Estadística y Probabilidad 3º ESO - Apuntes PDF

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Matemáticas 3º de ESO Capítulo 11: Estadística y probabilidad www.apuntesmareaverde.org.es Autor: Fernando Blasco Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 328 Estadística y probabilidad. 3º ESO Índice 1. LA TOMA DE DATOS 1.1. UN EJEMPLO PARA REALIZAR UN ANÁLISIS 1.2. VARIABLES ESTADÍSTICAS 1.3. LAS FASES DE UN ESTUDIO ESTADÍSTICO 1.4. MÉTODOS DE SELECCIÓN DE UNA MUESTRA ESTADÍSTICA. REPRESENTATIVIDAD DE UNA MUESTRA 2. REPRESENTACIÓN DE LA INFORMACIÓN 2.1. EJEMPLOS PARA TRABAJAR 2.2. DIAGRAMA DE BARRAS 2.3. HISTOGRAMA DE FRECUENCIAS 2.4. POLÍGONO DE FRECUENCIAS 2.5. DIAGRAMA DE SECTORES 3. PARÁMETROS ESTADÍSTICOS 3.1. INTRODUCCIÓN 3.2. MEDIDAS DE CENTRALIZACIÓN 3.3. MEDIDAS DE DISPERSIÓN 3.4. CÁLCULO DETENIDO DE LOS PARÁMETROS ESTADÍSTICOS 3.5. INTERPRETACIÓN CONJUNTA DE LA MEDIA Y LA DESVIACIÓN TÍPICA. 3.6. DIAGRAMA DE CAJAS O DE BIGOTES 4. INTRODUCCIÓN AL CÁLCULO DE PROBABILIDADES 4.1. CONCEPTOS BÁSICOS DE PROBABILIDAD 4.2. CÁLCULO DE PROBABILIDADES 4.3. PROBABILIDAD Y FRECUENCIA RELATIVA Resumen La Estadística es una Ciencia que surgió para llevar la contabilidad del Estado. De ahí viene su nombre. En el siglo XX se desarrollaron sus técnicas y se separó de las Matemáticas, pasando a ser una ciencia con entidad propia. En los medios de comunicación encontramos frecuentes estadísticas. En medicina se necesitan métodos estadísticos para probar nuevos medicamentos. En todo experimento científico, tras la recogida de datos, se necesita utilizar pruebas estadísticas que permitan sacar información de esos datos. El origen de la Probabilidad se encuentra en los juegos de azar. Cardano, Galileo, Pascal, Fermat son algunos de los matemáticos que se ocuparon en sus inicios. Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 329 Estadística y probabilidad. 3º ESO 1. LA TOMA DE DATOS 1.1. Un ejemplo para realizar un análisis Ejemplo: La Casa de la Moneda quiere estudiar cuántas monedas debe emitir, teniendo en cuenta las que están en circulación y las que se quedan atesoradas (bien en casas particulares, o en máquinas de refrescos, o depositadas en un banco). Se ha hecho una encuesta a pie de calle a 60 personas y se ha apuntado cuántas monedas llevaba cada una de ellas en el bolsillo. Hemos obtenido estos datos: 12 7 11 8 8 9 6 12 7 7 13 0 10 9 13 18 7 6 11 12 16 0 10 10 8 8 9 11 10 8 16 8 5 2 12 8 14 14 16 6 2 0 18 10 10 12 14 6 7 3 12 11 10 18 9 7 12 1 15 8 El primer paso consiste en hacer un esquema para el recuento: usaremos una tabla y marcaremos palotes cada vez que aparezca ese número. 0 /// 7 ///// / 14 /// 1 / 8 ///// /// 15 / 2 // 9 //// 16 /// 3 / 10 ///// // 17 4 11 //// 18 /// 5 / 12 ///// // 19 6 //// 13 // 20 Pasar de ese recuento a una tabla de frecuencias absolutas es muy sencillo: solo hay que sustituir los palotes por el número que representan. 0 3 7 6 14 3 1 1 8 8 15 1 2 2 9 4 16 3 3 1 10 7 17 0 4 0 11 4 18 3 5 1 12 7 19 0 6 4 13 2 20 0 Es mucho mejor analizar los datos de modo visual. Estamos más acostumbrados a trabajar de esa manera. Podemos representar los datos de la tabla de frecuencias en un diagrama de barras, donde la altura de cada barra representa la frecuencia de aparición. Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 330 Estadística y probabilidad. 3º ESO 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 El procesamiento de datos estadísticos se utiliza mucho. Obviamente no se hacen las operaciones a mano, sino que se utilizan calculadoras u hojas de cálculo. Disponer de esos medios tecnológicos será un buen complemento para el capítulo, aunque recordamos que lo más importante es comprender qué se hace en cada momento. Comenzaremos introduciendo algo de nomenclatura. Casi todos estos nombres los has escuchado puesto que los medios de comunicación los utilizan muchísimo Población es el colectivo sobre el que se quiere hacer el estudio. Muestra es un subconjunto de la población de modo que a partir de su estudio se pueden obtener características de la población completa. Individuo es cada uno de los elementos de la población o la muestra. Ejemplo: Se quiere hacer un estudio sobre hábitos alimenticios de los estudiantes de 3º de ESO de todo Madrid. Pero como es muy costoso entrevistar a todos los estudiantes se decide tomar un IES por cada distrito y entrevistar a los alumnos de 3º de ESO de esos colegios elegidos. La población objeto del estudio serán todos los estudiantes madrileños matriculados en 3º de ESO. La muestra son los estudiantes de 3º de ESO matriculados en los institutos elegidos. Cada uno de los estudiantes de 3º de ESO es un individuo para este estudio estadístico. Actividades propuestas 1. Queremos hacer un estudio de la cantidad de monedas que llevan en el bolsillo los estudiantes de tu clase. Pero para no preguntar a todos elige 10 compañeros al azar y anota en tu cuaderno cuántas monedas lleva cada uno. a) ¿Cuál es la población objeto del estudio? b) ¿Cuál es la muestra elegida? c) Especifica 5 individuos que pertenezcan a la población y no a la muestra. Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 331 Estadística y probabilidad. 3º ESO 1.2. Variables estadísticas Ejemplo: En un estudio estadístico se puede preguntar cosas tan variopintas como  ¿Qué frutas comes a lo largo de una semana?  ¿Cuántas piezas de fruta comes al día?  ¿Cuántas monedas llevas en el bolsillo?  ¿Cuál es tu altura?  ¿Cuántas marcas de chocolate recuerdas?  ¿Cuáles son las marcas de chocolate que recuerdas?  ¿Cuántos hermanos tienes?  ¿Cuál es tu color favorito para un coche?  ¿Cuánto tiempo pasas al día viendo la televisión?  ¿Cuántos seguidores tienes en twitter? Esas preguntas pueden corresponder a estudios de salud, económicos, publicitarios o socioeconómicos. Algunas se responden con un número y otras se responden con un nombre o un adjetivo. Incluso hay diferencias entre las que se responden con números: el número de monedas que llevas o el número de seguidores de twitter se contestan con números enteros, mientras que para hallar tu altura o las horas que pasas delante del televisor necesitamos utilizar números reales (normalmente con representación decimal). Una variable se dice cuantitativa si sus valores se expresan con números. Las variables cuantitativas pueden ser  discretas si solo admiten valores aislados  continuas si entre dos valores pueden darse también todos los intermedios Una variable estadística es cualitativa cuando sus valores no se expresan mediante un número, sino con una cualidad. Actividades propuestas 2. Clasifica en variables cualitativas y cuantitativas las que aparecen en el primer ejemplo de esta sección. Para las cuantitativas indica si son continuas o discretas. 1.3. Las fases de un estudio estadístico En un estudio estadístico hay 6 fases fundamentales: 1. Determinación del objeto del estudio. Esto es, saber qué queremos estudiar. 2. Selección de las variables que se van a estudiar. 3. Recogida de los datos. 4. Organización de los datos. 5. Representación y tratamiento de los datos. 6. Interpretación y análisis. En este libro empezaremos los ejemplos a partir del punto 4, con datos ya proporcionados en los enunciados, aunque a continuación vamos a reflexionar algo sobre la selección de una muestra, Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 332 Estadística y probabilidad. 