El modelo que aparece cuando se divide una medida de variabilidad entre otra. Es la base para comparar varianzas y para el análisis de varianza.
Manuel Alejandro Vargas Imuez
Teoría de
Probabilidades, Pontificia Universidad Javeriana Cali, 2026-2
Modelo
continuo asignado
Dos chi-cuadrado independientes, cada una dividida por sus grados de libertad. Si las dos variabilidades son parecidas, el cociente queda cerca de 1.
En 1924 Ronald A. Fisher, trabajando en la estación agrícola de Rothamsted (Inglaterra), estudió la distribución de \(z=\tfrac{1}{2}\ln\!\left(s_1^2/s_2^2\right)\) para comparar la variabilidad entre tratamientos de cultivo. De ahí nació el análisis de varianza.
En 1934 George W. Snedecor tabuló directamente el cociente de varianzas, que era más fácil de usar, y lo llamó F en honor a Fisher.
\(X\): cociente de dos varianzas (o de dos chi-cuadrado escaladas).
El orden importa: \(F(m,n)\) y \(F(n,m)\) son distribuciones distintas. Es asimétrica a la derecha y se vuelve más concentrada alrededor de 1 cuando \(m\) y \(n\) crecen.
\[ f(x)=\begin{cases} \dfrac{\Gamma\!\left(\frac{m+n}{2}\right)}{\Gamma\!\left(\frac{m}{2}\right)\Gamma\!\left(\frac{n}{2}\right)} \left(\dfrac{m}{n}\right)^{m/2} \dfrac{x^{\frac{m}{2}-1}}{\left(1+\frac{m}{n}x\right)^{\frac{m+n}{2}}}, & x>0\\[10pt] 0, & x\le 0 \end{cases} \]
La forma depende de los dos grados de libertad. Con \(m\) y \(n\) pequeños la cola derecha es larga; con valores grandes la curva se cierra alrededor de 1.
\[ F(x)=P(X\le x)=I_{\frac{mx}{mx+n}}\!\left(\tfrac{m}{2},\tfrac{n}{2}\right),\quad x>0 \]
\(I\) es la función beta incompleta
regularizada. No tiene forma cerrada, por eso se
calcula con tablas o con pf() en R.
\[E[X]=\frac{n}{n-2},\quad n>2\]
\[V[X]=\frac{2n^{2}(m+n-2)}{m\,(n-2)^{2}(n-4)},\quad n>4\]
La media solo depende del denominador y es un poco mayor que 1. La moda, \(\frac{m-2}{m}\cdot\frac{n}{n+2}\) (para \(m>2\)), es menor que 1: la distribución es asimétrica.
Las tablas solo traen la cola derecha. La propiedad del recíproco es la que permite obtener la cola izquierda.
Una planta tiene dos máquinas que llenan botellas. Se toman 11 botellas de la máquina A y 16 de la máquina B. El volumen llenado sigue una distribución normal. Si las dos máquinas tuvieran la misma varianza, el cociente de varianzas muestrales cumpliría \[X=\frac{S_A^2}{S_B^2}\sim F(10,\,15)\]
m <- 10; n <- 15 # g. l.: 11 - 1 y 16 - 1
n / (n - 2) # E[X]
#> [1] 1.153846
2*n^2*(m + n - 2) / (m*(n - 2)^2*(n - 4)) # V[X]
#> [1] 0.5567509
qf(0.95, m, n) # f_0.95(10, 15)
#> [1] 2.543719
qf(0.05, m, n) # f_0.05(10, 15)
#> [1] 0.3514918
1 / qf(0.95, n, m) # mismo valor por el recíproco
#> [1] 0.3514918
cociente <- 0.30 / 0.10
pf(cociente, m, n, lower.tail = FALSE) # P(X >= 3)
#> [1] 0.02703595Si las máquinas fueran igual de precisas, un cociente de 3 o más solo aparecería en el 2.7 % de las muestras. Además, 3 supera el valor de 2.54.
Conclusión: la máquina A es más variable que la B y conviene revisarla o calibrarla.