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Grado en Matemáticas

Espacios de probabilidad y sucesos

Antes de calcular una probabilidad hay que decidir qué cuenta como resultado. Sacar una bola concreta y observar solo su color no son la misma descripción: una agrupa resultados de la otra. Empezaremos con dibujos y construiremos después el modelo (Ω, Σ, P), para que cada símbolo responda a una pregunta que ya entendemos.

Si necesitas repasar:

1. Un resultado es lo que ocurre; un suceso reúne resultados que nos sirven

Un experimento aleatorio tiene varios resultados contemplados por el modelo y no sabemos cuál se observará. Ω es el conjunto de resultados elementales. Un suceso A es un subconjunto admisible de Ω: ocurre si el resultado observado pertenece a A.

Un resultado es una cara; un suceso puede reunir varias
123456Suceso par: {2; 4; 6}
Las seis caras de un dado numerado se muestran por separado. Las caras dos, cuatro y seis están resaltadas: forman el suceso obtener número par. Este dibujo describe posibilidades; por sí solo no demuestra que tengan igual probabilidad.

Decir «sale par» reúne varias caras. Con dos dados distinguimos primer y segundo dado: el resultado completo es un par ordenado (i, j). La suma es una observación que agrupa pares; su valor por sí solo no tiene por qué ser equiprobable con las demás sumas.

Leer el dado antes de hacer una fracción

Un dado numerado de 1 a 6; A=obtener par.

  1. Resultados

    Ω={1,2,3,4,5,6}.
  2. Seleccionar

    A={2,4,6} reúne tres resultados.
  3. Observar

    Si sale 4, A ocurre; si sale 5, A no ocurre.

Resultado

A es un suceso con tres resultados.

Lo comprobamos

Todavía no hemos afirmado que el dado sea justo: describir posibilidades y asignar probabilidades son dos pasos.

Elegir el detalle necesario

En dos dados, pregunta si el primero es mayor que el segundo.

  1. Usar parejas

    (5,2) satisface la pregunta y (2,5) no.

  2. Intentar solo sumas

    Ambos dan 7, así la suma no permite distinguirlos.

  3. Modelo

    Conservamos Ω={1,…,6}×{1,…,6} para poder formular ese suceso.

Resultado

La descripción debe retener la información de la pregunta.

Lo comprobamos

Agrupar puede ser útil, pero no debe borrar el detalle que luego necesitamos.

2. La sigma álgebra decide qué preguntas están definidas

Σ es una familia de subconjuntos de Ω que contiene Ω, es cerrada por complementos y por uniones numerables. De ahí salen ∅ y las intersecciones numerables por las leyes de De Morgan. Así podemos combinar preguntas con «no», «o» e «y» dentro del modelo.

La familia de sucesos determina qué detalles se pueden preguntar
El sensor solo distingue dos gruposabcdAAᶜΣ={∅,A,Aᶜ,Ω}{a} aún no es una pregunta medible.
Cuatro resultados a b c d agrupados en dos bloques A con a b y su complemento con c d. La sigma álgebra contiene solo vacío, A, complemento de A y espacio completo. No contiene la pregunta aislada a, aunque a sea un resultado elemental. No se asignan probabilidades individuales a puntos fuera de esta familia.

En un espacio finito suele elegirse toda la colección de subconjuntos, pero también se puede observar solo una partición. En el continuo usamos, por ejemplo, conjuntos borelianos o una completación de Lebesgue; no se afirma que todos los subconjuntos arbitrarios tengan probabilidad asignada.

Un sensor solo distingue grupos

Ω={a, b, c, d}, A={a, b}, Σ={∅, A, Aᶜ, Ω}.

  1. Complementos

    El complemento de A es {c, d}; ambos están en Σ.

  2. Uniones

    Cualquier unión de estos cuatro conjuntos sigue siendo uno de los cuatro.

  3. Pregunta no disponible

    {a} no está en Σ: el modelo no distingue a de b mediante sucesos.

Resultado

Σ es una sigma álgebra válida, aunque no contenga todos los subconjuntos.

Lo comprobamos

No definir P({a}) aquí no equivale a asignarle probabilidad cero.

Una familia que parece razonable pero no cierra

Ω={a, b, c}; se propone Σ={∅, Ω,{a}}.

