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Grado en Matemáticas

Teorema central del límite y procesos elementales

Una media se acerca a su centro, pero todavía fluctúa. El teorema central del límite mira esas fluctuaciones ampliándolas a su escala adecuada. Después pasaremos de una variable a una historia temporal: un paseo y un conteo de llegadas. Las hipótesis indicarán qué se puede sumar y qué sigue dependiendo del pasado.

1. El límite central amplía el error de la media para ver su forma

Para iid de media μ y varianza finita positiva σ², la media tiene desviación σ/√n. El error sin reescalar se hace pequeño por grandes números. Dividir por esa desviación mantiene una escala de fluctuación no degenerada.

Normalizar una media usa su propia dispersión
μ=20 ; σ=3 ; n=225Error estándar: 3/15=0,219,619,82020,220,4+0,2+0,2Media 20,4 : z=0,4/0,2=2Dos errores estándar,no un porcentaje.
Modelo de observaciones iid con media veinte, desviación individual tres y tamaño doscientos veinticinco. La desviación de la media es tres entre quince, cero coma dos. Una media observada veinte coma cuatro está dos errores estándar por encima de veinte. Las marcas separadas por cero coma dos muestran esa cuenta, sin asignar una probabilidad a z.

El TCL iid afirma Zₙ=√n(media−μ)/σ converge en distribución a N(0,1). Es lo mismo que (suma−nμ)/(σ√n). Se resta el centro antes de dividir. Esas expresiones normalizan media y suma, de forma equivalente pero con denominadores diferentes.

Normalizar una media en el dibujo

μ=20, σ=3, n=225 y media observada 20,4.

  1. Escala de la media

    σ/√n=3/15=0,2.
  2. Distancia

    20,4−20=0,4.
  3. Unidades estándar

    z=0,4/0,2=2.
Resultado

La media está dos errores estándar por encima del centro.

Lo comprobamos

z=2 es una posición normalizada, no una probabilidad del 2 %.

Normalizar la suma da el mismo número

Con los mismos datos, la suma observada es 225·20,4=4590.

  1. Centro de la suma

    nμ=225·20=4500.
  2. Escala

    σ√n=3·15=45.
  3. Restar y dividir

    (4590−4500)/45=90/45=2.
Resultado

Suma y media llevan a z=2.

Lo comprobamos

Usar 45 como desviación de la media o 0,2 como desviación de la suma mezclaría dos objetos.

2. La aproximación afecta a la media normalizada, no convierte cada dato en normal

El enunciado iid supone independencia mutua, igual distribución y varianza finita positiva. No exige observaciones normales. Si ellas ya son normales, la media tiene exactamente ley N(μ, σ²/n) para cada n; en otros casos se habla de aproximación asintótica.

No existe un tamaño universal, como n=30, que garantice una precisión fijada para todas las leyes del teorema. Una probabilidad de éxito muy pequeña puede dejar un gran salto de probabilidad aun con ese tamaño. También importa qué cola y qué intervalo se aproximan.

Un dato discreto puede tener media aproximadamente normal

Xi Bernoulli de p=1/2, independientes.

  1. Observaciones

    Cada Xi sigue tomando solo 0 o 1, para cualquier n.

  2. Media

    Toma la retícula 0,1/n,2/n,…,1.

  3. Límite

    Zₙ=2√n(media−1/2) tiene límite normal estándar, aunque los datos individuales nunca se vuelvan normales.

Resultado

La forma límite se refiere al estadístico reescalado.

Lo comprobamos

Para n finito la variable sigue siendo discreta; la normal es una aproximación a probabilidades de intervalos.

Treinta puede ser claramente insuficiente

Xi Bernoulli de p=0,01 y n=30.

  1. Masa grande

    La suma es cero con probabilidad 0,99³⁰≈0,740.
  2. Salto de la acumulada

    También la suma normalizada conserva ese salto.