3º ESO 1.4. Métodos de selección de una muestra estadística. Representatividad de una muestra Para recoger los datos y determinar los valores de la variable se puede utilizar a toda la población, todo el universo sobre el que se realiza el estudio, o seleccionar una muestra. En muchas ocasiones no es conveniente recoger valores de toda la población, porque es complicado o demasiado costoso, o incluso porque es imposible como en el caso de un control de calidad en que se destruya el objeto a analizar. La parte de la Estadística que se ocupa de cómo seleccionar adecuadamente las muestras se denomina Teoría de Muestras. Ejemplos: Si estudiamos el peso de los habitantes de una ciudad, la población será el total de las personas de dicha ciudad. Pero lo normal será no recoger información sobre todas las personas de la ciudad (ya que sería una labor muy compleja y costosa), sino que se suele seleccionar un subgrupo (muestra) que se entienda que es suficientemente representativo. Para conocer la intención de voto ante unas elecciones europeas, municipales, autonómicas… se utilizan muestras, pues preguntar a toda la población sería muy costoso (y eso ya se hace en las elecciones). Pero si una fábrica quiere conocer las horas de vida útil de un tipo de bombilla, no puede poner a funcionar a toda la población, todas las bombillas, hasta que se estropeen pues se queda sin producción. En este caso es imprescindible seleccionar una muestra. En control de calidad se hacen estudios estadísticos y se toman muestras. Para determinar la mejor forma de seleccionar una muestra existe toda una parte de la Estadística, la Teoría de Muestras, que nos indica varios detalles a tener en cuenta:  ¿Cómo se deben elegir los elementos de la muestra?  ¿Cuál debe ser el tamaño de la muestra?  ¿Hasta qué punto la muestra es representativa de la población? La forma de seleccionar la muestra, muestreo, debe reunir unas determinadas características para que pueda caracterizar a la población, ser representativa de la población. Debe ser un muestreo aleatorio, es decir, al azar. Si la muestra está mal elegida, no es representativa, se producen sesgos, errores en los resultados del estudio. Todos los individuos de la población deben tener las mismas posibilidades de ser seleccionados para la muestra. Ejemplos: Se quiere estudiar el nivel adquisitivo de las personas de una ciudad, para lo que pasamos una encuesta a la puerta de unos grandes almacenes, ¿te parece un muestreo aleatorio? No lo es. Las personas que entran en un determinado establecimiento no representan a toda la población. Vas a hacer un estudio sobre los gustos musicales de los jóvenes, y para ello, preguntas a cinco de entre tus amistades, ¿te parece un muestreo aleatorio? No lo es. Tus amistades pueden tener unos gustos diferentes a los del resto de la población. Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 333 Estadística y probabilidad. 3º ESO Métodos de selección de una muestra Hay varios métodos para seleccionar una muestra, que darían para analizar en un libro sobre “Muestreo”. Pero es conveniente conocer alguno. Veamos tres de ellos: Muestreo aleatorio simple Todos los individuos de la población tienen la misma probabilidad de ser elegidos en la muestra. Muestreo aleatorio sistemático Se ordenan los individuos de la población. Se elige al azar un individuo, y se selecciona la muestra tomando individuos mediante saltos igualmente espaciados. Muestreo aleatorio estratificado Se divide la población en grupos homogéneos de una determinada característica, estratos, por ejemplo, edad, y se toma una muestra aleatoria simple en cada estrato. Ejemplo: Se estudia el estado de los huesos de la población de un país, y se divide la población en “niños”, “jóvenes”, “edad media” y “tercera edad”. En cada grupo se hace un muestreo aleatorio simple. Representatividad de una muestra Cuando se elige una muestra los dos aspectos que hay que tener en cuenta son, el tamaño y la representatividad de la muestra. Si la muestra es demasiado pequeña, aunque esté bien elegida, el resultado no será fiable. Ejemplo: Queremos estudiar la estatura de la población española. Para ello elegimos a una persona al azar y la medimos. Evidentemente este resultado no es fiable. La muestra es demasiado pequeña. Si la muestra es demasiado grande los resultados serán muy fiables, pero el gasto puede ser demasiado elevado. Incluso, en ocasiones, muestras demasiado grandes no nos proporcionan mejores resultados. Cuando una muestra tenga el tamaño adecuado, y haya sido elegida de forma aleatoria diremos que es una muestra representativa. Si la muestra no ha sido elegida de forma aleatoria diremos que la muestra es sesgada. Actividades propuestas 3. Señalar en qué caso es más conveniente estudiar la población o una muestra: a) El diámetro de los tornillos que fabrica una máquina diariamente. b) La altura de un grupo de seis amigos. 4. Se puede leer el siguiente titular en el periódico que publica tu instituto: “La nota media de los alumnos de 3º ESO es de 7.9”. ¿Cómo se ha llegado a esta conclusión? ¿Se ha estudiado a toda la población? Si hubieran seleccionado para su cálculo solo a las alumnas, ¿sería representativo su valor? 5. En una serie de televisión tienen dudas sobre qué hacer con la protagonista, si que tenga un accidente o si debe casarse. Van a hacer una consulta. ¿A toda la población o seleccionado una muestra representativa? Razona la respuesta. Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 334 Estadística y probabilidad. 3º ESO 2. REPRESENTACIÓN DE LA INFORMACIÓN 2.1. Ejemplos para trabajar En la sección anterior lo comenzábamos analizando una variable discreta: el número de monedas que se llevan en el bolsillo. Puedes repasar qué hacíamos allí: cómo recontábamos los datos, cómo los llevábamos después a una tabla de frecuencias y cómo representábamos la información en un gráfico. Haremos ahora el mismo proceso con una variable continua. Ya sabes que: Podemos distinguir entre frecuencias absolutas, si, como en este ejemplo, hacemos un recuento del número de veces que aparece cada dato. Frecuencias relativas, que estudiaremos con más detenimiento al final del capítulo, y que consiste en dividir cada frecuencia absoluta por el número total de observaciones. Frecuencias acumuladas, tanto frecuencias absolutas acumuladas como frecuencias relativas acumuladas si se calculan todos los valores menores o iguales a él. Ejemplos: Se está realizando un control del peso de un grupo de niños. Para ello, se contabilizan el número de veces que comen al día una chocolatina 13 niños durante un mes, obteniendo los siguientes números: 2, 5, 3, 2, 0, 4, 1, 7, 4, 2, 1, 0, 2. La información obtenida se puede resumir en una tabla de frecuencias absolutas y frecuencias absolutas acumuladas: Valores 0 1 2 3 4 5 6 7 Frecuencia absoluta 2 2 4 1 2 1 0 1 Frecuencia absoluta acumulada 2 4 8 9 11 12 12 13 También se puede resumir en una tabla de frecuencias relativas y frecuencias relativas acumuladas: Valores 0 1 2 3 4 5 6 7 Frecuencia relativa 0.154 0.154 0.307 0.077 0.154 0.077 0 0.077 Frecuencia relativa acumulada 0.154 0.308 0.615 0.692 0.846 0.923 0.923 1 En una fábrica se realiza un estudio sobre el espesor, en mm, de un cierto tipo de latas de refresco. Con este fin, selecciona una muestra de tamaño N = 25, obteniendo los siguientes valores: 7.8, 8.2, 7.6, 10.5, 7.4, 8.3, 9.2, 11.3, 7.1, 8.5, 10.2, 9.3, 9.9, 8.7, 8.6, 7.2, 9.9, 8.6, 10.9, 7.9, 11.1, 8.8, 9.2, 8.1, 10.5. Esta información se puede resumir haciendo cinco intervalos y haciendo una tabla de frecuencias absolutas, frecuencias absolutas acumuladas, frecuencias relativas y frecuencias relativas acumuladas Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 335 Estadística y probabilidad. 