  1. Tomar complemento

    Ω∖{a}={b, c}.
  2. Comparar

    {b, c} no está en la familia propuesta.

  3. Conclusión

    Falla una de las condiciones necesarias.

Resultado

No es una sigma álgebra.

Lo comprobamos

No basta incluir el vacío y el total: las operaciones indicadas también deben permanecer dentro.

3. Los axiomas asignan peso total uno y suman piezas disjuntas

Una probabilidad P sobre Σ asigna valores no negativos, P(Ω)=1 y P(⋃Aₙ)=ΣP(Aₙ) para sucesos disjuntos dos a dos. Esta aditividad es numerable. El modelo completo es el triple (Ω, Σ, P). El total uno no dice que todos los resultados tengan igual peso.

P(∅)=0: sumar numerablemente copias del vacío no puede producir una masa positiva finita.

Como A y Aᶜ dividen Ω en dos piezas disjuntas, P(A)+P(Aᶜ)=1.

Por tanto P(Aᶜ)=1−P(A) y cada suceso tiene probabilidad entre cero y uno.

Construir una probabilidad finita desigual

Ω={a, b, c}, con masas 1/2,1/3,1/6.

  1. No negatividad

    Todas son positivas.

  2. Normalizar

    1/2+1/3+1/6=1.
  3. Sumar piezas

    P({a, c})=1/2+1/6=2/3; su complemento {b} tiene 1/3.
Resultado

Es una probabilidad con resultados no equiprobables.

Lo comprobamos

Enumerar tres resultados no autorizaba a asignar un tercio a cada uno.

Usar el complemento para una pregunta amplia

Una máquina falla con probabilidad 0,08.

  1. Nombrar

    F=fallo; Fᶜ=funcionamiento sin ese fallo.
  2. Restar del total

    P(Fᶜ)=1−0,08.
  3. Resultado

    P(Fᶜ)=0,92.
Resultado

La probabilidad del complemento es 0,92.

Lo comprobamos

El dato es un modelo probabilístico; no garantiza exactamente ocho fallos cada cien usos.

4. Separar regiones evita contar dos veces la intersección

Si A⊂B, B es la unión disjunta de A y B∖A; así P(B)=P(A)+P(B∖A)≥P(A).

Es monotonía: añadir resultados no reduce la probabilidad.

Cada resultado se coloca una sola vez en su región
A: parB: > 3246513A ∩ B = {4; 6}
El espacio del dado contiene uno a seis. A es par: dos, cuatro y seis. B es mayor que tres: cuatro, cinco y seis. Solo en A está dos; en ambos cuatro y seis; solo en B cinco; fuera de ambos uno y tres. El solapamiento representa resultados que cumplen las dos condiciones.

Para dos sucesos cualesquiera distinguimos solo A, ambos y solo B. Al sumar P(A)+P(B), la región de ambos aparece dos veces. Por eso P(A∪B)=P(A)+P(B)−P(A∩B). «O» incluye la posibilidad de que ocurran los dos, salvo que se especifique exclusión.

Ver las tres regiones en un dado justo

A=par y B=mayor que 3.

  1. Regiones

    Solo A: {2}; ambos: {4,6}; solo B: {5}.

  2. Unión

    {2,4,5,6} tiene cuatro resultados.

  3. Fórmula

    3/6+3/6−2/6=4/6=2/3.
Resultado

La intersección debe restarse una vez.

Lo comprobamos

El dibujo ubica cada cara una sola vez; no se suman las seis apariciones de las dos listas sin corregir.

Convertir inclusión en una diferencia de probabilidades

A⊂B, P(A)=0,25, P(B)=0,7.

  1. Descomponer

    B=A∪(B∖A), sin solapamiento.
  2. Restar

    P(B∖A)=0,7−0,25.
  3. Calcular

    El resultado es 0,45, no negativo como exigía la inclusión.

Resultado

P(B∖A)=0,45.

Lo comprobamos

Si los datos dieran P(A)>P(B), el supuesto A⊂B sería incompatible con ellos.

5. Las cotas detectan datos imposibles sin reconstruir todo el modelo

Por inclusión, P(A∩B)≤min(P(A), P(B)).
Como P(A∪B)≤1, también P(A∩B)≥P(A)+P(B)−1.