  3. Comparar con una curva continua

    Una acumulada continua no puede estar a distancia menor que la mitad del salto a ambos lados: el error uniforme es al menos 0,99³⁰/2≈0,370.

Resultado

No hay una buena aproximación uniforme solo por decir n=30.

Lo comprobamos

El TCL sigue siendo verdadero al tender n a infinito; este ejemplo cuestiona una regla finita universal.

3. Las funciones características muestran por qué aparece la campana

Para Y=(X−μ)/σ, tenemos EY=0 y E(Y²)=1.
Su característica φ(t)=E(e^(itY)) cumple φ(t)=1−t²/2+o(t²).

El segundo momento finito permite justificar el resto de Taylor por convergencia dominada con una cota proporcional a Y².

Por independencia, la característica de (Y₁+…+Yₙ)/√n es φ(t/√n)ⁿ.

La expansión da (1−t²/(2n)+o(1/n))ⁿ→e^(−t²/2).

El teorema de continuidad de Lévy convierte ese límite, continuo en cero, en convergencia de leyes a la normal estándar. Ese último teorema es el puente analítico usado en esta prueba.

Ver el mecanismo con pasos de dos valores

Y toma −1 o 1 equiprobables.

  1. Característica exacta

    φ(t)=(e^(it)+e^(−it))/2=cos t.
  2. Suma normalizada

    Por independencia su característica es cos(t/√n)ⁿ.

  3. Límite

    ln cos z=−z²/2+o(z²) cerca de cero; el logaritmo de la potencia tiende a −t²/2.

Resultado

La característica converge a la de una normal estándar.

Lo comprobamos

La expansión se usa cerca de cero para t fijo y n grande, no para todo argumento arbitrariamente grande.

La hipótesis del momento permite controlar el resto

EY=0, E(Y²)=1; expandimos e^(itY).

  1. Lineal

    Su esperanza es it EY=0.
  2. Cuadrático

    Su esperanza es −t²E(Y²)/2=−t²/2.
  3. Resto

    El resto dividido por t² tiende a cero punto a punto y está dominado por una constante por Y²; dominarlo permite pasar a la esperanza.

Resultado

La expansión necesaria solo requiere segundo momento finito.

Lo comprobamos

No se supuso un tercer momento para el TCL básico; ese momento adicional sirve para cotas de error más fuertes.

4. Para una probabilidad se transforma el intervalo y después se integra la normal

Para aproximar P(media≤a), calculamos z=(a−μ)/(σ/√n) y usamos Φ(z).

Para dos límites, se transforman ambos y se restan acumuladas. Un valor z representa distancia en errores estándar, no una altura ni una probabilidad.

Con tercer momento absoluto finito, Berry–Esseen acota el error uniforme de la acumulada por C·E|X−μ|³/(σ³√n), para una constante universal C. La forma indica que asimetría y colas pueden retrasar la aproximación. Sin esa hipótesis, el TCL básico no ofrece por sí solo esa tasa.

Usar la dispersión correcta del promedio

Iid con μ=50, σ=6, n=144; aproxima P(media≤51).

  1. Error estándar

    6/√144=6/12=0,5.
  2. Límite normalizado

    (51−50)/0,5=2.
  3. Área

    La aproximación es Φ(2)≈0,9772.
Resultado

Aproximadamente 0,9772, si la aproximación es adecuada para la ley y tamaño considerados.

Lo comprobamos

Si los datos son normales iid, el cálculo es exacto salvo el redondeo de Φ; en general es asintótico.

Transformar una franja completa

Con los mismos μ, σ, n, preguntamos 49,5<media≤50,5.

  1. Extremo inferior

    (49,5−50)/0,5=−1.
  2. Superior

    (50,5−50)/0,5=1.
  3. Restar áreas

    Φ(1)−Φ(−1)≈0,6827.
Resultado

La franja tiene probabilidad aproximada 0,6827.

Lo comprobamos

Su anchura es dos errores estándar, uno a cada lado del centro; no dos desviaciones individuales.