3º ESO Intervalos de clase (7, 8] (8, 9] (9, 10] (10, 11] (11, 12] Marcas de clase 7.5 8.5 9.5 10.5 11.5 Frecuencia absoluta 6 8 5 4 2 Frecuencia relativa 0.24 0.32 0.2 0.16 0.08 Frecuencia relativa acumulada 0.24 0.56 0.76 0.92 1 Ejemplo: Las alturas de los 12 jugadores de la Selección Española de Baloncesto (en metros) que participaron en la Eurocopa 2013 se recogen en la siguiente tabla: 2.03 1.96 1.91 2.11 1.91 1.93 2.08 1.99 1.90 2.16 2.06 2.03 Como los datos son continuos, para hacer el recuento fijaremos intervalos de altura:  entre 1.895 y 1.945 ////  entre 1.945 y 1.995 //  entre 1.995 y 2.045 //  entre 2.045 y 2.095 //  entre 2.095 y 2.145 /  entre 2.145 y 2.195 / Ahora llevamos los datos del recuento a un diagrama de frecuencias: entre 1.895 y 1.945 4 entre 1.945 y 1.995 2 entre 1.995 y 2.045 2 entre 2.045 y 2.095 2 entre 2.095 y 2.145 1 entre 2.145 y 2.195 1 En este caso la representación gráfica la hacemos con un histograma de frecuencias. Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 336 Estadística y probabilidad. 3º ESO Observa la diferencia entre este gráfico (correspondiente a una variable continua) y el que hicimos para el recuento de monedas (que representaba una variable discreta). Este gráfico se denomina histograma de frecuencias y es similar a un diagrama de barras, pero ahora representamos unas barras pegadas a otras, para recordar que se trata de intervalos de clase y no de valores aislados de las variables. En nuestro ejemplo todos los intervalos tienen la misma longitud, 0.05 cm. Si las longitudes de los intervalos fueran diferentes, las alturas de los rectángulos deberían ser proporcionales al área. 2.2. Diagrama de barras Se utiliza para representar datos de variables estadísticas discretas o variables estadísticas cualitativas. Al principio del capítulo estudiando el número de monedas que se llevan en el bolsillo. Podemos utilizar este tipo de gráfico en otras situaciones. Número de asignaturas suspensas en la 1º evaluación 25 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 El gráfico anterior representa el número de alumnos (de una clase de 35) que han aprobado todo, el de alumnos con 1 asignatura suspensa, con dos asignaturas suspensas, etc. Lo bueno de la representación gráfica es que de un solo vistazo sabemos que 20 alumnos han aprobado todo y que hay un alumno que tiene 7 asignaturas suspensas. Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 337 Estadística y probabilidad. 3º ESO También podemos utilizar diagramas de barras para representar variables cualitativas, como la elección de la modalidad de bachillerato que cursan los alumnos de un IES o las preferencias políticas de los ciudadanos de un municipio. Número de votos obtenidos por diferentes partidos políticos en las elecciones municipales 600 500 400 300 200 100 0 Partido A Partido B Partido C Partido D Partido E Partido F 2.3. Histograma de frecuencias Este tipo de gráfico lo hemos utilizado antes para representar las alturas de los jugadores de la Selección Española de Baloncesto. Es similar a un diagrama de barras, pero la altura de cada barra viene dada por el número de elementos que hay en cada clase. Otras variables que podemos considerar como variables continuas son el número de horas que los jóvenes de una población dedican a internet en sus ratos de ocio o la cantidad de dinero que se lleva en el bolsillo (ojo, esto no es el número de monedas). Horas de ocio dedicadas a internet 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0 – 0,5 0,5 – 1 1 – 1,5 1,5 – 2 2 – 2,5 2,5 – 3 >3 Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 338 Estadística y probabilidad. 3º ESO En el gráfico que incluimos a continuación las marcas del eje de las x se refieren a los tramos de dinero expresados de 5 en 5 euros. La altura del gráfico se corresponde con la cantidad de alumnos que llevan esa cantidad de dinero. De un simple vistazo se ve que hay algo más de 150 alumnos que llevan entre 5 € y 10 € al instituto y que poco más de 40 alumnos llevan entre 25 € y 30 €. Dinero que llevan los estudiantes al instituto 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 5 10 15 20 25 30 >30 Las barras son más anchas y aparecen unas a continuación de otras para destacar que estamos representando una variable continua y que las alturas se corresponden con individuos dentro de un intervalo de datos. Pero recuerda, si los intervalos fueran distintos, las alturas de los rectángulos serían proporcionales al área. 2.4. Polígono de frecuencias Se utiliza en los mismos casos que el histograma. Pero da idea de la variación de la tendencia. La línea poligonal se construye uniendo los puntos medios de los lados superiores de los rectángulos. Horas de ocio dedicadas a internet 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0 – 0,5 0,5 – 1 1 – 1,5 1,5 – 2 2 – 2,5 2,5 – 3 >3 Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 339 Estadística y probabilidad. 3º ESO 2.5. Diagrama de sectores En algunas ocasiones nos interesa hacernos a la idea de la proporción que tiene cada resultado en relación con los demás. Se utiliza mucho con variables cualitativas. Por ejemplo, esta representación se utiliza para mostrar los resultados de unas las elecciones cuando queremos comparar los votos obtenidos por los diferentes partidos. En un diagrama de sectores aparecen representados sectores circulares. El ángulo de estos sectores es proporcional a la frecuencia absoluta. Retomando el ejemplo de los resultados obtenidos por diferentes partidos políticos vamos a representar esos mismos resultados mediante un diagrama de sectores: Votos obtenidos por los diferentes partidos políticos Partido A Partido B Partido C Partido D Partido E Partido F Actividades propuestas 6. Reúne a 10 amigos. Recuenta cuántas monedas de cada valor (1céntimo, 2 céntimos, 5 céntimos, …) tenéis entre todos. Representa mediante un gráfico adecuado el número de monedas de cada clase que hay. ¿Hay algún otro diagrama que te permita ver qué tipos de monedas son más abundantes en la muestra que has tomado? 7. En la clase de Educación Física el profesor ha medido el tiempo que tarda cada alumno en recorrer 100 metros. Los resultados están en esta tabla: 14.92 13.01 12.22 16.72 12.06 10.11 10.58 18.58 20.07 13.15 20.10 12.43 17.51 11.59 11.79 16.94 16.45 10.94 16.56 14.87 17.59 13.74 19.71 18.63 19.87 11.12 12.09 14.20 18.30 17.64 Agrupa estos resultados por clases, comenzando en 10 segundos y haciendo intervalos de longitud 1 segundo. Realiza una tabla de frecuencias y representa adecuadamente estos datos. Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 340 Estadística y probabilidad. 3º ESO 3. PARÁMETROS ESTADÍSTICOS 3.1. Introducción Seguro que sabes qué es la media de dos números y probablemente sabes calcular la media de una serie de datos. Pero además de esa medida estadística hay otras medidas que pueden ser interesantes para conocer propiedades de los datos que tenemos. Ahora estudiaremos las medidas de centralización (media, mediana y moda) que nos proporcionan un valor de referencia en torno al que se distribuyen los datos y las medidas de dispersión (recorrido, desviación media, varianza y desviación típica). Estas medidas nos indican cómo están de separados los datos en torno a la media. Ejemplo: Imagina que en dos exámenes de matemáticas obtienes un 6 y un 5. La media es 5.5. Supón ahora que las notas que has tenido son 10 y 1. La media también es 5.5 pero deberás estudiarte la parte en la que has sacado 1 para recuperar. Las medidas de dispersión nos van a servir para detectar cuándo tenemos valores extremos, alejados de la media. 3.2. Medidas de centralización La media se calcula sumando todos los valores y dividiendo entre el número de datos. Si x1, x2, …, xn son los valores que toma la variable estadística que estamos considerando, la media se representa por x y se calcula mediante la fórmula: x 1  x 2 ...  