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Secundaria

Árboles y experimentos compuestos

Cuando un experimento tiene varias etapas, cada resultado deja una situación para la siguiente. Un árbol conserva esa historia. Vamos a construirlo desde la primera extracción de una bolsa: escribiremos qué queda, qué probabilidad tiene cada continuación y qué caminos responden a la pregunta.

1. Cada nivel añade una etapa y cada camino conserva el orden

El punto de partida representa que aún no ha ocurrido nada. Las primeras ramas muestran las posibilidades de la primera etapa. Desde cada una dibujamos las continuaciones de la segunda. Un camino completo es una secuencia, como roja y después azul, abreviada RA.

RA y AR terminan con una bola de cada color, pero tienen historias diferentes. Mantenerlas separadas permite asignarles sus probabilidades correctas y reunirlas después si la pregunta no distingue el orden.

Leer una hoja

En un árbol de dos extracciones, un camino pasa primero por R y después por A.

  1. Primera etapa

    Roja.

  2. Segunda etapa

    Azul después de aquella roja.

  3. Secuencia

    RA.

Resultado

El camino representa roja y luego azul.

Lo comprobamos

No representa que ambos colores aparezcan en una misma extracción.

No olvidar una rama

Una moneda se lanza dos veces. Desde la rama inicial X, ¿qué continuaciones necesita el árbol?

  1. Primera etapa fijada

    Ya ocurrió X.

  2. Segunda etapa

    Puede ser C o X según el modelo de moneda.

  3. Hojas

    XC y XX.

Resultado

Dos continuaciones, XC y XX.

Lo comprobamos

Dibujar solo desde la primera C dejaría incompleto el espacio.

2. Las ramas de un mismo punto reparten su probabilidad entre las continuaciones

Si en una bolsa hay tres rojas y dos azules, una primera selección uniforme da P(R) = 3/5 y P(A) = 2/5. Esas dos ramas suman uno: cubren todos los colores posibles sin repetirse.

En un punto posterior los números son probabilidades dado el camino ya recorrido. Las ramas que salen de un nodo alcanzable también suman uno, pero no tienen por qué repetir el reparto inicial. Dos colores posibles no obligan a poner un medio en cada rama.

Completar un reparto de dos ramas

Desde un nodo salen solo dos posibilidades incompatibles: una tiene probabilidad 0,25.

  1. Total

    Las continuaciones completas suman uno.

  2. Rama restante

    1 − 0,25 = 0,75.
  3. Comprobación

    0,25 + 0,75 = 1.
Resultado

La otra rama vale 0,75.

Lo comprobamos

Se usa que no existe una tercera posibilidad omitida.

Tres continuaciones

Desde un nodo, A tiene probabilidad 0,2 y B 0,5. C completa el reparto.

  1. Lo conocido

    0,2 + 0,5 = 0,7.
  2. Restante

    1 − 0,7 = 0,3.
  3. Suma final

    0,2 + 0,5 + 0,3 = 1.
Resultado

P(C en ese nodo) = 0,3.

Lo comprobamos

Los tres números son no negativos y cubren el nodo completo.

3. Multiplicamos por un camino usando el reparto después de cada historia

La probabilidad de «primero R y después R» es la probabilidad de llegar a la primera R por la probabilidad de continuar a R una vez allí.

Se escribe P(RR) = P(R₁) · P(R₂ | R₁), si P(R₁) > 0.

La barra vertical significa dado que.

No estamos multiplicando dos probabilidades marginales sin justificación. La segunda pertenece al nodo ya alcanzado. En la bolsa de tres rojas y dos azules sin devolver, después de una roja quedan dos rojas entre cuatro: el camino RR vale (3/5)(2/4).

Una rama del segundo nivel no es un resultado completo

En la bolsa anterior, una vez obtenida una roja, la rama a otra roja vale 2/4. ¿Es esa la probabilidad de RR desde el inicio?

  1. Condición de 2/4

    Ya se había llegado a la primera roja.

  2. Llegada al nodo

    Probabilidad 3/5.

  3. Camino completo

    (3/5)(2/4) = 6/20 = 3/10.
Resultado

P(RR) = 3/10.

Lo comprobamos

El 2/4 describe una continuación condicionada, no todo el experimento.

Tres etapas

Tres lanzamientos justos independientes: halla P(CXC).

  1. Primera C

    1/2.

  2. Después X y C

    Cada continuación conserva 1/2 por independencia.

  3. Producto del camino

    (1/2)(1/2)(1/2) = 1/8.
Resultado

1/8.

Lo comprobamos

Las ocho secuencias completas tienen ese peso bajo estas hipótesis.

4. Sumamos caminos distintos cuando cualquiera responde a la pregunta

Para obtener exactamente una roja en dos extracciones sirven RA y AR. Son caminos incompatibles: en una realización no ocurre a la vez que el primer color sea rojo y azul. Por eso sumamos sus probabilidades completas.

