Solución de problemas propuestos
Jacobo Raffan Perez
19 de octubre de 2026
\(X \sim U(20,\ 50)\)
Para una uniforme en el intervalo \([a,b]\), la densidad es constante e igual a \(1/(b-a)\):
\[ f(x) = \begin{cases} \dfrac{1}{50-20} = \dfrac{1}{30} & 20 \le x \le 50 \\[6pt] 0 & \text{en otro caso} \end{cases} \]
\[ P(X\le30) = \frac{30-20}{50-20} = \frac{10}{30} = 0.3333 \]
\[ P(X>42) = \frac{50-42}{50-20} = \frac{8}{30} = 0.2667 \]
\[ P(25\le X<40) = \frac{40-25}{30} = \frac{15}{30} = 0.5 \]
\[ P(X\le x) = \frac{x-20}{30} = 0.80 \quad \Rightarrow \quad x = 20 + 0.80(30) = 44 \]
\[ E[X] = \frac{a+b}{2} = \frac{20+50}{2} = 35 \]
\[ V[X] = \frac{(b-a)^2}{12} = \frac{(50-20)^2}{12} = \frac{900}{12} = 75 \]
\(X \sim N(\mu=100,\ \sigma=15)\). Se estandariza con \(Z=\dfrac{X-\mu}{\sigma}\) y se usa la función de distribución normal estándar \(\Phi(z)\).
\[ P(X\le85) = P\left(Z\le\frac{85-100}{15}\right) = \Phi(-1) = 0.1587 \]
\[ P(X>120) = 1-\Phi\left(\frac{120-100}{15}\right) = 1-\Phi(1.3333) = 1-0.9088 = 0.0912 \]
\[ P(90\le X<115) = \Phi\left(\frac{115-100}{15}\right)-\Phi\left(\frac{90-100}{15}\right) = \Phi(1)-\Phi(-0.6667) = 0.84134-0.25249 = 0.5889 \]
Se busca \(z\) con \(\Phi(z)=0.95\), que es \(z=1.6449\), y se desestandariza:
\[ x = \mu + z\sigma = 100 + 1.6449(15) = 124.67 \]
Para el 95% central se usa \(z=\pm1.96\):
\[ \mu \pm 1.96\sigma = 100 \pm 1.96(15) = 100 \pm 29.4 \quad \Rightarrow \quad (70.6,\ 129.4) \]
\(X \sim N(\mu=72,\ \sigma=8)\)
\[ P(X<60) = \Phi\left(\frac{60-72}{8}\right) = \Phi(-1.5) = 0.0668 \]
\[ P(X\ge80) = 1-\Phi\left(\frac{80-72}{8}\right) = 1-\Phi(1) = 1-0.8413 = 0.1587 \]
\[ P(68\le X\le76) = \Phi(0.5)-\Phi(-0.5) = 0.6915-0.3085 = 0.3829 \]
Para \(\Phi(z)=0.90\), \(z=1.2816\):
\[ x = 72 + 1.2816(8) = 82.25 \]
Dejar el 5% por encima equivale al percentil 95 (\(z=1.6449\)):
\[ x = 72 + 1.6449(8) = 85.16 \]
\(X \sim N(\mu=500,\ \sigma=40)\)
\[ P(X\le450) = \Phi\left(\frac{450-500}{40}\right) = \Phi(-1.25) = 0.1056 \]
\[ P(X>575) = 1-\Phi\left(\frac{575-500}{40}\right) = 1-\Phi(1.875) = 1-0.9696 = 0.0304 \]
\[ P(480<X<540) = \Phi(1)-\Phi(-0.5) = 0.8413-0.3085 = 0.5328 \]
El 80% central deja 10% en cada cola, así que se usan los percentiles 10 y 90 (\(z=\pm1.2816\)):
\[ x_{inf} = 500 - 1.2816(40) = 448.74 \qquad x_{sup} = 500 + 1.2816(40) = 551.26 \]
Para \(\Phi(z)=0.99\), \(z=2.3263\):
\[ x = 500 + 2.3263(40) = 593.05 \]
\(X \sim \text{Exponencial}(\lambda=0.25)\), con \(F(x)=1-e^{-\lambda x}\) para \(x\ge0\).