5. Una retícula de conteos se aproxima con fronteras de media unidad

Para S binomial(n, p), la media es np y la varianza np(1−p). Al aproximar un intervalo de enteros a≤S≤b, la corrección de continuidad usa la franja normal de a−1/2 a b+1/2 antes de estandarizar.

Es un ajuste de la representación discreta por áreas continuas, no un teorema universal de precisión. Revisar np y n(1−p) ayuda a detectar un reparto muy asimétrico. Si se necesita precisión y la ley binomial es conocida, se puede calcular su suma exacta.

Corregir los dos extremos

S binomial(100,1/2); aproxima P(45≤S≤55).

  1. Centro y escala

    μs=50, σs=5.
  2. Franja continua

    44,5<normal≤55,5.
  3. Estandarizar

    Los extremos son −1,1 y 1,1; probabilidad aproximada Φ(1,1)−Φ(−1,1)≈0,7287.
Resultado

La corrección incluye completas las celdas de los enteros 45 y 55.

Lo comprobamos

No se añade 1/2 directamente a un z: primero se corrige la escala original de conteos.

Una cola con extremo entero

Misma binomial; aproxima P(S≥60).

  1. Frontera corregida

    La celda de 60 empieza en 59,5.

  2. Normalizar

    z=(59,5−50)/5=1,9.
  3. Cola

    1−Φ(1,9)≈0,0287.
Resultado

La aproximación es una cola superior de aproximadamente 0,0287.

Lo comprobamos

La probabilidad exacta es una suma binomial; la aproximación no se presenta como igualdad.

6. Un proceso contiene una variable por tiempo y relaciones entre esos tiempos

Un proceso {Xt} es una familia de variables indexadas por tiempo. Con ω fijo, t↦Xt(ω) es una trayectoria. Sus distribuciones conjuntas entre tiempos determinan relaciones que las leyes marginales aisladas no revelan.

El incremento entre s y t es Xt−Xs. Tiene distribución estacionaria de incrementos si esa ley solo depende de t−s. Incrementos en intervalos disjuntos pueden ser independientes, pero esa es una condición adicional. No se confunde con que cada Xt tenga la misma ley.

Mismas marginales, dos historias distintas

En tiempos enteros, compara Xn=Z con Z signo justo fijo, y Yn signos justos independientes.

  1. Una foto temporal

    Cada Xn y cada Yn tiene ley ±1 equiprobable.

  2. Dos tiempos en X

    X₀=X₁ con probabilidad uno.
  3. Dos tiempos en Y

    Y₀=Y₁ con probabilidad 1/2.
Resultado

Las marginales por separado no determinan el proceso.

Lo comprobamos

La diferencia está en la distribución conjunta de tiempos, no en la forma de cada foto.

Estacionarios no significa independientes

Xt=tZ, con Z signo justo.

  1. Incremento

    Xt−Xs=(t−s)Z, cuya ley solo depende de la duración.
  2. Dos ventanas

    X₁−X₀=Z y X₂−X₁=Z: son el mismo valor.
  3. Marginales

    Xt toma ±t, así su ley sí cambia con t.

Resultado

Tiene incrementos estacionarios, pero no independientes ni marginales constantes.

Lo comprobamos

Se han separado tres propiedades distintas en una sola cuenta explícita.

7. Un paseo suma pasos: las posiciones comparten el pasado

En un paseo, S₀=0 y Sₙ=ξ₁+…+ξₙ.

Si los pasos son iid con media m y varianza v finita, ESₙ=nm y Var(Sₙ)=nv.

Para pasos justos ±1, m=0 y v=1.
Una trayectoria de paseo ayuda a identificar los pasos compartidos
Las posiciones comparten pasos anteriores02468S₃ y S₈ comparten los tres primeros pasos.Cov(S₃,S₈)=3 para pasos justos ±1.
Trayectoria ilustrativa de ocho pasos más uno menos uno más uno más uno menos uno menos uno más uno más uno. Cada posición suma todos los pasos previos. Bajo el modelo de pasos justos independientes de varianza uno, S tres y S ocho comparten tres términos y tienen covarianza tres. El dibujo muestra una trayectoria, no una media ni un patrón obligatorio.