No sumamos ramas sueltas de niveles distintos ni caminos que representen parcialmente la misma historia. Primero marcamos hojas completas que cumplen la condición y después calculamos cada camino.

Una bola de cada color sin devolver

Bolsa con tres rojas y dos azules: halla P(exactamente una roja).

  1. Camino RA

    (3/5)(2/4) = 3/10.
  2. Camino AR

    (2/5)(3/4) = 3/10.
  3. Sumamos hojas distintas

    3/10 + 3/10 = 3/5.
Resultado

3/5.

Lo comprobamos

Un solo orden daría la mitad de esta respuesta.

Mismo color

En la misma bolsa sin devolver, halla P(dos del mismo color).

  1. RR

    (3/5)(2/4) = 3/10.
  2. AA

    (2/5)(1/4) = 1/10.
  3. Unión de caminos

    3/10 + 1/10 = 2/5.
Resultado

2/5.

Lo comprobamos

Mismo color y distinto color suman 2/5 + 3/5 = 1.

5. Sin reposición escribimos la bolsa que queda en cada rama

Partimos de tres rojas y dos azules. Si la primera es roja, quedan dos rojas y dos azules: cuatro en total. Si es azul, quedan tres rojas y una azul: también cuatro, pero con otra composición. El denominador baja en ambos casos; el numerador cambia según lo que se quitó.

Sin devolver, el segundo reparto depende del primer color
P(camino)3/5R2/4R3/102/4A3/102/5A3/4R3/101/4A1/10
Árbol de dos extracciones de una bolsa con tres bolas rojas R y dos azules A, sin reposición y selección uniforme de cada bola restante. Primer reparto tres quintos roja y dos quintos azul. Después de roja, probabilidades 2/4 y 2/4; después de azul 3/4 y 1/4. Productos finales RR, RA, AR y AA: 3/10, 3/10, 3/10, 1/10. Las cuatro probabilidades suman uno.

El dibujo marca probabilidades sobre las ramas y probabilidades de caminos a la derecha. RA y AR valen aquí lo mismo, pero esa coincidencia no autoriza a ignorar sus estados intermedios.

Recalcular después de azul

Bolsa con tres rojas y dos azules; se ha retirado una azul sin devolver. Halla P(roja siguiente).

  1. Lo retirado

    Una azul.

  2. Lo que queda

    Tres rojas y una azul: cuatro bolas.

  3. Selección uniforme siguiente

    3/4.

Resultado

3/4.

Lo comprobamos

Las rojas no bajaron a dos; la bola retirada era azul.

Un color agotado

Una bolsa tiene una roja y dos azules. La primera extraída es roja y no se devuelve. ¿Puede seguir otra roja?

  1. Rojas restantes

    Cero.

  2. Total restante

    Dos bolas azules.

  3. Probabilidad

    0/2 = 0.
Resultado

La continuación roja es imposible.

Lo comprobamos

La otra continuación tiene probabilidad uno; el reparto sigue siendo válido.

6. Devolver restaura la composición; el mecanismo debe conservar el reparto

Con reposición, la bola vuelve a la bolsa antes de la siguiente extracción. Si se mezcla y cada nueva elección vuelve a ser uniforme sin depender de la historia, los repartos siguientes son siempre tres quintos y dos quintos. En ese modelo las extracciones son independientes.

Al devolver la bola se restaura la composición
P(camino)3/5R3/5R9/252/5A6/252/5A3/5R6/252/5A4/25
Árbol de dos extracciones de una bolsa con tres bolas rojas R y dos azules A, con reposición y selección uniforme de cada bola restante. Primer reparto tres quintos roja y dos quintos azul. Después de roja, probabilidades 3/5 y 2/5; después de azul 3/5 y 2/5. Productos finales RR, RA, AR y AA: 9/25, 6/25, 6/25, 4/25. Las cuatro probabilidades suman uno.

La palabra devolver por sí sola describe la composición, no todos los detalles del mecanismo. Un procedimiento que eligiera deliberadamente según el color anterior podría introducir dependencia. Indicamos el modelo de nueva selección, en vez de confundir composición restaurada con una prueba física automática.

Dos rojas con reposición

Tres rojas y dos azules; selección uniforme independiente en cada extracción, devolviendo la bola.

  1. Primera roja

    3/5.

  2. Bolsa restaurada

    Otra vez tres de cinco.

  3. Producto

    (3/5)(3/5) = 9/25.
Resultado

P(RR) = 9/25.

Lo comprobamos

Sin reposición era 3/10: son experimentos diferentes.

Dos órdenes con el mismo reparto

En ese modelo con reposición, halla P(distinto color).

  1. RA

    (3/5)(2/5) = 6/25.
  2. AR

    (2/5)(3/5) = 6/25.
  3. Suma

    12/25.

Resultado

12/25.

Lo comprobamos

RR y AA suman 9/25 + 4/25 = 13/25 y completan uno.

7. Otra ruta de cálculo sirve de comprobación

Al menos una roja se puede calcular sumando RR, RA y AR, o restando al total el único camino sin rojas: AA. El complementario suele ahorrar trabajo cuando la condición reúne muchas hojas.