\[ P(X\le2) = 1-e^{-0.25(2)} = 1-e^{-0.5} = 1-0.6065 = 0.3935 \]
\[ P(X>5) = e^{-0.25(5)} = e^{-1.25} = 0.2865 \]
\[ P(2<X\le6) = F(6)-F(2) = e^{-0.5}-e^{-1.5} = 0.6065-0.2231 = 0.3834 \]
\[ 1-e^{-0.25x} = 0.90 \quad \Rightarrow \quad x = \frac{-\ln(0.10)}{0.25} = \frac{2.3026}{0.25} = 9.2103 \]
\[ E[X] = \frac{1}{\lambda} = \frac{1}{0.25} = 4 \]
\[ V[X] = \frac{1}{\lambda^2} = \frac{1}{0.0625} = 16 \]
\(X \sim \text{Lognormal}(\mu=3.5,\ \sigma=0.40)\), es decir, \(\ln(X) \sim N(3.5,\ 0.40^2)\). Se calcula la probabilidad aplicando logaritmo natural y estandarizando:
\[ P(X\le x) = \Phi\left(\frac{\ln(x)-3.5}{0.40}\right) \]
\[ P(X\le25) = \Phi\left(\frac{\ln(25)-3.5}{0.40}\right) = \Phi\left(\frac{3.2189-3.5}{0.40}\right) = \Phi(-0.7028) = 0.2411 \]
\[ P(X>50) = 1-\Phi\left(\frac{\ln(50)-3.5}{0.40}\right) = 1-\Phi(1.0301) = 1-0.8485 = 0.1515 \]
\[ P(20\le X<40) = \Phi\left(\frac{\ln(40)-3.5}{0.40}\right)-\Phi\left(\frac{\ln(20)-3.5}{0.40}\right) = \Phi(0.4722)-\Phi(-1.2607) = 0.6816-0.1037 = 0.5779 \]
La mediana de la lognormal es \(e^{\mu}\):
\[ \text{Mediana} = e^{3.5} = 33.12 \]
Se busca \(x\) con \(\Phi\left(\frac{\ln(x)-3.5}{0.40}\right)=0.90\), es decir \(z=1.2816\):
\[ x = e^{3.5+1.2816(0.40)} = e^{4.0126} = 55.29 \]
\[ E[X] = e^{\mu+\sigma^2/2} = e^{3.5+0.08} = e^{3.58} = 35.87 \]
\[ V[X] = (e^{\sigma^2}-1)\,e^{2\mu+\sigma^2} = (e^{0.16}-1)\,e^{7.16} = (0.1735)(1286.91) = 223.29 \]
\(X \sim \text{Gamma}(\alpha=3,\ \lambda=0.5)\). Como \(\alpha\) es un número entero, la acumulada tiene forma cerrada:
\[ P(X\le x) = 1-e^{-\lambda x}\sum_{k=0}^{\alpha-1}\frac{(\lambda x)^k}{k!} \]
Con \(\lambda x = 2\):
\[ P(X\le4) = 1-e^{-2}\left(1+2+\frac{2^2}{2}\right) = 1-5e^{-2} = 1-0.6767 = 0.3233 \]
Con \(\lambda x = 4\):
\[ P(X>8) = e^{-4}\left(1+4+\frac{4^2}{2}\right) = 13e^{-4} = 0.2381 \]
\[ F(7) = 1-e^{-3.5}(1+3.5+6.125) = 0.6792 \qquad F(3) = 1-e^{-1.5}(1+1.5+1.125) = 0.1911 \]
\[ P(3\le X<7) = F(7)-F(3) = 0.67915-0.19114 = 0.4880 \]
Se busca \(x\) tal que \(F(x)=0.95\). No tiene una fórmula directa, por lo que se resuelve numéricamente:
\[ x_{0.95} = 12.59 \]
\[ E[X] = \frac{\alpha}{\lambda} = \frac{3}{0.5} = 6 \qquad V[X] = \frac{\alpha}{\lambda^2} = \frac{3}{0.25} = 12 \]
\(X \sim \text{Beta}(\alpha=2.5,\ \beta=4)\), con densidad
\[ f(x) = \frac{x^{\alpha-1}(1-x)^{\beta-1}}{B(\alpha,\beta)}, \quad 0\le x\le1 \]
Como \(\alpha\) no es entero, la
acumulada \(F(x)\) no tiene una fórmula
simple y se evalúa con la función beta incompleta (en R,
pbeta).