x n x n Esa suma se puede escribir abreviadamente como x  x i. El símbolo  se utiliza habitualmente n para representar sumas de varios sumandos. Lo utilizarás mucho a partir de ahora. Para calcular la mediana se ordenan todos los datos de menor a mayor y nos quedamos con el que ocupa la posición central. Si tenemos un número par de datos, tomamos como mediana la media de los dos números que ocupan las posiciones centrales. La representaremos por Me. La mediana Me es un valor tal que el 50 % de las observaciones son inferiores a él. Los cuartiles Q1, Q2 y Q3 son los valores tales que el 25 %, 50 % y 75 % (respectivamente) de los valores de la variable son inferiores a él. Por tanto, la mediana coincide con el segundo cuartil. Usamos el término moda para referirnos al valor que más se repite. La denotamos por Mo. Actividades resueltas Continuamos utilizando los datos de estatura correspondientes a los 12 jugadores de la Selección Española de Baloncesto (ver sección 2.1 de este capítulo). La estatura media se calcula sumando todas las alturas y dividiendo entre el número de datos. Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 341 Estadística y probabilidad. 3º ESO x i = 2.03 + 2.06 + 2.16 + 1.90 + 1.99 + 2.08 + 1.93 + 1.91 + 2.11 + 1.91 + 1.96 + 2.03 = 24.07 x x = i 24.07 = 2.0058. n 12 En este ejemplo no podemos hablar de moda, puesto que no hay un único valor que sea el que más se repite. La mediana en este caso es 2.01. Para calcularla ordenamos todos los datos de menor a mayor y nos quedamos con el que ocupa la posición central. Como en este caso tenemos un número impar de datos, tomamos como mediana la media aritmética de los 2 que ocupan las posiciones centrales. Los datos, tras ordenarlos, quedarían así: 1.90 1.91 1.91 1.93 1.96 1.99 2.03 2.03 2.06 2.08 2.11 2.16 Media de ambos = 2.01 Para calcular los cuartiles tenemos que dividir el total de datos, en este ejemplo 12, entre 4, (o multiplicar por 0.25 que es lo mismo) y obtenemos 3. Luego el primer cuartil observamos que está entre 1.91 y 1.93, hacemos la media y obtenemos que Q1 = 1.92. Para calcular el tercer cuartil multiplicamos por 3 y dividimos por 4, (o multiplicamos por 0.75) y en este caso se obtiene el valor que está entre 9, 2.06, y 10, 2.08, por lo que Q3 = 2.07. 3.3. Medidas de dispersión Recorrido es la diferencia entre el dato mayor y el dato menor. También se denomina rango. Desviación media es la media de las distancias de los datos a la media de los datos de los que dispongamos. DM  x1  x  x 2  x ...  x n  x  x i x n n Varianza es la media de los cuadrados de las distancias de los datos a la media. Varianza = x 1  x 2  x 2  x 2 ...  x n  x 2   x i  x 2 n n Equivalentemente (desarrollando los cuadrados que aparecen en la expresión) se puede calcular mediante esta otra expresión: 2  xi Varianza =  x2 n Desviación típica es la raíz cuadrada de la varianza. Se representa por  2  xi   x2  n Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 342 Estadística y probabilidad. 3º ESO Recorrido intercuartílico o rango intercuartílico es la distancia entre el tercer y el primer cuartil: R = Recorrido intercuartílico = Q3 – Q1. Estas fórmulas provienen de diferentes modos de medir las distancias. Para el cálculo de la desviación media se usan valores absolutos, que es como se mide la distancia entre números en la recta real. La desviación típica tiene que ver con la forma de medir distancias en el plano (recordemos que la hipotenusa de un triángulo es la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de los catetos). No hace falta que comprendas ahora de dónde salen estas fórmulas, pero sí es conveniente que sepas que no es por capricho de los matemáticos que lo inventaron. Cada cosa a su tiempo... Actividades resueltas Volvemos a usar los datos del ejemplo de la Selección Española con los que venimos trabajando. Recorrido: 2.16  1.90 = 0.26 (metros). Esto es la diferencia de alturas entre el jugador más alto y el más bajo. Para calcular la desviación media primero calcularemos la suma que aparece en el numerador. Después dividiremos entre el número de datos. |2.03  2.0058| + |2.06  2.0058| + |2.16  2.0058| + |1.90  2.0058| + |1.99  2.0058| + |2.08  2.0058| + |1.93  2.0058| + |1.91  2.0058| + |2.11  2.0058| + |1.91  2.0058| + |1.96  2.0058| + |2.03  2.0058| = 0.0242 + 0.0458 + 0.0958 + 0.1042 + 0.0958 + 0.0758 + 0.0742 + 0.0158 + 0.1058 + 0.1542 + 0.9458 + 0.0242 = 0.87 Así la desviación media es 0.87/12 = 0.0725 Para calcular la varianza primero calcularemos la suma que aparece en el numerador, de modo similar a como acabamos de hacer. Después terminaremos dividiendo entre el número de datos. (2.03  2.0058)² + (2.06  2.0058)² + (2.16  2.0058)² + (1.90  2.0058)² + (1.99  2.0058)² + (2.08  2.0058)² + (1.93  2.0058)² + (1.91  2.0058)² + (2.11  2.0058)² + (1.91  2.0058)² + (1.96  2.0058)² + (2.03  2.0058)² = 0.08934. Así la varianza es 0.08934/12 = 0.00744. La desviación típica es la raíz cuadrada de la varianza: 𝜎 √0.00744 = 0.08628. Recorrido intercuartílico o rango intercuartílico se calcula restando Q3 – Q1 = 2.07 – 1.92 = 0.15. Las medidas de posición y dispersión nos permiten realizar otro tipo de gráfico estadístico que se llama el gráfico de caja. Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 343 Estadística y probabilidad. 3º ESO 3.4. Cálculo detenido de los parámetros estadísticos Lo más cómodo para calcular parámetros estadísticos es utilizar una hoja de cálculo. Las calculadoras científicas también incorporan funciones para obtener los principales parámetros estadísticos. Para saber cómo usar tu calculadora puedes leer el manual que viene con ella. Ahora veremos cómo se pueden utilizar las tablas de frecuencias para calcular la media y la varianza. Cuando hay valores repetidos en vez de sumar ese valor varias veces podemos multiplicar el valor por su frecuencia absoluta. También, el número de datos es la suma de las frecuencias. De este modo obtenemos la siguiente fórmula para la media x  f x i i f i Análogamente, la varianza se puede calcular mediante  f  x  x  2 i i Varianza =  2  f i o, alternativamente, mediante la expresión  f x 2 i i  2   x2 f i (Estas dos fórmulas son equivalentes. La segunda expresión se obtiene desarrollando los cuadrados de la primera y simplificando). Por tanto la desviación típica se calcula:  f  x  x   f x 2 2 i i i i  =  x2 f i f i Actividades resueltas Las notas de 15 alumnos en un examen de matemáticas se reflejan en la siguiente tabla 7 7 6 6 10 1 4 5 5 3 9 5 5 8 6 Queremos calcular su media y su varianza. En primer lugar, elaboramos una tabla de frecuencias con esos datos: Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 344 Estadística y probabilidad. 3º ESO xi fi 1 1 2 0 3 1 4 1 5 4 6 3 7 2 8 1 9 1 10 1 Añadimos una columna en la que escribiremos el resultado de multiplicaremos la frecuencia y el valor, esto es, xi ꞏ fi. xi fi xi ꞏ f i 1 1 1 2 0 0 3 1 3 4 1 4 5 4 20 6 3 18 7 2 14 8 1 8 9 1 9 10 1 10  fi = n = 15  xi ꞏ fi = 87 Sumando las frecuencias (columna central) obtenemos el número de datos. Así la media es el cociente entre la suma de la columna de la derecha entre la suma de la columna central. 87 5.8 𝑥̄ 15 Para calcular la varianza añadiremos una columna más a la tabla anterior. En esa columna escribiremos el producto de la frecuencia por el cuadrado del valor. Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 345 Estadística y probabilidad. 3º ESO xi fi xi ꞏ f i xi 2 ꞏ f i 1 1 1 1 2 0 0 0 3 1 3 9 4 1 4 16 5 4 20 100 6 3 18 108 7 2 14 98 8 1 8 64 9 1 9 81 10 1 10 100  fi = n = 15  xi ꞏ fi = 87  xi2 ꞏ fi = 577 Así la varianza es 𝜎 5.8 4.826 Y la desviación típica es 𝜎 √4.826 2.2. 