La normal describe una distribución continua con forma de campana. Sus probabilidades son áreas, y sus dos parámetros fijan centro y escala. Aprenderemos a traducir una entrada a desviaciones respecto a la media, leer la cola correcta y volver desde una probabilidad al valor que la deja a su izquierda.
Si necesitas repasar:
1. La media mueve la campana y la desviación cambia su anchura
Usaremos N(μ,σ²): el segundo parámetro es la varianza. μ es la media y σ>0 la desviación típica.
La campana es simétrica alrededor de μ; al ensancharla baja su altura para conservar área total uno.
Su densidad es f(x)=exp[−(x−μ)²/(2σ²)]/[σ√(2π)]. exp significa exponencial de base e. La fórmula especifica la curva para toda entrada real. No necesitaremos una primitiva elemental: usaremos acumuladas, tablas o cálculos numéricos. La campana sigue por toda la recta, más allá del dibujo.
Leer bien el segundo parámetro
Si X~N(10,9), identifica media y desviación.
Centro
μ=10.Varianza
σ²=9.Raíz positiva
σ=3, no nueve.
Media diez, varianza nueve, desviación tres.
Cambiar la convención del segundo parámetro sin decirlo cambiaría el modelo.
Comparar las dos campanas del dibujo
Compara N(0,1) con N(1,4).
Primera
Centro cero, desviación uno.
Segunda
Centro uno, desviación dos.
Forma
La segunda es más ancha y su altura máxima es la mitad; ambas tienen área total uno.
La roja está desplazada a la derecha y tiene doble escala.
La varianza cuatro corresponde a desviación dos, no a una campana cuatro veces más ancha.
2. La probabilidad ocupa una franja; un punto aislado tiene área cero
Una altura no es una probabilidad: necesitamos anchura. Media, mediana y moda coinciden en μ, pero P(X=μ)=0 porque la normal no tiene masas puntuales.
Por eso incluir o excluir un extremo no cambia una probabilidad de intervalo. La simetría reparte la mitad del área a cada lado de μ. Aproximadamente el 68,27 % está a una desviación del centro y el 95,45 % a dos; las colas continúan fuera de esas franjas.
El centro no concentra un medio de masa puntual
Para una normal, compara P(X≤μ), P(X≥μ) y P(X=μ).
Dos mitades
Cada semirrecta tiene probabilidad un medio por simetría.
Punto
El área del punto μ es cero.
Sin doble masa
Incluir μ en ambas mitades no añade ninguna probabilidad extra.
Un medio, un medio y cero, respectivamente.
Ser el lugar más alto de la densidad no significa ser un resultado con masa puntual positiva.
Una densidad normal también puede superar uno
La normal N(0;(0,1)²), con desviación 0,1, tiene ¿qué altura máxima?
En el centro
El factor exponencial vale uno.
Altura
1/(0,1√(2π))≈3,989.Interpretar
La campana es estrecha; su área total sigue siendo uno.
Altura máxima aproximadamente 3,989; no es una probabilidad.
Para evitar ambigüedad, este modelo tiene media cero y varianza 0,01.
3. Tipificar resta el centro y divide por una desviación, no por la varianza
Z=(X−μ)/σ mide cuántas desviaciones separan una entrada de la media. Si X es normal, Z~N(0,1), la normal estándar. Restar μ centra y dividir por σ cambia la unidad. Como σ es positivo, no invierte la desigualdad.
Un z positivo queda por encima del centro y uno negativo por debajo. El resultado z no tiene unidades; dividir por σ² dejaría una unidad incorrecta y una distancia estándar falsa.
Dos entradas en la misma escala
En N(20,4²), tipifica x=28 y x=16.
Primera
(28−20)/4=2: dos desviaciones por encima.Segunda
(16−20)/4=−1: una por debajo.Revisar unidad
Hemos dividido distancias por distancias, no por unidades cuadradas.
z=2 y z=−1.
Dividir por dieciséis en lugar de cuatro no contaría desviaciones típicas.
Volver de z a una entrada
En la misma normal, ¿qué x corresponde a z=−1,5?
Deshacer escala
σz=4·(−1,5)=−6.Deshacer centrado
x=20−6=14.Comprobar
(14−20)/4=−1,5.
x=14.
El valor queda a la izquierda de veinte, como requiere el signo negativo.
4. Φ da el área izquierda; la cola derecha se obtiene restando de uno
Una tabla puede mostrar otra cosa, como el área entre cero y z, así que primero leemos qué acumula.
Para un intervalo tipificamos ambos extremos y restamos la acumulada del inferior a la del superior.