\[ P(X\le0.30) = F(0.30) = 0.3522 \]
\[ P(X>0.60) = 1-F(0.60) = 0.1300 \]
\[ P(0.20\le X<0.50) = F(0.50)-F(0.20) = 0.73611-0.16386 = 0.5723 \]
Se busca \(x\) tal que \(F(x)=0.75\):
\[ x_{0.75} = 0.5088 \]
\[ E[X] = \frac{\alpha}{\alpha+\beta} = \frac{2.5}{6.5} = 0.3846 \]
\[ V[X] = \frac{\alpha\beta}{(\alpha+\beta)^2(\alpha+\beta+1)} = \frac{2.5(4)}{(6.5)^2(7.5)} = \frac{10}{316.875} = 0.0316 \]
\(X \sim \text{Weibull}(k=2,\ \lambda=1000)\), con \(F(x)=1-e^{-(x/\lambda)^k}\).
\[ P(X\le500) = 1-e^{-(500/1000)^2} = 1-e^{-0.25} = 1-0.7788 = 0.2212 \]
\[ P(X>1200) = e^{-(1200/1000)^2} = e^{-1.44} = 0.2369 \]
\[ P(600\le X<1000) = e^{-(0.6)^2}-e^{-(1)^2} = e^{-0.36}-e^{-1} = 0.6977-0.3679 = 0.3298 \]
\[ \text{Mediana} = \lambda\,[\ln 2]^{1/k} = 1000\,(0.6931)^{1/2} = 832.55 \]
\[ x_{0.90} = \lambda\,[-\ln(0.10)]^{1/k} = 1000\,(2.3026)^{1/2} = 1517.43 \]
A continuación se resuelven los problemas de aplicación, identificando primero el modelo y luego evaluando los criterios planteados en cada caso.
El tiempo de validación está repartido de forma pareja entre 1.5 y 4.5 segundos, por lo que corresponde a una distribución uniforme continua:
\[ X \sim U(1.5,\ 4.5), \qquad f(x) = \frac{1}{4.5-1.5} = \frac{1}{3} \]
\[ P(X<3) = \frac{3-1.5}{3} = \frac{1.5}{3} = 0.5 \]
\[ P(2<X<4) = \frac{4-2}{3} = \frac{2}{3} = 0.6667 \]
Se busca el percentil 90:
\[ x = 1.5 + 0.90(3) = 4.2 \text{ segundos} \]
El criterio pide que \(P(X<3)\) supere el 45%. Como \(P(X<3)=50\%>45\%\), sí se cumple el criterio de desempeño. Además, cualquier validación que tarde 4.2 segundos o más se considera excepcionalmente lenta.
\[ X \sim N(\mu=500,\ \sigma=8) \quad \text{(peso de la bolsa, en gramos)} \]
\[ P(485\le X\le515) = \Phi\left(\frac{515-500}{8}\right)-\Phi\left(\frac{485-500}{8}\right) = \Phi(1.875)-\Phi(-1.875) = 0.9696-0.0304 = 0.9392 \]
\[ P(X>520) = 1-\Phi\left(\frac{520-500}{8}\right) = 1-\Phi(2.5) = 1-0.9938 = 0.0062 \]
Se usan los percentiles 2 y 98 (\(z=\pm2.0537\)):
\[ x_{inf} = 500 - 2.0537(8) = 483.57 \text{ g} \qquad x_{sup} = 500 + 2.0537(8) = 516.43 \text{ g} \]
\[ P(\text{fuera}) = 1-0.9392 = 0.0608 \quad \Rightarrow \quad 10000 \times 0.0608 \approx 608 \text{ bolsas} \]
No. Centrar el proceso en 500 g solo asegura que la media está en el lugar correcto, pero la proporción de unidades fuera de especificación también depende de la variabilidad (la desviación estándar). Aun con el proceso perfectamente centrado, con \(\sigma=8\) se sale de especificación el 6.08% de las bolsas, más que el 4% que la empresa manda a revisar. Para reducir esa proporción hay que disminuir la dispersión del proceso: por ejemplo, con \(\sigma=5\) el intervalo 485–515 equivaldría a \(z=\pm3\) y solo saldría de especificación cerca del 0.27%.