3.5. Interpretación conjunta de la media y la desviación típica Hemos visto que la desviación típica nos mide la distancia de los datos respecto de la media. Nos da mucha información. Informa sobre cómo se agrupan los datos alrededor de la media. Si los datos que hemos recogido tuvieran una distribución normal (de momento no sabemos lo que esto significa exactamente dentro de la Estadística, pero puedes suponer que significa eso, que son normales, que no les pasa nada raro) resulta que en el intervalo entre la media menos una desviación típica y la media más una desviación típica están más del 68 % de los datos. En el intervalo entre la media menos 2 desviaciones típicas y la Media y desviación típica. Imagen de wikipedia media más 2 desviaciones típicas están más del 95 % de los datos, y entre la media menos 3 desviaciones típicas y la media más 3 desviaciones típicas están más del 99.7 % de los datos. Se podría decir que algo, por ejemplo la inteligencia de una persona, la altura de una planta o el peso de un animal... es normal si está dentro de ese intervalo ( x  , x + ), que es inteligente, alto o pesado si está entre ( x + , x + 2), o que es un genio, gigante o muy pesado si está en el intervalo ( x + 2, x + 3). Observa que estamos diciendo que prácticamente todos los datos distan de la media menos de 3 desviaciones típicas y que más del 68 % distan menos de una desviación típica. Esto va a ser de gran utilidad pues conecta con otras ramas de la Estadística. Hasta ahora hemos estado describiendo lo que ocurre. Ahora vamos a poder tomar decisiones, inferir o predecir con una cierta probabilidad lo que va a ocurrir. Por eso vamos a estudiar a continuación las probabilidades. Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 346 Estadística y probabilidad. 3º ESO 3.6. Diagrama de caja o de bigotes El diagrama de caja o de bigotes es una representación gráfica en la que se utilizan cinco medidas estadísticas: el valor mínimo, el valor máximo, la mediana, el primer cuartil y el tercer cuartil… intentando visualizar todo el conjunto de datos. Lo más llamativo del gráfico es la «caja». Se forma un rectángulo (o caja) cuyos lados son los cuartiles (Q1 y Q3) y donde se señala en el centro, la mediana (Me). De manera que el cuadrado/rectángulo contiene el 50 por ciento de los valores centrales. Se añaden dos brazos (o bigotes) donde se señalan el valor máximo (Máx) y el valor mínimo (Mín). Se pueden calcular, además, unos límites superior e inferior. El inferior, Li; es Q1  1.5 por el recorrido intercuartílico, y el superior Ls es Q3 + 1.5 por el recorrido intercuartílico. Ejemplo Nieves ha tenido en Matemáticas las siguientes notas: 8, 4, 6, 10 y 10. Calcula su recorrido, la varianza, la desviación típica, los cuartiles y el recorrido intercuartílico. Ordenamos los datos: 4 ≤ 6 ≤ 8 ≤ 10 ≤ 10, y calculamos que: Max Ls Mediana = Me = 8. Q1 = 6. Q3 = 10. Q3 Recorrido intercuartílico = 10 – 6 = 4. Intervalo Me intercuartil Los bigotes nos indican: Q1 Máx = 10. Mín = 4. Li Mín Ls = Q3 + 4*1.5 = 16. Li = Q1 – 4*1.5 = 0. En este ejemplo el máximo es igual a 10, que es menor que el posible extremo superior, igual a 16. El mínimo es 4, mayor que el extremo inferior, luego no hay valores atípicos que sean mayores que el límite superior o menores que el límite inferior. Los extremos de los bigotes, en nuestro ejemplo son 10 y 4. El diagrama de caja es el de la figura del margen. Actividades propuestas 8. En una excursión de montaña participan 25 personas con las siguientes edades: 8 10 10 11 12 36 37 37 38 40 42 43 43 44 45 47 48 50 52 53 55 58 61 63 67 a) Hacer una tabla de frecuencias clasificando las edades en 6 intervalos que comienzan en 7.5 y terminan en 67.5. Hallar, a partir de ella, los parámetros x y . b) Calcular 𝑥̄ y  introduciendo los 25 datos en la calculadora, es decir, sin agruparlos en intervalos. c) Prescindiendo de los 5 primeros niños, obtenemos un colectivo de 20 personas. Calcular de nuevo sus parámetros 𝑥̄ y  , y comparar con los obtenidos en el grupo inicial. d) Hallar los parámetros de posición Q1, Q3 y Me, de la distribución original, y construir el diagrama de caja o de bigotes correspondiente. Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 347 Estadística y probabilidad. 3º ESO 3.7. Uso de la hoja de cálculo en Estadística Puedes ver en el fascículo de GeoGebra, en el apartado 7.6. más información. Vamos a utilizar la hoja de cálculo para determinar parámetros estadísticos. Actividad resuelta: media, mediana, moda, varianza, deviación típica, cuartil Nieves ha tenido en Matemáticas las siguientes notas: 8, 4, 6, 10 y 10. Calcula su media, su moda y su mediana.  Para calcular la media, la mediana y la moda con la hoja de cálculo, copiamos en la casilla B2, B3… los datos: 8, 4, 6, 10 y 10. Escribimos en la casilla A7, Media, y para calcular la media escribimos un signo igual en B7. Buscamos, desplegando las posibles funciones, la función PROMEDIO, y escribimos =PROMEDIO(B2:B6), que significa que calcule la media de los valores que hay en las casillas desde B2 hasta B6. Del mismo modo calculamos la mediana buscando en las funciones o escribiendo =MEDIANA(B2:B6) y la moda buscando en las funciones o escribiendo =MODA(B2,B6). biendo =MODA(B2,B6). Igual que hemos calculado la media, la mediana y la moda, la hoja de cálculo se puede utilizar para obtener:  El recorrido calculando MAX – MIN 6.  La varianza utilizando VARP 5.44.  La desviación típica usando DESVESTP 2.33  Los cuartiles, (CUARTIL), siendo el cuartil 0 el mínimo; el cuartil 1, Q1; el cuartil 2, la mediana; el cuartil 3, Q3; y el cuartil 4, el máximo. Q1 = 6. Q3 = 10. Intervalo intercuartílico = 10 – 6 = 4. Actividad resuelta: Nube de puntos, correlación y recta de regresión Preguntamos a 10 alumnos de 4º ESO por sus calificaciones en Matemáticas, por el número de minutos diarios que ven la televisión, por el número de horas semanales que dedican al estudio, y por su estatura en centímetros. Los datos se recogen en la tabla adjunta. Queremos dibujar las nubes de puntos que los relacionan con las calificaciones de Matemáticas, el coeficiente de correlación y la recta de regresión. Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 348 Estadística y probabilidad. 3º ESO Calificaciones de Matemáticas 10 3 7 8 5 9 9 8 6 7 Minutos diarios que ve la TV 0 90 30 20 70 10 15 25 60 25 Horas semanales de estudio 15 2 9 12 7 14 13 11 7 8 Estatura (en cm) 177 168 157 159 163 179 180 175 169 170 Para hacerlo, abrimos una hoja de cálculo, y copiamos los datos. Seleccionamos la primera y la segunda fila, luego la primera y la tercera y por último la primera fila y la cuarta. Con la primera y segunda filas seleccionadas, vamos a Insertar, Dispersión y elegimos la nube de puntos. Podemos conseguir que el eje de abscisas vaya de 0 a 10 en “Dar formato al eje”. Pinchamos sobre un punto de la nube, y elegimos “Agregar línea de tendencia”. Para que dibuje el ordenador la recta de regresión la línea de tendencia debe ser Lineal. En la pantalla que aparece marcamos la casilla que dice: “Presentar ecuación en el gráfico” y la casilla que dice “Presentar el valor de R cuadrado en el gráfico”. Minutos diarios que ve la TV y = ‐13.485x + 131.59 Observa, la recta de regresión, en R² = 0.9509 color rojo, es decreciente y su 100 ecuación es aproximadamente: 50 y = 13.5 x + 132. El cuadrado del coeficiente de 0 correlación es 2 = 0’95. La 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 correlación es negativa y alta: 𝜌 √0.95 0.975 Hacemos lo mismo con la primera y tercera fila y con la primera y cuarta fila. Obtenemos los gráficos: Horas semanales de estudio Estatura (en cm) y = 1.9343x + 155.77 y = 1.8535x ‐ 3.5455 R² = 0.2477 20 R² = 0.9608 185 180 15 175 10 170 165 5 160 0 155 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Observa que en ambos casos la pendiente de la recta de regresión es positiva pero en el primero el coeficiente de correlación, positivo, es próximo a 1, 𝜌 √0.96 0.98. La correlación es alta y positiva. En el segundo 𝜌 √0.25 0.5. Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 349 Estadística y probabilidad. 3º ESO 4. INTRODUCCIÓN AL CÁLCULO DE PROBABILIDADES 4.1. Conceptos básicos en probabilidad Todos los días aparecen en nuestra vida hechos que tienen que ver con la probabilidad. Si jugamos al parchís, intuimos que más o menos una de cada 6 veces saldrá un 5, con lo que podremos sacar una ficha a recorrer el tablero. En el “Monopoly” sacar un doble tres veces seguidas nos manda a la cárcel (“sin pasar por la casilla de salida”). Esto no ocurre muchas veces; sin embargo, todos los que hemos jugado a esto hemos ido a la cárcel por ese motivo. La probabilidad es una medida de lo factible que es que tenga lugar un determinado suceso. Para estudiar la probabilidad, debemos introducir algunos nombres. Lo vamos a hacer con ayuda de un caso concreto. Ejemplo Imaginemos que tenemos una bolsa con 5 bolas: 2 blancas, 2 rojas y una negra. Hacemos el siguiente experimento aleatorio: meter la mano en la bolsa y mirar el color de la bola que ha salido. Hay 3 casos posibles: “que la bola sea blanca”, “que la bola sea roja” o “que la bola sea negra”. Abreviadamente los representaremos por blanca, roja o negra (también podremos representar los colores o escribir B, R o N; recuerda que en matemáticas siempre se debe simplificar, incluso la manera de escribir). El espacio muestral es el conjunto de todos los casos posibles: {B, R, N}. Los diferentes sucesos son los subconjuntos del espacio muestral. En nuestro ejemplo los sucesos posibles son {B}, {R}, {N}, {B, R}, {B, N}, {R, N}, {B, R, N}. Es seguro que en nuestro experimento la bola que sacamos es “blanca”, “negra” o “roja”. Por eso al espacio muestral se le llama también suceso seguro. Recuerda estos nombres: Un experimento aleatorio es una acción (experimento) cuyo resultado depende del azar. A cada uno de los resultados posibles de un experimento aleatorio le llamaremos caso o suceso individual. El conjunto de todos los casos posibles se llama espacio muestral o suceso seguro. Un suceso es un subconjunto del espacio muestral. Ejemplos. 1. Baraja española de 40 cartas. Experimento: sacamos una carta al azar y miramos su palo. Espacio muestral {oros, copas, espadas, bastos}. 2. Experimento: lanzamos simultáneamente 1 moneda de euro y una de 2 euros al aire. Espacio muestral: {Cara‐Cara, Cara‐Cruz, Cruz‐Cara, Cruz‐Cruz}. 3. Experimento: lanzamos simultáneamente 2 monedas de 1 euro (indistinguibles). Espacio muestral: {Salen 2 caras, Salen 2 cruces, Sale 1 cara y una cruz} Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 350 Estadística y probabilidad. 3º ESO 4. Experimento: lanzamos una moneda de 1 euro y apuntamos qué ha salido; la volvemos a lanzar y apuntamos el resultado. Espacio muestral: {CC, CX, XC, XX}. 5. Experimento: lanzamos simultáneamente dos dados y sumamos los números que se ven en las caras superiores. Espacio muestral: {2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12}. 6. Experimento: lanzamos un dado usual y sumamos los números que aparecen en la cara superior y la cara inferior (la que no se ve, que está sobre la mesa). Espacio de sucesos: {7} En los ejemplos anteriores, (2) y (4) son equivalentes: los posibles resultados del lanzamiento de 2 monedas que se distinguen son los mismos que los del lanzamiento de una misma moneda dos veces (por ejemplo, equiparamos el resultado del lanzamiento de la moneda de 1 euro del ejemplo 3 con el primer lanzamiento de la moneda del ejemplo 4 y el resultado del lanzamiento de la moneda de 2 euros con el segundo lanzamiento). En el experimento 6 siempre sale el mismo resultado (por alguna razón los puntos en los dados usuales se distribuyen siempre de modo que las caras opuestas suman 7). Técnicamente éste no es un experimento aleatorio, puesto que el resultado no depende del azar. Actividades propuestas 9. Para cada uno de los ejemplos 1 a 5 anteriores indica 3 sucesos diferentes que no sean sucesos individuales. 10. En una bolsa tenemos 10 bolas rojas numeradas del 1 al 10. Se hacen los dos experimentos siguientes: EXPERIMENTO A: Se saca una bola de la bolsa y se mira su color. EXPERIMENTO B: Se saca una bola de la bolsa y se mira su número. ¿Cuál de estos experimentos no es un experimento aleatorio? ¿Por qué? Para el experimento que sí es un experimento aleatorio indica su espacio muestral. 11. Una baraja francesa tiene 52 cartas, distribuidas en 13 cartas de picas, 13 de corazones, 13 de tréboles y 13 de diamantes. Las picas y los tréboles son cartas negras mientras que los corazones y los diamantes son cartas rojas. Se mezcla la baraja, se corta y se hace el siguiente experimento: coger las dos cartas que han quedado arriba del todo y observar de qué color son. Describe el espacio muestral. 4.2. Cálculo de probabilidades Ya hemos indicado que la probabilidad es una medida que nos indica el grado de confianza de que ocurra un determinado suceso. La probabilidad se expresa mediante un número comprendido entre 0 y 1. Si ese número está próximo a 0 diremos que es un suceso improbable (ojo, improbable no quiere decir que sea imposible), mientras que si está próximo a 1 diremos que ese suceso será mucho más probable. Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 351 Estadística y probabilidad. 3º ESO Ejemplo En una bolsa que contiene 20 bolas blancas introducimos una bola negra (indistinguible al tacto). Mezclamos bien las bolas de la bolsa, y realizamos el experimento consistente en meter la mano en la bolsa y sacar una bola. Sin que hayamos estudiado nada formalmente sobre probabilidad. ¿Qué piensas que es más probable, que la bola sacada es blanca o que es negra? Estaremos de acuerdo en que es más probable sacar una bola blanca. Ahora ya sí que podemos plantearnos una pregunta: ¿En qué medida es más probable sacar una bola blanca? No es difícil de calcular. Los datos que tenemos son los siguientes:  la bolsa tiene 21 bolas  1 bola es negra  20 bolas son blancas La probabilidad de sacar la bola negra es 1 de entre 21. La probabilidad de sacar una bola blanca es de 20 entre 21. Lo que acabamos de utilizar es conocido como Ley de Laplace. Si todos los casos de un espacio muestral son equiprobables (esto es, tienen la misma probabilidad de ocurrir), y S es un suceso de ese experimento aleatorio se tiene que número de casos favorables al suceso S P( S )  número de casos posibles Ejemplo. Mezclamos una baraja española de 40 cartas (los palos son oros, copas, espadas y bastos y en cada palo hay cartas numeradas del 1 al 7 además de una sota, un caballo y un rey). Se realiza el experimento consistente en cortar la baraja y quedarnos con la carta superior. Consideraremos los siguientes sucesos: 1) Obtener una figura. 2) Obtener una carta con un número impar. 3) Obtener una carta de espadas. 4) Obtener una carta de espadas o una figura. 5) Obtener la sota de oros. En principio las cartas no van a estar marcadas, con lo que la probabilidad de que salga cada una de ellas es la misma. Esto es, estamos ante un experimento aleatorio con todos los casos equiprobables. 1) En la baraja hay 12 figuras (3 por cada palo). Así Casos favorables: 12 Casos posibles: 40 Probabilidad: 12/40 = 3/10. Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 352 Estadística y probabilidad. 3º ESO 2) Por cada palo hay 4 cartas con números impares: 1, 3, 5 y 7. Casos favorables: 16 Casos posibles: 40 Probabilidad: 16/40 = 2/5. 3) Hay 10 cartas de espadas en la baraja Casos favorables: 10 Casos posibles: 40 Probabilidad: 10/40 = 1/4. 4) Hay 10 cartas de espadas y además otras 9 figuras que no son de espadas (claro, las 3 figuras de espadas ya las hemos contado). Casos favorables: 19 Casos posibles: 40 Probabilidad: 19/40. 