Con selecciones uniformes sin devolución también podemos contar objetos. De cinco bolas, escoger dos sin orden da diez parejas; de las tres rojas, escoger dos da tres. Por eso dos rojas tiene probabilidad 3/10. La comprobación necesita que esas parejas de objetos sean equiprobables.

Al menos una roja sin devolver

Bolsa de tres rojas y dos azules, dos extracciones uniformes sin reposición.

  1. Complementario

    Ninguna roja: AA.

  2. Probabilidad de AA

    (2/5)(1/4) = 1/10.
  3. Restamos

    1 − 1/10 = 9/10.
Resultado

9/10.

Lo comprobamos

RR, RA y AR suman 3/10 + 3/10 + 3/10.

Comprobar el camino con objetos

Para la misma bolsa, verifica P(RR) mediante parejas sin orden.

  1. Parejas totales

    C(5,2) = 10.
  2. Parejas rojas

    C(3,2) = 3.
  3. Laplace justificado

    Tres parejas favorables entre diez equiprobables.

Resultado

3/10, igual que el árbol.

Lo comprobamos

El árbol conserva orden; las parejas sin orden lo agrupan de forma coherente.

8. El árbol completo tiene que cerrar en uno

Revisamos cada nodo alcanzable: las ramas salientes son no negativas y suman uno. Después multiplicamos caminos y comprobamos que las hojas completas sumen uno. Si una condición pide varios órdenes, comprobamos que todos estén incluidos.

Una fracción del segundo nivel debe indicar la historia a la que corresponde. No mezclamos una probabilidad condicionada de una rama con la probabilidad conjunta de una hoja. Estas comprobaciones dan significado a la regla «multiplicar caminos y sumar hojas».

Comprobar las cuatro hojas

Sin reposición, la bolsa de tres rojas y dos azules produce RR = 3/10, RA = 3/10, AR = 3/10, AA = 1/10.

  1. Sumamos

    3/10 + 3/10 + 3/10 + 1/10 = 10/10.
  2. Cobertura

    Los cuatro caminos cubren los dos colores en dos etapas.

  3. Resultado

    Uno.

Resultado

El reparto de hojas cierra correctamente.

Lo comprobamos

Que cierre es necesario; también verificamos que cada rama provenga de la bolsa correcta.

Una rama imposible de justificar

Después de retirar una roja de una bolsa con tres rojas y dos azules alguien deja 3/5 en la rama roja siguiente.

  1. Antes

    Tres rojas entre cinco.

  2. Después sin devolución

    Dos rojas entre cuatro.

  3. Corrección

    La rama debe valer 2/4, no 3/5.

Resultado

Se había reutilizado la probabilidad inicial en un estado diferente.

Lo comprobamos

Primero se actualiza la bolsa; después se escribe la fracción.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Sin reposición

Hay 3 bolas rojas y 2 azules. Se extraen dos sin devolver. Halla P(dos rojas).

  1. Estado inicial

    Tres rojas y dos azules: cinco bolas. Selección uniforme de cada bola.

  2. Primera roja

    3/5.

  3. Sin devolver

    Quedan dos rojas y dos azules, cuatro en total.

  4. Segunda roja después de roja

    2/4.

  5. Camino completo

    (3/5)(2/4) = 6/20 = 3/10.
  6. Comprobación

    Tres parejas rojas entre diez parejas posibles de objetos dan también 3/10.

Resultado

3/10.

Lo comprobamos

Elegir dos rojas entre 3 de un total de 5 da 3/10.

EJEMPLO RESUELTO 2

Un éxito en dos intentos

Una moneda justa se lanza dos veces. Halla P(exactamente una cara).

  1. Modelo de los lanzamientos

    Usamos el modelo habitual de lanzamientos justos independientes. La justicia de una moneda por sí sola no especifica la dependencia entre lanzamientos.

  2. Hojas

    CC, CX, XC y XX; cada una tiene probabilidad 1/4 en ese modelo.

  3. Exactamente una cara

    Sirven CX y XC.

  4. Sumamos

    1/4 + 1/4 = 1/2.
  5. Comprobamos

    Los otros dos caminos suman el otro medio.

Resultado

1/2.

Lo comprobamos

Los otros dos caminos completan probabilidad 1.

Los símbolos que hemos usado

Nodo
Estado de información alcanzado tras un conjunto de resultados anteriores.
Rama
Alternativa siguiente desde un nodo, con probabilidad condicionada a ese estado.
Camino
Secuencia completa de ramas que representa un resultado compuesto.
P(B|A)
Probabilidad de B condicionada a que ocurrió A, cuando P(A)>0.
P(A∩B)=P(A)P(B|A)
Regla del producto para dos etapas.
Reposición
Devolver el objeto extraído antes de la siguiente selección.
R, A
Roja y azul en los modelos de bolsas de esta lección.
C, X
Cara y cruz en los lanzamientos de moneda.

Ahora te toca a ti.

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

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