Calcular probabilidades y probabilidades acumuladas bajo la fórmula de distribución de Poisson.
Realizar distribuciones de probabilidad conforme a la distribución de probabilidad de Poisson a partir devalores iniciales dado en cada ejercicio.
Se generan las tablas de probabilidad conforme a distribución Poisson, se identifican los valores de probabilidad cuando la variable discreta xx tenga algún exactamente algún valor, ≤≤ a algún valor o >> o ≥≥, entre otros.
Se utilizan las funciones dpois() para la función de probabilidad o densidad y ppois() para la probabilidad acumulada.
También se utiliza la función f.prob.poisson() que ha sido programada con anticipación y calcula la probabilidad de un valor de variable aleatoria discreta. Esta función se encuentra en el enlace: https://github.com/rpizarrog/probabilidad-y-estad-stica/blob/master/funciones/funciones.distribuciones.r
Otra variable aleatoria discreta que tiene numerosas aplicaciones prácticas es la variable aleatoria de Poisson. Su distribución de probabilidad da un buen modelo para datos que representa el número de sucesos de un evento especificado en una unidad determinada de tiempo o espacio (Mendenhall, Beaver, and Beaver 2010).
Los experimentos que dan valores numéricos de una variable aleatoria X, el número de resultados que ocurren durante un intervalo dado o en una región específica, se llaman experimentos de Poisson (Walpole, Myers, and Myers 2012)
Esta distribución, suele usarse para estimar el número de veces que sucede un hecho determinado (ocurrencias media) en un intervalo de tiempo o de espacio. Por ejemplo:
La variable de interés va desde el número de automóviles que llegan (llegadas) a un lavado de coches en una hora o,
El número de reparaciones necesarias en 10 kms. de una autopista o,
El número de fugas en 100 kms.de tubería, entre otros (Anderson, Sweeney, and Williams 2008)
Número de asistencia promedio de estudiantes en una clase virtual durante un mes.
\[f(x) = \frac{{e^{ - \mu } \mu ^x }}{{x!}}\]
en donde:
\(f(x)\) es la función de probabilidad para valores discretos de \(x=0,1,2,3..,n\)
$$ es el valor medio esperado en cierto lapso de tiempo. Algunas veces expresado como \(λ\)
\(x\) es la variable aleatoria. Es una variable aleatoria discreta \((x=0,1,2,...)\)
\(e\) valor constante, es la base de los logaritmos naturales \(2.71728\) Puede generarse por medio de exp(1).
Propiedades de un evento Poisson:
La probabilidad de ocurrencia es la misma para cualquiera de dos intervalos de la misma longitud.
La ocurrencia o no ocurrencia en cualquier intervalo es independiente de la ocurrencia o no ocurrencia en cualquier otro intervalo.
Los valores de la esperanza (o media) y de la varianza para la distribución de Poisson son respectivamente:
El valor medio o esperanza:
\[E(X) = \lambda\]
La varianza:
\[Var(X) = \sigma^{2} = \lambda\]
La desviación:
\[\sigma = \sqrt{Var(x)} = \sqrt{\sigma^{2}}\]
El desarrollo de los ejercicios comienza con la carga de librerías luego una serie de ejercicios relacionados con la distribución de Poisson, de cada uno de ellos se muestra la tabla de probabilidad se calculan algunas de sus probabilidades y se determina la esperanza, la varianza y las desviaciones. Al final se busca la interpretación de cada ejercicio.
library(dplyr)
library(ggplot2)
library(mosaic) # Gráficos de distribuciones
library(cowplot) #Imágenes en el mismo renglón
options(scipen=999) # Notación normal
# options(scipen=1) # Notación científica
#source("../funciones/funciones.distribuciones.r")
# o
source("https://raw.githubusercontent.com/rpizarrog/probabilidad-y-estad-stica/master/funciones/funciones.distribuciones.r")
Se describen ejercicios en donde se encuentra la función de distribución
Suponga que desea saber el número de llegadas, en un lapso de 15 minutos, a la rampa del cajero automático de un banco.(anderson_estadistica_2008?)
Si se puede suponer que la probabilidad de llegada de los automóviles es la misma en cualesquiera de dos lapsos de la misma duración y si la llegada o no–llegada de un automóvil en cualquier lapso es independiente de la llegada o no–llegada de un automóvil en cualquier otro lapso, se puede aplicar la función de probabilidad de Poisson.
Dichas condiciones se satisfacen y en un análisis de datos pasados encuentra que el número promedio de automóviles que llegan en un lapso de 15 minutos es igual a 10;
Aquí la variable aleatoria es xx número de automóviles que llegan en un lapso de 15 minutos.
