgada.

7. Bajo normalidad las direcciones residuales producen una chi-cuadrado

Una χ²ν es suma de cuadrados de ν normales estándar independientes. Para n normales iid, una transformación ortogonal separa la dirección (1,…,1)/√n de n−1 contrastes perpendiculares. La densidad normal estándar conjunta se conserva y factoriza en esas nuevas coordenadas.

La primera coordenada corresponde a la media; las otras producen Q/σ²=(n−1)S²/σ² de ley χ²n−1, y son independientes de la primera. Así X̄ y S² son independientes bajo normalidad. Sin normalidad, no se deduce esa independencia de ortogonalidad solamente.

Ver las dos direcciones con solo dos datos

Z₁, Z₂ normales estándar independientes; M=(Z₁+Z₂)/√2, R=(Z₁−Z₂)/√2.

  1. Cambio ortogonal

    Z₁²+Z₂²=M²+R² y el jacobiano absoluto es uno.
  2. Densidad

    Se vuelve proporcional a e^(−M²/2)e^(−R²/2): M y R son normales estándar independientes.

  3. Residuos

    Para una muestra original de tamaño dos, Q/σ²=R², que tiene ley χ²₁.

Resultado

Un grado queda para la media y otro para la dispersión residual.

Lo comprobamos

La factorización de la densidad es lo que justifica independencia, no solo que la covarianza sea cero.

Leer una suma residual normalizada

Muestra normal n=6; varianza verdadera σ²=9.

  1. Variable

    W=5S²/9.
  2. Ley

    W tiene ley χ²₅.

  3. Media

    EW=5, y por tanto ES²=9 como ya sabíamos.
Resultado

Los cinco grados coinciden con n−1.

Lo comprobamos

Una muestra no normal puede seguir teniendo S² insesgada, pero no esa ley chi-cuadrado exacta.

8. Student incorpora un denominador aleatorio independiente

Si Z es normal estándar y W independiente de ley χ²ν, la razón Z/√(W/ν) tiene ley tν.

Aplicarlo a la muestra normal da T=(X̄−μ)/(S/√n) de ley tn−1.

La t tiene colas más pesadas que la normal debido al denominador aleatorio. Se aproxima a la normal al crecer ν. La expresión contiene μ desconocida: es un pivote para inferencia, no un estadístico calculable solo con la muestra y sin parámetros.

Identificar grados antes de consultar una t

n=10 normales iid con σ desconocida.

  1. Media estandarizada

    Z usa σ, que no conocemos.

  2. Sustituir correctamente

    La razón con S/√10 es un pivote de Student.

  3. Grados

    ν=10−1=9.
Resultado

T tiene ley t₉ bajo el modelo normal.

Lo comprobamos

Sustituir σ por S y seguir llamando exacta a una normal estándar omitiría la variación del denominador.

El denominador puede acercarse a cero

n=2; el contraste residual R es normal estándar independiente de M.

  1. Varianza residual

    S/σ=|R|.
  2. Razón

    T=M/|R| tiene ley t₁, Cauchy estándar.
  3. Colas

    Valores pequeños de |R| pueden producir razones grandes, incluso si M no es extremo.

Resultado

La t₁ ilustra por qué Student tiene colas más pesadas.

Lo comprobamos

No se afirma que T tenga varianza finita: la t₁ no tiene ni media definida.

9. Más datos reducen variabilidad bajo el diseño, no corrigen un objetivo mal seleccionado

Aumentar n puede concentrar la estimación alrededor de la media de la población seleccionada, aunque esa no sea la objetivo. Errores de cobertura, no respuesta y dependencia deben tratarse en el mecanismo, no con una raíz de n aplicada sin más.

Al informar un error estándar se declara si es conocido o estimado, y si la ley usada es exacta o aproximada. Una simulación comprueba el comportamiento bajo sus supuestos; no demuestra que el mecanismo real cumpla esos supuestos.

Concentrarse en el centro equivocado

Una selección alcanza solo un grupo de media 12, pero la población objetivo tiene media 10.

  1. Al aumentar n

    Bajo iid dentro del grupo, la media observada se aproxima a 12.

  2. Error estándar

    Puede hacerse muy pequeño alrededor de 12.

  3. Distancia al objetivo

    El desplazamiento de dos unidades no desaparece.

Resultado

Más precisión de selección no elimina ese sesgo respecto al objetivo.

Lo comprobamos

Un intervalo estrecho construido para el grupo seleccionado no adquiere automáticamente cobertura para la media de otra población.

Nombrar lo que se conoce y lo que se estima

Una muestra da n=25 y S=10, pero σ es desconocida.

  1. Cantidad calculable

    S/√n=10/5=2.
  2. Nombre

    Es el error estándar estimado de la media.

  3. Garantía

    Para usar una t exacta se necesita el modelo normal iid; en otras situaciones se revisa una aproximación o método adecuado.

Resultado

El número 2 es una estimación, no una σ poblacional conocida.

Lo comprobamos

La distinción cambia la ley pivotal y la interpretación de la inferencia posterior.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Error de una media

n=25 y σ=10. Calcula la desviación típica de X̄.

  1. Objeto

    Se pide la desviación de la media, no la de cada observación.

  2. Hipótesis de la fórmula

    Bajo el modelo iid, SE(X̄)=σ/√n.
  3. Raíz del tamaño

    √25=5.
  4. Sustituir

    10/5=2.
  5. Comprobar al cuadrado

    Var(X̄)=100/25=4 y su raíz es 2.
  6. Interpretar

    Dividir 10 entre 25 daría 0,4 y usaría incorrectamente la regla de varianza para una desviación.

Resultado

2.

Lo comprobamos

Dividir diez entre veinticinco produciría 0,4 y sería incorrecto: la raíz del tamaño corresponde a la desviación típica.

EJEMPLO RESUELTO 2

Grados de libertad

Muestra normal de tamaño 8. Grados de la t para su media.

  1. Modelo

    La muestra es normal y tiene tamaño ocho.

  2. Pivote

    Para σ desconocida se usa (X̄−μ)/(S/√8).

  3. Residuos

    La estimación de la media deja una restricción de suma cero.

  4. Grados

    ν=n−1=8−1=7.
  5. Ley

    El pivote tiene ley t₇.

  6. Alcance

    La afirmación exacta utiliza normalidad iid; no procede solo de escribir un denominador n−1.

Resultado

7.

Lo comprobamos

Los grados vienen de n−1=8−1, no del número de parámetros que se escriben informalmente en el modelo. La ley exacta utiliza normalidad.

Los símbolos que hemos usado

X₁,…,X_n
Observaciones aleatorias; en el modelo iid son mutuamente independientes y tienen la misma ley.
θ
Parámetro fijo de la población o del modelo, que puede ser desconocido.
T(X₁,…,X_n)
Estadístico: función de la muestra que no utiliza parámetros desconocidos.
X̄
Media muestral ΣX_i/n.
S²
Varianza muestral Σ(X_i−X̄)²/(n−1), definida para n≥2.
SE
Error estándar: desviación típica de la distribución de un estadístico.
χ²_ν,t_ν
Leyes chi-cuadrado y t de Student con ν grados de libertad.

Ahora te toca a ti.

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

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