Añadiendo no negatividad, la cota inferior es max(0, P(A)+P(B)−1).

Para una familia finita o numerable, P(⋃Aₙ)≤ΣP(Aₙ), aunque haya solapamientos. Se prueba reemplazando cada Aₙ por la parte que no apareció antes: Bₙ=Aₙ∖(A₁∪…∪Aₙ₋₁). Las Bₙ son disjuntas, tienen la misma unión y satisfacen P(Bₙ)≤P(Aₙ).

Dos grupos grandes tienen que solaparse

P(A)=0,7, P(B)=0,6; se propone P(A∩B)=0,2.

  1. Cota inferior

    0,7+0,6−1=0,3.
  2. Comparar

    El valor propuesto 0,2 es menor.

  3. Otra comprobación

    La unión daría 0,7+0,6−0,2=1,1.
Resultado

Los datos son imposibles en un mismo espacio de probabilidad.

Lo comprobamos

No hace falta suponer independencia para detectar esa contradicción.

Acotar varios fallos sin conocer sus dependencias

Cuatro componentes tienen cada uno probabilidad de fallo 0,01.

  1. Suceso de interés

    Falla al menos uno: unión de los cuatro fallos.

  2. Cota de unión

    P(al menos uno)≤4·0,01=0,04.
  3. Complemento

    P(ningún fallo)≥0,96.
Resultado

Se garantiza una cota del modelo, no un valor exacto.

Lo comprobamos

Para escribir 1−0,99⁴ como probabilidad de algún fallo sí necesitaríamos independencia.

6. Contar favorables solo sirve cuando contamos resultados equiprobables

En un espacio finito con |Ω| resultados, si cada uno tiene probabilidad 1/|Ω|, entonces P(A)=|A|/|Ω|. La igualdad de pesos se justifica mediante el modelo: dado justo, selección uniforme u otra hipótesis explícita.

El color agrupa bolas; no hace iguales los tamaños de los grupos
R1R2R3A1A2A3A4A58 bolas distintas · 2 colores
Hay ocho bolas etiquetadas: tres rojas R uno a R tres y cinco azules A uno a A cinco. Si cada bola individual se elige con probabilidad un octavo, la probabilidad de rojo es tres octavos y la de azul cinco octavos. Dos colores posibles no implican un medio para cada color.

Podemos describir una bolsa por bolas etiquetadas o solo por colores. Ambos espacios pueden ser válidos, pero en el segundo los pesos de los colores deben sumar los de sus bolas. Dos colores posibles no implican probabilidad un medio para cada uno.

Ocho bolas y dos colores

Tres rojas y cinco azules; se elige uniformemente una de las ocho bolas.

  1. Etiquetar

    R₁, R₂, R₃, A₁,…, A₅ tienen masa 1/8 cada una.

  2. Agrupar

    Rojo reúne tres resultados: P(R)=3/8.
  3. Reducir el espacio

    Si Ω solo registra {rojo, azul}, asignamos pesos 3/8 y 5/8.

Resultado

El espacio de colores es válido con pesos desiguales.

Lo comprobamos

El dibujo cuenta bolas y no atribuye un medio por el mero hecho de mostrar dos colores.

Las sumas de dos dados no son once opciones iguales

Dos dados justos independientes.

  1. Parejas

    Cada una de las 36 parejas ordenadas pesa 1/36.

  2. Suma 2

    Solo viene de (1,1): probabilidad 1/36.

  3. Suma 8

    Viene de (2,6),(3,5),(4,4),(5,3),(6,2): probabilidad 5/36.

Resultado

No se divide entre once sumas como si fueran equiprobables.

Lo comprobamos

Las casillas del dibujo tienen pesos iguales; sus grupos por suma tienen tamaños distintos.

7. En un espacio numerable sumamos masas; en el continuo medimos longitudes

En Ω={1,2,…}, masas pₙ≥0 con suma uno determinan P(A)=Σ de pₙ para n∈A. No hay distribución uniforme sobre todos los enteros positivos: una masa común positiva daría un total infinito y una masa común cero daría cero.