Las cifras de tabla están redondeadas: el resultado numérico se escribe como aproximación.
| z | Φ(z) aproximada |
|---|---|
| 0 | 0,5000 |
| 0,5 | 0,6915 |
| 1 | 0,8413 |
| 1,5 | 0,9332 |
| 2 | 0,9772 |
Elegir la cola correcta
Si X~N(20,4²), halla P(X>24) usando Φ(1)≈0,8413.
Tipificar
(24−20)/4=1.Tabla
0,8413 es el área izquierda de 24.
Derecha
1−0,8413=0,1587.
Aproximadamente 0,1587.
El límite está por encima de la media: su cola derecha debe ser menor que un medio.
Restar dos acumuladas
En la misma normal, halla P(16≤X≤26) con Φ(1,5)≈0,9332 y Φ(−1)≈0,1587.
Extremos estándar
(16−20)/4=−1 y (26−20)/4=1,5.Restar
0,9332−0,1587=0,7745.Sentido
Área entre ambos límites, no suma de sus acumuladas.
Aproximadamente 0,7745.
Si se usaran más cifras de las acumuladas, podrían cambiar los últimos decimales.
5. Un cuantil busca el límite que deja una proporción a su izquierda
El cuantil de X es μ+σzq. Es la pregunta inversa: antes teníamos un límite y buscábamos área; ahora tenemos un área y buscamos el límite.
Para un intervalo central de probabilidad 1−α dejamos α/2 en cada cola: μ±z₁₋α/₂σ. El conocido 1,96 es aproximadamente el cuantil 0,975, por eso μ±1,96σ contiene alrededor del 95 % de observaciones de una normal conocida. Un intervalo de confianza para una media responde a otra pregunta y usa la escala de esa media muestral.
Un intervalo central de observaciones
En N(20,4²), construye el intervalo central aproximado del 95 % con z=1,96.
Cada cola
(1−0,95)/2=0,025.Distancia al centro
1,96·4=7,84.Extremos
20−7,84=12,16 y 20+7,84=27,84.
[12,16;27,84], aproximadamente 95 % de esta distribución.
No es una estimación de una media desconocida; aquí la distribución y sus parámetros ya se dan.
Un límite unilateral no reparte dos colas
Usa z₀,₉≈1,2816 para encontrar el percentil noventa de la misma normal.
Área objetivo
Noventa por ciento a la izquierda, diez por ciento a la derecha.
Volver a x
20+4·1,2816=25,1264.Lectura
El modelo deja aproximadamente 0,9 por debajo de 25,1264.
Percentil noventa aproximadamente 25,1264.
No usamos 1,96: ese valor correspondía a otra probabilidad acumulada.
6. Las combinaciones normales y las medias necesitan sus hipótesis
Si X es normal y a≠0, aX+b es normal con media aμ+b y varianza a²σ²; su desviación es |a|σ.
Las sumas de normales independientes son normales y suman medias y varianzas.
Para observaciones independientes con la misma distribución y varianza finita, el teorema central del límite aproxima la media por una normal al crecer n, con centro μ y escala σ/√n. Si las observaciones ya son normales, esa distribución de la media es exacta para cualquier n.
El teorema aproxima medias; no convierte en normales los datos individuales.
Una transformación con signo negativo
X~N(10,3²), Y=−2X+1. Encuentra distribución y P(Y≤−19).
Parámetros
Media −2·10+1=−19; varianza 4·9=36, desviación seis.Despejar desigualdad
−2X+1≤−19 equivale a X≥10, invirtiendo el signo al dividir por −2.Simetría
P(X≥10)=1/2.
Y~N(−19,6²) y probabilidad un medio.
La varianza no es negativa; el signo cambia el sentido de la transformación.
Promediar dos normales independientes
X₁,X₂ son independientes N(10,3²). Encuentra la ley de su media.
Suma
Media veinte y varianza 9+9=18.Dividir por dos
La media vuelve a diez y la varianza se divide por cuatro: 18/4=9/2.
Desviación
3/√2.
La media es normal exacta, centro diez y desviación 3/√2.
Sin independencia no se suman varianzas automáticamente; hace falta considerar covarianza.
7. Para aproximar un recuento damos a cada entero una franja de anchura uno
Si X~Bin(n;p), una normal Y de centro np y desviación √[np(1−p)] puede aproximar su distribución cuando los dos tipos de resultados esperados son numerosos. Los umbrales habituales cinco o diez son orientativos y no ofrecen una precisión universal en todas las colas.
La corrección de continuidad representa el entero k con [k−0,5;k+0,5].