\[ X \sim N(\mu=70,\ \sigma=10) \quad \text{(puntaje de la prueba)} \]
\[ P(65\le X\le85) = \Phi\left(\frac{85-70}{10}\right)-\Phi\left(\frac{65-70}{10}\right) = \Phi(1.5)-\Phi(-0.5) = 0.9332-0.3085 = 0.6247 \]
Es el percentil 90 (\(z=1.2816\)):
\[ x = 70 + 1.2816(10) = 82.82 \text{ puntos} \]
Es el percentil 15 (\(z=-1.0364\)):
\[ x = 70 - 1.0364(10) = 59.64 \text{ puntos} \]
\[ P(X>90) = 1-\Phi\left(\frac{90-70}{10}\right) = 1-\Phi(2) = 1-0.9772 = 0.0228 \]
\[ \text{Reconocimiento} = 600 \times 0.10 = 60 \text{ estudiantes} \]
\[ \text{Acompañamiento} = 600 \times 0.15 = 90 \text{ estudiantes} \]
El tiempo hasta una interrupción, con tiempo medio de 200 horas, corresponde a una distribución exponencial:
\[ X \sim \text{Exponencial}(\lambda), \qquad E[X] = \frac{1}{\lambda} = 200 \quad \Rightarrow \quad \lambda = \frac{1}{200} = 0.005 \text{ por hora} \]
\[ P(X>300) = e^{-0.005(300)} = e^{-1.5} = 0.2231 \]
\[ P(100<X<250) = e^{-0.5}-e^{-1.25} = 0.6065-0.2865 = 0.3200 \]
\[ 1-e^{-0.005x} = 0.20 \quad \Rightarrow \quad x = \frac{-\ln(0.80)}{0.005} = \frac{0.2231}{0.005} = 44.63 \text{ horas} \]
Por lo tanto, el mantenimiento preventivo debería hacerse antes de unas 44.6 horas de operación.
\[ P(X>250 \mid X>150) = P(X>100) = e^{-0.005(100)} = e^{-0.5} = 0.6065 \]
Es la propiedad de pérdida de memoria de la exponencial: \(P(X>s+t \mid X>s)=P(X>t)\). Significa que el tiempo que el servidor ya lleva funcionando no cambia la probabilidad de lo que falta: haber operado 150 horas sin fallas no lo hace ni más nuevo ni más desgastado, y las 100 horas adicionales se tratan como si el conteo empezara de cero.
\[ X \sim \text{Lognormal}(\mu=1.2,\ \sigma=0.5) \quad \text{(costo en millones de pesos)} \]
\[ P(X<3) = \Phi\left(\frac{\ln(3)-1.2}{0.5}\right) = \Phi\left(\frac{1.0986-1.2}{0.5}\right) = \Phi(-0.2028) = 0.4197 \]
\[ P(X>5) = 1-\Phi\left(\frac{\ln(5)-1.2}{0.5}\right) = 1-\Phi(0.8189) = 1-0.7936 = 0.2064 \]
\[ \text{Mediana} = e^{\mu} = e^{1.2} = 3.32 \text{ millones} \]
Es el percentil 95 (\(z=1.6449\)):
\[ x = e^{1.2+1.6449(0.5)} = e^{2.0224} = 7.56 \text{ millones} \]
\[ E[X] = e^{\mu+\sigma^2/2} = e^{1.2+0.125} = e^{1.325} = 3.76 \text{ millones} \qquad \text{Mediana} = 3.32 \text{ millones} \]
La media (3.76) es mayor que la mediana (3.32). Esto ocurre porque la lognormal tiene asimetría positiva: la mayoría de las reparaciones cuestan poco, pero unas pocas muy costosas alargan la cola derecha y “jalan” el promedio hacia arriba, sin afectar tanto a la mediana. En la lognormal la media siempre es mayor que la mediana, porque \(e^{\mu+\sigma^2/2}>e^{\mu}\) para cualquier \(\sigma>0\), por lo que no se espera que sean iguales.