5) Solo hay una sota de oros Casos favorables: 1 Casos posibles: 40 Probabilidad: 1/40. El que es capaz de calcular probabilidades rápidamente tiene ventaja en algunos juegos en los que se mezcla azar con estrategia. Por ejemplo, juegos de cartas o de dominó. Si sabemos qué cartas o fichas se han jugado podemos estimar la probabilidad de que otro jugador tenga una determinada jugada. Obviamente en esos casos no cuantificamos (no hacemos los cálculos exactos) pero sí que estimamos si tenemos la probabilidad a nuestro favor o en nuestra contra. Para aprender más… Jerónimo Cardano (1501‐1576) fue un personaje inquieto y prolífico. Además de dedicarse a las matemáticas era médico, pero también era un jugador. De hecho, él fue quien escribió el primer trabajo que se conoce sobre juegos de azar. Un siglo después el Caballero de Meré, un conocido jugador, planteó a Blas Pascal diversos problemas que le aparecían en sus partidas. Uno de los problemas que le planteó es el del reparto de las ganancias cuando una partida se tiene que interrumpir. Este problema ya había sido tratado con anterioridad por Luca Pacioli (el matemático que inventó la tabla de doble entrada para ayudar a los Medici a llevar la contabilidad de su Banca). El problema enunciado y resuelto por Pacioli es éste: Dos equipos juegan a la pelota de modo que gana el juego el primer equipo que gana 6 partidos. La apuesta es de 22 ducados, que se los llevará el ganador. Por algún motivo hay que interrumpir el juego cuando un equipo ha ganado 5 partidos y el otro 3. Se quiere saber cómo repartir los 22 ducados de la apuesta, de un modo justo. ¡Piénsalo! Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 353 Estadística y probabilidad. 3º ESO A pesar de haber pasado a la historia de las matemáticas, la solución que dio Pacioli a este problema hoy no se consideraría correcta por no tener en cuenta la probabilidad. ¿Qué propones tú? Este es un problema curioso, porque no tenemos todos los datos ni conocemos las probabilidades que intervienen en su resolución, pero es un bonito ejemplo para pensar en equipo y discutir sobre el tema. Decir qué es y qué no es justo es muy complicado. Actividades resueltas Una bolsa de bolas contiene 26 negras y 26 rojas. Se mezcla el contenido de la bolsa, se mete la mano y se saca una bola, se mira el color y se devuelve a la bolsa. A continuación, se saca otra bola y se mira el color. ¿Cuál es la probabilidad de que hayan salido una bola roja y una bola negra? Antes de seguir leyendo, piénsalo. Si te equivocas no pasa nada: el sentido de probabilidad no lo tenemos demasiado desarrollado, pero este es el momento de hacerlo. Este problema lo hemos planteado muchas veces a otros estudiantes. Algunos dicen que la probabilidad es 1/3 porque hay 3 casos posibles: Roja‐Roja, Negra‐Negra y Roja‐Negra. Esa respuesta no es correcta. En realidad, el suceso sacar una bola de cada color consta de 2 casos Roja‐Negra y Negra‐Roja. Dependiendo de cómo hubiésemos escrito el espacio muestral o de cómo hubiésemos planteado el problema ese detalle se podría ver con mayor o menor claridad. Así, la probabilidad de sacar una bola de cada color es, en realidad 1/2. Si no te lo crees puedes hacer un experimento: será difícil que tengas 26 bolas negras y 26 bolas rojas, pero sí que es fácil que tengas una baraja francesa. Mézclala, corta y mira el color de la carta que ha quedado arriba en el montón. Apúntalo. Vuelve a dejar las cartas en el mazo, vuelve a mezclar, corta de nuevo y mira el color de la carta que ha quedado arriba ahora. Apunta los colores. Repite este experimento muchas veces: 20, 50 o 100. Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 354 Estadística y probabilidad. 3º ESO Si tienes en cuenta los resultados verás que, aproximadamente, la mitad de las veces las dos cartas son del mismo color y la otra mitad las cartas son de colores diferentes. Con eso, hemos podido “comprobar” que la probabilidad de ese suceso era 1/2. Otra forma que te puede ayudar a razonar sobre este problema, y otros muchos de probabilidad, es confeccionar un diagrama en árbol. La primera bola que sacamos tiene una probabilidad de ser Roja igual a 26/52 = 1/2. Ese número lo escribimos en la rama del árbol. Si devolvemos a la bolsa la bola y volvemos a sacar otra bola de la bolsa, la probabilidad de que sea Roja vuelve a ser 26/52 = 1/2. Completamos con idéntico razonamiento el resto de las ramas. La probabilidad de que las dos bolas que hayamos sacado sean rojas es el producto de sus ramas: (1/2) ∙ (1/2) = 1/4. Igual probabilidad obtenemos para los sucesos Negra‐Negra, Negra‐Roja y Roja‐ Negra. La probabilidad de Roja‐Negra es por tanto 1/4, igual a la de Negra‐Roja. Como son sucesos elementales la probabilidad de que las dos bolas sean de distinto color es la suma: 1/4 + 1/4 = 1/2. 4.3. Probabilidad y frecuencia relativa Al principio del capítulo, cuando introducíamos los principales conceptos estadísticos, hablábamos de la frecuencia. A esa frecuencia se le llama frecuencia absoluta para distinguirla de otro concepto, que es mucho más próximo a la probabilidad. Llamaremos frecuencia relativa de un resultado de un experimento aleatorio a su frecuencia absoluta dividido entre el número de repeticiones del experimento. Ejemplo Tira un dado 60 veces, copia esta tabla en tu cuaderno y apunta lo que sale: Si dibujas un diagrama de barras con los resultados del experimento obtendrás algo parecido a esto: Simulación del lanzamiento de un dado 14 12 10 8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 6 La frecuencia relativa de cada uno de los casos es bastante parecida a la probabilidad de ese caso (que es 1/6). Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 355 Estadística y probabilidad. 3º ESO Ejemplo. Haz ahora otro experimento: tira 2 dados 60 veces y apunta la suma de los valores de los dos dados en esta tabla. Dibuja ahora un diagrama de barras. Lo que obtendrás será algo parecido a esto: Suma de los puntos en dos dados 16 14 12 10 8 6 4 2 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Si la probabilidad “se tiene que parecer” a las frecuencias relativas, en este caso vemos que el suceso que la suma dé 7 es más probable que cualquiera de los demás. Y mucho más probable que la suma dé 2 o que la suma dé 12. La ley de los grandes números nos dice que cuando se repite muchas veces un experimento aleatorio la frecuencia relativa de cada suceso S se aproxima a su probabilidad. Cuanto más grande sea el número de repeticiones, mejor va siendo la aproximación. En este caso lo útil es utilizar las frecuencias relativas para estimar probabilidades cuando éstas no son conocidas. Actividades propuestas 12. En algunos lugares de España se sigue jugando a la taba. La taba es un hueso de cordero que no es regular. Puede caer en cuatro posiciones distintas. Podemos pensar en ella como si fuese un dado “raro”. Considera el experimento “lanzar la taba al aire y ver lo que marca su cara superior: hoyo, panza, rey y verdugo”. Aproxima la probabilidad de cada uno de los casos de este experimento aleatorio. Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 356 Estadística y probabilidad. 3º ESO (Imagen: Wikimedia Commons) 13. Tu calculadora probablemente tendrá una función que sirve para generar números aleatorios. Normalmente da un número comprendido entre 0 y 1. Realiza el experimento aleatorio “genera un número aleatorio y apunta su segundo decimal”. Haz 40 repeticiones de este experimento. Dibuja un histograma de frecuencias. 14. La probabilidad no es un concepto intuitivo. Para ello vamos a hacer una prueba. Consideraremos el experimento aleatorio lanzar una moneda. Copia la tabla en tu cuaderno  Escribe en la 1ª fila de esta tabla lo que tú crees que saldría al repetir el experimento 30 veces. Piénsalo y rellena la tabla. Como tú quieras (invéntatelo, pero “con sentido”).  