Un punto aislado de la normal tiene masa cero; no puede representar sin anchura la masa discreta de un entero.
| Suceso de X | Suceso aproximado de Y |
|---|---|
| X=k | k−0,5≤Y≤k+0,5 |
| X≤k | Y≤k+0,5 |
| X≥k | Y≥k−0,5 |
| a≤X≤b | a−0,5≤Y≤b+0,5 |
Una acumulada binomial aproximada
Para X~Bin(100;0,5), prepara y calcula aproximadamente P(X≤55), usando Φ(1,1)≈0,8643.
Parámetros
np=50; desviación √25=5.Borde corregido
Y≤55,5.Tipificar
(55,5−50)/5=1,1.Acumulada
Aproximadamente 0,8643.
Aproximadamente 0,8643 por normal con corrección.
Cincuenta éxitos y cincuenta fracasos esperados hacen razonable este caso; la cuenta sigue siendo aproximada.
Una masa binomial necesita una franja
En el mismo modelo, aproxima P(X=50) con Φ(0,1)≈0,5398 y Φ(−0,1)≈0,4602.
Franja
49,5≤Y≤50,5.Estándar
−0,1≤Z≤0,1.Área
0,5398−0,4602=0,0796.
Aproximadamente 0,0796.
P(Y=50)=0 habría ignorado la anchura que representa el recuento cincuenta.
8. Una campana bonita no demuestra que el modelo describa la cantidad
Una muestra aproximadamente simétrica no demuestra normalidad exacta. Miramos soporte real de la cantidad, asimetría, colas y proceso que produjo los datos. Si la cantidad no puede ser negativa, una normal solo es una aproximación razonable cuando su probabilidad negativa es despreciable para la pregunta.
Revisamos centro, signo de z y área pedida antes de aceptar una salida numérica. Una entrada mayor que μ debe tener acumulada mayor que un medio. Conservamos el carácter aproximado de tablas y métodos y no inventamos decimales que la información disponible no sostiene.
Una normal puede asignar mucha masa a valores imposibles
Se propone N(1,2²) para una cantidad que siempre es no negativa. Estima su probabilidad negativa con Φ(0,5)≈0,6915.
Tipificar cero
(0−1)/2=−0,5.Área negativa
Φ(−0,5)=1−Φ(0,5)≈0,3085.Revisar modelo
Asignaría cerca del 31 % a cantidades negativas imposibles.
Esa propuesta necesita revisión para describir la cantidad dada.
La condición física y la escala importan, además de la apariencia de una campana.
Detectar una cola intercambiada
En N(20,4²), alguien afirma P(X≤16)≈0,8413. Comprueba el sentido.
Situación
Dieciséis está por debajo del centro veinte.
Tipificar
z=−1.Simetría
Φ(−1)=1−0,8413=0,1587.
La acumulada correcta es aproximadamente 0,1587.
Una acumulada de 0,8413 no podía estar a la izquierda de una entrada menor que la mediana.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Tipificar
X~N(100,15²). Halla P(X≤115), usando Φ(1)=0,8413.
Parámetros
Media cien, desviación quince; la notación da varianza 15².
Tipificar el límite
z=(115−100)/15=1.Conservar sentido
Dividimos por quince positivo: P(X≤115)=P(Z≤1).Usar el dato
Φ(1)=0,8413 según el enunciado, así que la respuesta es aproximadamente 0,8413.
Revisar
El límite está una desviación por encima del centro y acumula más de la mitad.
Aproximadamente 0,8413.
115 está una desviación por encima de la media.
EJEMPLO RESUELTO 2
Intervalo central
X~N(50,4²). Halla P(46≤X≤54), usando Φ(1)=0,8413 y Φ(−1)=0,1587.
Identificar escala
Media cincuenta y desviación cuatro.
Límite inferior
(46−50)/4=−1.Superior
(54−50)/4=1.Restar las acumuladas dadas
0,8413−0,1587=0,6826.Interpretar precisión
Es aproximadamente 0,6826 usando esos valores redondeados; con más cifras el área de una desviación a cada lado es aproximadamente 0,6827.
Aproximadamente 0,6826.
Se corresponde con el intervalo de una desviación a cada lado.
Los símbolos que hemos usado
- X~N(μ,σ²)
- Convención usada aquí: normal de media μ y varianza σ², con σ>0.
- μ
- Media y centro de simetría de la normal.
- σ
- Desviación típica positiva, que mide la escala horizontal.
- Z=(X−μ)/σ
- Variable normal estándar, de media cero y varianza uno.
- Φ(z)
- Acumulada estándar P(Z≤z).
- zq
- Cuantil estándar que cumple Φ(zq)=q para 0<q<1.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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