En el uniforme de [0,1], la probabilidad de un intervalo es su longitud y cada punto tiene probabilidad cero. La unión de todos los puntos tiene probabilidad uno, pero es una unión no numerable; el axioma no permite sustituirla por una suma numerable de ceros.

Una distribución infinita que sí suma uno

P({n})=2^(−n), n≥1.

  1. Normalizar

    1/2+1/4+1/8+…=1.
  2. Pares

    P(n par)=1/4+1/16+….
  3. Geométrica

    La suma es (1/4)/(1−1/4)=1/3.
Resultado

P(par)=1/3.

Lo comprobamos

No usamos la intuición de «mitad pares, mitad impares»: los primeros números reciben más masa.

El continuo calcula una franja, no cuenta sus puntos

U uniforme en [0,1].

  1. Intervalo

    P(0,2<U≤0,7)=0,7−0,2=0,5.
  2. Punto

    P(U=0,4)=0.
  3. Extremos

    Añadir o quitar esos puntos no cambia la longitud del intervalo.

Resultado

La franja tiene probabilidad 1/2 y cada punto aislado, cero.

Lo comprobamos

Los dos conjuntos tienen infinitos puntos, pero la probabilidad se definió por longitud y no por un cociente de cardinales.

8. Probabilidad cero y conjunto vacío son nociones distintas

En el uniforme continuo,{1/2} es un suceso no vacío con probabilidad cero. Un suceso de probabilidad uno ocurre casi seguramente: su complemento es nulo, pero puede contener resultados del espacio.

En cambio, en un espacio finito donde cada resultado tiene masa positiva, un suceso no vacío contiene al menos una masa positiva y no puede ser nulo. Siempre se declara el modelo antes de traducir «probabilidad cero» por «imposible». Una probabilidad pequeña tampoco es cero.

Un conjunto denso puede tener probabilidad cero

U uniforme en [0,1]; Q=valores racionales del intervalo.

  1. Cada racional

    Un punto tiene probabilidad cero.

  2. Unión numerable

    Los racionales son numerables, así P(U racional)=0.

  3. Complemento

    P(U irracional)=1, aunque también existan racionales en Ω.
Resultado

U es irracional casi seguramente.

Lo comprobamos

Que todo intervalo contenga racionales no les da longitud positiva; densidad topológica y probabilidad son propiedades distintas.

El modelo finito da otra conclusión

Ω={a, b, c}, con pesos 1/2,1/3,1/6.

  1. Suceso no vacío

    Debe contener al menos uno de los tres resultados.

  2. Masa mínima

    Su probabilidad es al menos 1/6.

  3. Nulo

    La única posibilidad de probabilidad cero es ∅.

Resultado

Aquí sí, un suceso nulo tiene que ser vacío.

Lo comprobamos

No trasladamos esa conclusión al uniforme continuo del ejemplo anterior.

9. Disjuntos significa excluirse; independientes significa multiplicar pesos

A y B son disjuntos si A∩B=∅.
Son independientes si P(A∩B)=P(A)P(B).

Dos sucesos disjuntos de probabilidad positiva no son independientes: su intersección pesa cero y el producto es positivo.

La independencia pertenece al modelo probabilístico, no solo al dibujo de conjuntos. Dos monedas justas no bastan para asegurar independencia si el mecanismo las obliga a coincidir. En el siguiente tema usaremos condicionadas para interpretar qué significa no cambiar probabilidades al conocer información.

Dos caras distintas del mismo dado se excluyen

Dado justo, A={1}, B={2}.

  1. Intersección

    A∩B=∅, así P(A∩B)=0.
  2. Producto

    P(A)P(B)=1/36.
  3. Comparar

    Cero no es 1/36.

Resultado

Son disjuntos y dependientes.

Lo comprobamos

Saber que salió 1 hace imposible que haya salido 2 en el mismo lanzamiento.

Sucesos que pueden coincidir y son independientes

Dos lanzamientos justos e independientes; A=primera cara, B=segunda cara.

  1. Marginales

    P(A)=P(B)=1/2.
  2. Intersección

    La secuencia cara-cara pesa 1/4.

  3. Producto

    1/2·1/2=1/4.
Resultado

Son independientes y no disjuntos.

Lo comprobamos

La conclusión usa la independencia declarada en los lanzamientos; no procede solo de tener dos símbolos de cara y cruz.