Valores iniciales
x <- 0:30 # Valores de variables aleatorias
media <- 10 # Llegada de automóviles
Se construye la tabla con la función cargada del enlace: https://github.com/rpizarrog/probabilidad-y-estad-stica/blob/master/funciones/funciones.distribuciones.r
tabla1 <- data.frame(x=x, f.prob.x = f.prob.poisson(media, x))
tabla1 <- cbind(tabla1, f.acum.x = cumsum(tabla1$f.prob.x))
tabla1
## x f.prob.x f.acum.x
## 1 0 0.0000453999298 0.00004539993
## 2 1 0.0004539992976 0.00049939923
## 3 2 0.0022699964881 0.00276939572
## 4 3 0.0075666549604 0.01033605068
## 5 4 0.0189166374010 0.02925268808
## 6 5 0.0378332748021 0.06708596288
## 7 6 0.0630554580035 0.13014142088
## 8 7 0.0900792257192 0.22022064660
## 9 8 0.1125990321490 0.33281967875
## 10 9 0.1251100357211 0.45792971447
## 11 10 0.1251100357211 0.58303975019
## 12 11 0.1137363961101 0.69677614630
## 13 12 0.0947803300918 0.79155647639
## 14 13 0.0729079462244 0.86446442262
## 15 14 0.0520771044460 0.91654152707
## 16 15 0.0347180696307 0.95125959670
## 17 16 0.0216987935192 0.97295839022
## 18 17 0.0127639961878 0.98572238640
## 19 18 0.0070911089932 0.99281349540
## 20 19 0.0037321626280 0.99654565802
## 21 20 0.0018660813140 0.99841173934
## 22 21 0.0008886101495 0.99930034949
## 23 22 0.0004039137043 0.99970426319
## 24 23 0.0001756146541 0.99987987785
## 25 24 0.0000731727725 0.99995305062
## 26 25 0.0000292691090 0.99998231973
## 27 26 0.0000112573496 0.99999357708
## 28 27 0.0000041693887 0.99999774647
## 29 28 0.0000014890674 0.99999923553
## 30 29 0.0000005134715 0.99999974900
## 31 30 0.0000001711572 0.99999992016
Se construye la tabla2 con las funciones dpois() y ppois() , los valores deben ser los mismos que la tabla1.
tabla2 <- data.frame(x=x, f.prob.x = dpois(x = x, lambda = media))
tabla2 <- cbind(tabla2, f.acum.x = ppois(q = x, lambda = media))
tabla2
## x f.prob.x f.acum.x
## 1 0 0.0000453999298 0.00004539993
## 2 1 0.0004539992976 0.00049939923
## 3 2 0.0022699964881 0.00276939572
## 4 3 0.0075666549604 0.01033605068
## 5 4 0.0189166374010 0.02925268808
## 6 5 0.0378332748021 0.06708596288
## 7 6 0.0630554580035 0.13014142088
## 8 7 0.0900792257192 0.22022064660
## 9 8 0.1125990321490 0.33281967875
## 10 9 0.1251100357211 0.45792971447
## 11 10 0.1251100357211 0.58303975019
## 12 11 0.1137363961101 0.69677614630
## 13 12 0.0947803300918 0.79155647639
## 14 13 0.0729079462244 0.86446442262
## 15 14 0.0520771044460 0.91654152707
## 16 15 0.0347180696307 0.95125959670
## 17 16 0.0216987935192 0.97295839022
## 18 17 0.0127639961878 0.98572238640
## 19 18 0.0070911089932 0.99281349540
## 20 19 0.0037321626280 0.99654565802
## 21 20 0.0018660813140 0.99841173934
## 22 21 0.0008886101495 0.99930034949
## 23 22 0.0004039137043 0.99970426319
## 24 23 0.0001756146541 0.99987987785
## 25 24 0.0000731727725 0.99995305062
## 26 25 0.0000292691090 0.99998231973
## 27 26 0.0000112573496 0.99999357708
## 28 27 0.0000041693887 0.99999774647
## 29 28 0.0000014890674 0.99999923553
## 30 29 0.0000005134715 0.99999974900
## 31 30 0.0000001711572 0.99999992016
Con la función ggplot() se hace la curva de la distribución, en rojo los puntos y en azul la curva o linea con cualquiera de las dos tablas, tabla1 o tabla2.
g1 <- ggplot(data = tabla2, aes(x,f.prob.x) ) +
geom_point(colour = "red") +
geom_line(colour = 'blue') +
ggtitle("Función de densidad P(x)")
#g1
g2 <- ggplot(data = tabla2, aes(x,f.acum.x) ) +
geom_point(colour = "red") +
geom_line(colour = 'blue') +
ggtitle("Función acumulada F(x)")
#g2
plot_grid(g1,g2)
Si la administración desea saber la probabilidad de que lleguen exactamente \(55\) automóviles en 15 minutos, \(P(x=5)\)
Utlizando la función f.prob.poisson() creada que se encuentra en el enlace https://raw.githubusercontent.com/rpizarrog/probabilidad-y-estad-stica/master/funciones/funciones.distribuciones.r y calcula la función de probabilidad conforme a la fórmula.