Los pasos independientes no hacen independientes a S₃ y S₈: ambos contienen los tres primeros pasos.

Para m≤n, Cov(Sm, Sn)=Var(Sm)=mv.

El TCL normaliza una posición en un tiempo grande; aproximar una trayectoria completa requiere un teorema funcional adicional.

Normalizar una posición del paseo

Pasos justos ±1; miramos S₉.

  1. Centro

    ES₉=0.
  2. Varianza y escala

    Var(S₉)=9, σs=3.
  3. Normalización

    S₉/3 es la posición estandarizada; la familia Sₙ/√n converge en distribución a N(0,1).

Resultado

En n=9 sigue siendo una variable de retícula, no exactamente normal.

Lo comprobamos

El teorema habla del límite al crecer n y no convierte nueve pasos en una ley continua exacta.

Cuantificar el pasado compartido

Pasos iid centrados de varianza uno; compara S₃ y S₈.

  1. Separar

    S₈=S₃+(ξ₄+…+ξ₈).
  2. Independencia correcta

    El bloque nuevo es independiente de S₃.

  3. Covarianza

    Cov(S₃, S₈)=Var(S₃)=3.
Resultado

Las dos posiciones son dependientes.

Lo comprobamos

Los cinco pasos nuevos no eliminan las tres contribuciones que ya compartían.

8. Poisson cuenta llegadas con incrementos independientes de tasa constante

Un proceso de Poisson homogéneo de tasa λ>0 empieza en N₀=0 y tiene incrementos independientes en intervalos disjuntos, con Nt−Ns de ley Poisson(λ(t−s)). En su versión habitual, las trayectorias son escalonadas, no decrecen y saltan de uno en uno.

El conteo es escalonado y su media no describe una trayectoria concreta
Una trayectoria de conteos0123123Cada llegada aumenta N en uno.Los tiempos dibujados son ilustrativos.
Una trayectoria ilustrativa de un proceso de conteo con llegadas en tiempos cero coma cinco, uno coma cuatro y dos coma seis, y ventana hasta tres. El conteo empieza en cero, no decrece y sube de uno en uno. No se deduce una tasa de esta trayectoria; en un proceso de Poisson la ley del conteo depende de la tasa y la duración.

Un conteo de duración h tiene media y varianza λh. λ mide llegadas por tiempo y λh es un parámetro de conteo. Aunque sus incrementos sean estacionarios, Nt no es estacionario: ENt=λt crece con el tiempo. El dibujo es una trayectoria ilustrativa, no una forma obligatoria ni una estimación automática de tasa.

Convertir segundos a la unidad de la tasa

λ=4 por minuto; ventana de 30 segundos.

  1. Duración

    30 segundos son 1/2 minuto.

  2. Parámetro

    λh=4·1/2=2.
  3. Ley

    El conteo es Poisson(2), con media y varianza 2.

Resultado

P(ninguna llegada)=e^(−2).

Lo comprobamos

Usar 4·30 habría mezclado una tasa por minuto con tiempo en segundos.

Conteos acumulados no son incrementos disjuntos

λ=2 por hora; compara N₂ y N₅.

  1. Separar

    N₅=N₂+(N₅−N₂).
  2. Independencia

    El incremento entre horas 2 y 5 es independiente del conteo anterior.

  3. Covarianza

    Cov(N₂, N₅)=Var(N₂)=2·2=4.
Resultado

N₂ y N₅ son dependientes, aunque el proceso tenga incrementos independientes.

Lo comprobamos

Sus medias son 4 y 10, respectivamente; no se confunde el conteo total con el de una ventana nueva.