10. La aditividad numerable permite aproximar sucesos por límites

Si Aₙ crece por inclusión, lo dividimos en incrementos disjuntos: A₁, A₂∖A₁, A₃∖A₂,… . Las sumas parciales de sus probabilidades son P(Aₙ), y su suma total es P(⋃Aₙ).

Por eso P(⋃Aₙ)=lim P(Aₙ).

Si Aₙ decrece, los complementos crecen.

Aplicar el resultado anterior y P(Aᶜ)=1−P(A) da P(⋂Aₙ)=lim P(Aₙ).
La finitud necesaria está garantizada por P(Ω)=1.

El conjunto límite puede ser no vacío aunque su probabilidad sea cero.

Aproximar un intervalo que no contiene su extremo

U uniforme en [0,1], Aₙ={U≤1−1/n}, n≥1.

  1. Inclusión

    Los extremos 0,1/2,2/3,… crecen.

  2. Unión

    Se obtiene {U<1}, sin incluir el punto 1.
  3. Probabilidades

    P(Aₙ)=1−1/n→1.
Resultado

La unión tiene probabilidad uno, aunque no sea todo Ω.

Lo comprobamos

El único punto excluido tiene probabilidad cero.

Los intervalos se cierran sobre un único punto

Aₙ={0≤U≤1/n}.

  1. Decrecen

    Cada nuevo intervalo está contenido en el anterior.

  2. Intersección

    Solo queda U=0.
  3. Límite de masas

    P(Aₙ)=1/n→0=P(U=0).
Resultado

El conjunto límite es no vacío y tiene probabilidad cero.

Lo comprobamos

La continuidad de la medida respeta exactamente la diferencia entre masa y existencia de resultados.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Dos dados

Probabilidad de suma 7 al lanzar dos dados justos independientes.

  1. Modelo

    Los resultados son parejas ordenadas (i, j); hay 6·6=36.

  2. Pesos

    Dados justos e independientes dan 1/6·1/6=1/36 por pareja.

  3. Seleccionar

    i+j=7 equivale a j=7−i.
  4. Listar

    (1,6),(2,5),(3,4),(4,3),(5,2),(6,1).

  5. Sumar

    Son seis sucesos elementales disjuntos:6·1/36=1/6.
  6. Comprobar

    Hay exactamente un compañero para cada primer dado. La cuenta se hizo sobre parejas equiprobables, no sobre sumas.

Resultado

1/6.

Lo comprobamos

Para cada valor del primer dado hay exactamente un compañero que completa siete. Son seis favorables de treinta y seis, sin suponer equiprobabilidad de las sumas.

EJEMPLO RESUELTO 2

Unión

P(A)=0,4,P(B)=0,5,P(A∩B)=0,2. Calcula P(A∪B).

  1. Datos

    P(A)=0,4, P(B)=0,5 y el solapamiento pesa 0,2.
  2. Solo A

    0,4−0,2=0,2.
  3. Solo B

    0,5−0,2=0,3.
  4. Reunir tres piezas

    0,2+0,2+0,3=0,7.
  5. Fórmula equivalente

    P(A∪B)=0,4+0,5−0,2=0,7.
  6. Comprobar el exterior

    El complemento de la unión pesa 0,3 y las cuatro regiones suman uno.

Resultado

0,7.

Lo comprobamos

El complemento de la unión tiene probabilidad 0,3. Las tres piezas de la unión y esa exterior suman uno.

Los símbolos que hemos usado

Ω
Espacio de resultados posibles de un experimento o modelo.
Σ
Sigma álgebra de sucesos medibles, familia cerrada por complemento y uniones numerables.
P
Medida de probabilidad no negativa, numerablemente aditiva y con P(Ω)=1.
Aᶜ
Suceso complementario: resultados de Ω que no pertenecen a A.
A∪B, A∩B
Sucesos de que ocurra al menos uno o de que ocurran ambos.
Disjuntos
Sucesos con intersección vacía; no pueden ocurrir simultáneamente.
Casi seguro
Propiedad cuyo suceso tiene probabilidad uno, aunque pueda excluir resultados posibles de probabilidad cero.

Ahora te toca a ti.

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

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