En la 2ª fila de la tabla escribe el resultado real de 30 lanzamientos de la moneda. ¿Qué observas en ambos casos? ¿Alguna pauta? Presta atención a estas cuestiones para cada una de las filas de la tabla. ¿Hay más o menos 15 caras y 15 cruces? ¿Aparecen grupos seguidos de caras o de cruces? ¿Cuál es el mayor número de caras que han salido seguidas? ¿Y el de cruces? Normalmente cuando “te inventas” los resultados sí sueles poner la mitad de caras y la mitad de cruces. En un experimento aleatorio estos números están cerca de la mitad pero no suelen ser la mitad exacta. Cuando te lo inventas, en general pones pocos grupos seguidos de caras o cruces. El cerebro nos engaña y en temas probabilísticos tenemos que educarlo mucho más. Por eso este tema es muy importante, aunque sea el que muchas veces se queda sin dar. Nos ayuda a que, como ciudadanos, no nos engañen. Ni con loterías, ni con cartas, ni con estadísticas electorales. Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 357 Estadística y probabilidad. 3º ESO CURIOSIDADES. REVISTA Un problema resuelto: Las tres ruletas Disponemos de tres ruletas A, B y C cada una de ellas dividida en 32 sectores iguales con distintos puntos: A: 8 sectores con la cifra 6 y 24 sectores con la cifra 3. B: 16 sectores con la cifra 5 y 16 sectores con la cifra 2. C: 8 sectores con la cifra 1 y 24 sectores con la cifra 4. Dos jugadores seleccionan una ruleta cada uno. Gana quien obtenga mayor puntuación con la ruleta. ¿Quién tiene ventaja al elegir ruleta, la persona que elige primero o la que elige en segundo lugar? Ruleta A Ruleta B Ruleta C 6 5 1 3 2 4 Solución: “Las tres ruletas” Haz un diagrama de árbol y comprueba que: Jugando con la Ruleta A y la Ruleta B. P(ganar A) = + ⋅ = P(ganar B) = ⋅ = Gana el que juega con la Ruleta A. Jugando con la Ruleta A y la Ruleta C. P(ganar A) = + ⋅ = P(ganar C) = ⋅ = Gana el que juega con la Ruleta C. Jugando con la Ruleta B y la Ruleta C P(ganar B) = ⋅ = P(ganar C) = ⋅ = Gana el que juega con la Ruleta B. Gana el jugador que elige en segundo lugar: Si el primero elige la Ruleta A → El segundo elige la Ruleta C y gana. Si el primero elige la Ruleta B → El segundo elige la Ruleta A y gana Si el primero elige la Ruleta C → El segundo elige la Ruleta B y gana Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 358 Estadística y probabilidad. 3º ESO Breve historia de la Probabilidad Jerónimo Cardano (1501‐1576) fue un personaje inquieto y prolífico. Además de dedicarse a las matemáticas era médico, pero también era un jugador. De hecho, él fue quien escribió el primer trabajo que se conoce sobre juegos de azar. Un siglo después el Caballero de Mérè le planteó a Blaise Pascal algunos problemas sobre juegos como el siguiente: Un jugador intenta obtener un 1 en 8 lanzamiento sucesivos de un dado, pero el juego se interrumpe después de 3 lanzamientos fallidos. ¿En qué proporción ha de ser compensado el jugador? Pascal escribió a Fermat sobre este problema y la correspondencia intercambiada se puede considerar como el inicio de la Teoría de Probabilidades, pero no publicaron por escrito sus conclusiones. Este problema ya había sido tratado con anterioridad por Luca Pacioli (el matemático que inventó la tabla de doble entrada para ayudar a los Medici a llevar la contabilidad de su Banca). Huygens en 1657 publicó un breve escrito “Los juegos de azar” donde narra dicha correspondencia. Pero el primer libro sobre Probabilidad es de 1713 de Jacques Bernoulli, “El arte de la conjetura”. En él se enuncia la ley de los grandes números que viene a decir que la probabilidad de un suceso se acerca a las frecuencias relativas cuando el número de experimentos es grande. Conocer esto llevó a grandes jugadores a ganar en el Casino de Montecarlo, como se narra más abajo. La Estadística y La Probabilidad se usaron en problemas sociales como defender la vacunación de la viruela, la educación pública… en la Ilustración Francesa. Hasta aquí, ya sabes resolver todos los problemas históricos. Pero hay otros más difíciles, que requieren más conocimientos de Matemáticas, como el de la aguja de Buffon, que se ha utilizado para calcular cifras de π: La ruleta William Jaggers llegó a Montecarlo con unos pocos francos en el bolsillo y, durante un mes anotó los números que salían en cada ruleta, y en cuatro días ganó dos millones cuatrocientos mil francos. Jaggers consiguió quebrar a la banca en Montecarlo analizando las frecuencias relativas de cada número de la ruleta y observando que se había desgastado algo del mecanismo de una de ellas, con lo que todos los valores no tenían igual probabilidad. Apostó a los números más probables y ganó. Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 359 Estadística y probabilidad. 3º ESO Luca Pacioli Luca Pacioli (1445 – 1517), de nombre completo Fray Luca Bartolomeo de Pacioli o Luca di Borgo San Sepolcro, cuyo apellido también aparece escrito como Paccioli y Paciolo fue un fraile franciscano y matemático italiano, precursor del cálculo de probabilidades. Ya hemos hablado de él en estas revistas por sus trabajos sobre la proporción áurea o divina proporción como él la llamó. Escribió un libro con 36 capítulos sobre contabilidad donde utiliza la partida doble o tabla de doble entrada para ayudar a los Medici a llevar la contabilidad de su Banca, define sus reglas, tales como no hay deudor sin acreedor, o que la suma de lo que se adeuda debe ser igual a lo que se abona. No fue su inventor, pero sí su divulgador. El problema enunciado y resuelto por Pacioli es éste: Dos equipos juegan a la pelota de modo que gana el juego el primer equipo que gana 6 partidos. La apuesta es de 22 ducados, que se los llevará el ganador. Por algún motivo hay que interrumpir el juego cuando un equipo ha ganado 5 partidos y el otro 3. Se quiere saber cómo repartir los 22 ducados de la apuesta, de un modo justo. Luca sabía de proporciones, y la solución que dio hoy no se Ducado considera válida. ¡No sabía probabilidades! Pero tú, sí. Partimos de la hipótesis de que cada uno de los jugadores tiene la misma probabilidad de ganar: 1/2. Llamamos A al jugador que ya he ganado 5 partidas y B al que lleva ganadas 3. Si hicieran una nueva partida podría ganar A con probabilidad 1/2 o B con igual probabilidad. Si gana A ya se lleva la bolsa. Si gana B entonces B llevaría 4 jugadas ganadas y A 5. Se continúa el juego. Puede ganar A o B. Observa el diagrama de árbol. La probabilidad de que gane B es (1/2)∙(1/2)∙(1/2) = 1/8, y la de que gane A es 7/8. ¿Cómo repartirías los 22 ducados? Matemáticas. 3º de ESO. Capítulo 11: Estadística y Probabilidad Autor: Fernando Blasco www.apuntesmareaverde.org.es Ilustraciones: Banco de Imágenes de INTEF 360 Estadística y probabilidad. 3º ESO RESUMEN Concepto Definición Ejemplos Población Colectivo sobre el que se hace el estudio Estudiantes de todo Madrid Muestra Subconjunto de la población que permita obtener Alumnos se 3º de ESO características de la población complete. seleccionados Individuo Cada uno de los elementos de la población o muestra Juan Pérez Variable Cuantitativa discreta Número de pie que calza estadística Cuantitativa continua Estatura Cualitativa Deporte que practica Gráficos Diagrama de barras Horas de ocio dedicadas a internet estadísticos Histograma de frecuencias 3500 3000 Polígono de frecuencias 2500 2000 1500 Diagrama de sectores 1000 500 0 0 05 05 1 1 15 15 2 2 25 25 3 Media x x i = (x1 + x2 + …+ xn)/n Con los datos: 8, 2, 5, 10 y 10 n Media = 35/5 = 7 Moda Es el valor más frecuente Mo = 10 Mediana Deja por debajo la mitad 4 < 6 < 8 < 10 = 10. Me = 8. Rango o recorrido