9. Las esperas y las hipótesis cierran el modelo

Si T₁ es la primera llegada, el suceso T₁>t equivale a Nt=0.
Por tanto P(T₁>t)=e^(−λt): espera exponencial de tasa λ.

Las esperas sucesivas son iid exponenciales en este modelo y su media es 1/λ.

Tasa variable, llegadas agrupadas o dependencia temporal pueden requerir otro proceso. Igual ocurre con el TCL: dependencia fuerte o varianza infinita quedan fuera de su enunciado iid usual. Identificar las hipótesis precede a sustituir números en una fórmula.

Del conteo a un tiempo de espera

Proceso de tasa 4 por minuto.

  1. Media de espera

    1/4 minuto=15 segundos.
  2. Más de 15 segundos

    P(T₁>1/4)=e^(−4·1/4)=e^(−1).
  3. Condición pasada

    Si ya esperamos s minutos, sin llegada, la probabilidad de esperar otros 1/4 es también e^(−1).

Resultado

La falta de memoria se refiere a este modelo exponencial.

Lo comprobamos

No se dice que toda espera real reinicie su distribución al pasar el tiempo.

Momento finito sin independencia no basta para el TCL

Xi=Z para todo i, con Z signo justo.

  1. Mismas marginales

    Cada Xi tiene media cero y varianza uno.

  2. Media

    El promedio sigue siendo Z.

  3. Normalización falsa

    √n·media=√nZ; para n grande no da una normal estándar: por ejemplo, P(√nZ≤1)=1/2 en lugar de aproximarse a Φ(1).

Resultado

No se puede aplicar el TCL iid a copias del mismo dato.

Lo comprobamos

Se cumple igualdad de distribución y momento finito, pero falla la independencia mutua.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Normalizar una media

n=100, μ=10, σ=2. ¿Qué z corresponde a media 10,4?

  1. Datos

    n=100, μ=10, σ=2 y media observada 10,4.
  2. Error estándar

    σ/√n=2/10=0,2.
  3. Distancia al centro

    10,4−10=0,4.
  4. Normalizar

    z=0,4/0,2=2.
  5. Otra forma

    √100·(10,4−10)/2=10·0,4/2=2.
  6. Interpretación

    Son dos errores estándar por encima del centro; z no es una probabilidad ni un porcentaje.

Resultado

z=2.

Lo comprobamos

La forma equivalente √100·(10,4−10)/2=10·0,4/2 también da dos. No es una probabilidad.

EJEMPLO RESUELTO 2

Conteos Poisson

Un proceso de Poisson de tasa 3 por hora. Media y varianza en dos horas.

  1. Tasa y duración

    La tasa es 3 por hora y el intervalo dura 2 horas.

  2. Parámetro

    λt=3·2=6.
  3. Ley

    El número de llegadas en ese intervalo tiene ley Poisson(6).

  4. Media

    Una Poisson de parámetro 6 tiene esperanza 6.

  5. Varianza

    Su varianza también es 6.

  6. Comprobación

    Dos ventanas consecutivas de una hora aportan conteos independientes Poisson(3); sumar medias y varianzas vuelve a dar seis.

Resultado

Media 6 y varianza 6.

Lo comprobamos

Se pueden dividir las dos horas en dos conteos independientes Poisson(3). Sus medias y varianzas se suman y producen seis.

Los símbolos que hemos usado

X̄_n
Media de n observaciones iid.
μ,σ²
Media y varianza común, con 0<σ²<∞ para el TCL elemental.
Z_n
Variable normalizada √n(X̄_n−μ)/σ.
Φ
Función de distribución de la normal estándar N(0,1).
{X_t}
Proceso aleatorio: familia de variables indexadas por tiempo.
S_n=Σξ_i
Paseo aleatorio construido sumando incrementos iid ξ_i.
N_t,λ
Conteo de un proceso de Poisson y su tasa positiva de llegadas por unidad de tiempo.

Ahora te toca a ti.

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

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