El tiempo total de varias etapas sucesivas corresponde a una distribución gamma:
\[ X \sim \text{Gamma}(\alpha=4,\ \lambda=0.20) \]
\[ E[X] = \frac{\alpha}{\lambda} = \frac{4}{0.20} = 20 \text{ minutos} \]
Como \(\alpha\) es entero, con \(\lambda x = 6\):
\[ P(X<30) = 1-e^{-6}\left(1+6+\frac{6^2}{2}+\frac{6^3}{6}\right) = 1-61e^{-6} = 1-0.1512 = 0.8488 \]
\[ F(25) = 1-e^{-5}(1+5+12.5+20.8333) = 0.7350 \qquad F(15) = 1-e^{-3}(1+3+4.5+4.5) = 0.3528 \]
\[ P(15<X<25) = 0.7350-0.3528 = 0.3822 \]
Es el percentil 90, que se resuelve numéricamente:
\[ x_{0.90} = 33.40 \text{ minutos} \]
La administración desea que al menos el 80% de las solicitudes se resuelvan en menos de 30 minutos. Como \(P(X<30)=84.88\%\ge80\%\), sí se cumple la meta. Aun así, el 15.12% de las solicitudes tarda más de 30 minutos, y el 90% de ellas se resuelve en menos de 33.4 minutos.
Una proporción entre 0 y 1 corresponde a una distribución beta:
\[ X \sim \text{Beta}(\alpha=5,\ \beta=2), \qquad f(x) = 30x^4(1-x), \quad 0\le x\le1 \]
porque \(B(5,2)=\dfrac{\Gamma(5)\Gamma(2)}{\Gamma(7)}=\dfrac{24}{720}=\dfrac{1}{30}\). Integrando, la acumulada es \(F(x)=6x^5-5x^6\).
\[ E[X] = \frac{\alpha}{\alpha+\beta} = \frac{5}{7} = 0.7143 \]
\[ F(0.8) = 6(0.8)^5-5(0.8)^6 = 1.96608-1.31072 = 0.65536 \]
\[ P(X>0.80) = 1-0.65536 = 0.3446 \]
\[ P(X<0.50) = F(0.5) = 6(0.5)^5-5(0.5)^6 = 0.1875-0.078125 = 0.1094 \]
Es el percentil 90, que se resuelve numéricamente:
\[ x_{0.90} = 0.9074 \]
\[ 250 \times 0.3446 = 86.16 \approx 86 \text{ días} \]
La vida útil de los rodamientos corresponde a una distribución Weibull:
\[ X \sim \text{Weibull}(k=2.5,\ \lambda=5000), \qquad F(x)=1-e^{-(x/\lambda)^k} \]
\[ P(X<3000) = 1-e^{-(3000/5000)^{2.5}} = 1-e^{-0.2789} = 1-0.7566 = 0.2434 \]
\[ P(X>6000) = e^{-(6000/5000)^{2.5}} = e^{-1.5774} = 0.2065 \]
\[ x_{0.10} = \lambda\,[-\ln(0.90)]^{1/k} = 5000\,(0.1054)^{0.4} = 5000(0.4065) = 2032.55 \text{ horas} \]
\[ \text{Mediana} = \lambda\,[\ln 2]^{1/k} = 5000\,(0.6931)^{0.4} = 5000(0.8636) = 4318.17 \text{ horas} \]
Como \(k>1\), la tasa de falla aumenta con el tiempo: los rodamientos se desgastan, y mientras más horas llevan trabajando, más probable es que fallen en el siguiente instante. Si \(k\) fuera igual a 1 la tasa de falla sería constante (modelo exponencial) y si fuera menor que 1 la tasa disminuiría con el tiempo (fallas tempranas). Aquí el comportamiento corresponde al desgaste por uso.
El departamento pide un tiempo en el que no más del 10% de los rodamientos haya fallado. Ese tiempo es el percentil 10, 2032.55 horas. Por lo tanto, un reemplazo preventivo coherente con el criterio sería a las 2000 horas de uso, que es un valor redondeado hacia abajo y deja la probabilidad de falla un poco por debajo del 10%.