x <- 5
prob <- round(f.prob.poisson(media, x),8)
paste("La probabilidad de que sean exactamente 5 automóviles es de : ", prob)
## [1] "La probabilidad de que sean exactamente 5 automóviles es de : 0.03783327"
prob2 <- round(dpois(x = x, lambda = media),4)
paste("La probabilida de que sean exactamente 5 automóviles es de : ", prob2)
## [1] "La probabilida de que sean exactamente 5 automóviles es de : 0.0378"
\(P(x≤10)=P(x=0)+P(x=1)+P(x=2)+P(x=3)+...+P(x=10)\) o la probabilidad acumulada hasta \(10 F(x=10)\)
tabla1$f.acum[10+1]
## [1] 0.5830398
paste("La probabilidad de que el valor de x sea menor o igual a 10 es: ", tabla1$f.acum[10+1], " o ", round(tabla1$f.acum[10+1] * 100,4), "%" )
## [1] "La probabilidad de que el valor de x sea menor o igual a 10 es: 0.583039750192986 o 58.304 %"
Con ppois() que determina el valor acumulado
ppois(q = 10, lambda = media)
## [1] 0.5830398
con la función sum() y dpois()
sum(dpois(x = 0:10, lambda = media))
## [1] 0.5830398
En el ejemplo anterior se usó un lapso de 15 minutos, pero también se usan otros lapsos. Suponga que desea calcular la probabilidad de una llegada en un lapso de 3 minutos.
Regla de tres:
\[10=15\]
\[?=3\]
media <- (3 * 10) / 15
media
## [1] 2
Entonces, la probabilidad de x llegadas en un lapso de 3 minutos tiene una media \(μ=2\) está dada por la siguiente nueva función de probabilidad de Poisson.
\[f(x) = \frac{{e^{ - 2} 2^x }}{{x!}}\]
Entonces nueva probabilidad para cuando \(x=5\)
prob <- round(dpois(x = 5, lambda = 2),4)
paste("La probabilidad cuando x = 5 y media igual a 2 es del:", prob * 100, "%")
## [1] "La probabilidad cuando x = 5 y media igual a 2 es del: 3.61 %"
Valor esperado
La esperanza o valor esperado es igual a: \(10\) dado los valores iniciales del ejercicio
La varianza es 10 y la desviación estándard es: 3.1623
En este primer ejercicio se nos plantea la situación de la llegada de cierta cantidad de autos a la rampa de un cajero automático. Debemos determinar las probabilidades de que llegue en un lapso de 15 minutos, el cual, el promedio nos marca que es de 10 autos. Primero generamos la tabla de probabilidad y utilizamos la variable x que es una variable aleatoria y la media con los 10 autos que llegan en 15 minutos. Una vez generada, creamos las respectivas gráficas con la función ggplot() con las probabilidades acumuladas. La probabilidad de que lleguen 5 autos fue 0.0378. La probabilidad de que fuera menor o igual a diez fue del 0.58 o 58%. Además de lo anterior mencionado, se modificó el valor de la media para determinar la probabilidad de llegada de los automóviles a dicha rampa. Por último se determina el valor esperado dando de resultado 10 (con los valores de inicio). La varianza de 10 y la desviación de 3.1623.
En ciertas instalaciones industriales los accidentes ocurren con muy poca frecuencia. Se sabe que la probabilidad de un accidente en cualquier día dado es \(0.005\) y los accidentes son independientes entre sí (walpole_probabilidad_2012?).
La variable media es el números de accidentes promedio por dia. \(x\) será los valores de la variable aleatoria.
Valores iniciales
n <- 365 # Dias del año
prob <- 0.005
media <- n * prob # media al año
media <- round(media, 0)
media
## [1] 2
x <- 0:10
La media es 2
La variable aleatoria son los dias desde \(x=1…hasta x=n\)
La tabla de distribución de probablidad de Poisson con media igual a 2 usando dpois() y cumsum()
tabla <- data.frame(x=x, f.prob.x = round(dpois(x = x, lambda = media),4))
tabla <- cbind(tabla, f.acum.x = cumsum(tabla$f.prob.x))
tabla
## x f.prob.x f.acum.x
## 1 0 0.1353 0.1353
## 2 1 0.2707 0.4060
## 3 2 0.2707 0.6767
## 4 3 0.1804 0.8571
## 5 4 0.0902 0.9473
## 6 5 0.0361 0.9834
## 7 6 0.0120 0.9954
## 8 7 0.0034 0.9988
## 9 8 0.0009 0.9997
## 10 9 0.0002 0.9999
## 11 10 0.0000 0.9999
g1 <- ggplot(data = tabla, aes(x,f.prob.x) ) +
geom_point(colour = "red") +
geom_line(colour = 'blue') +
ggtitle("Función de densidad P(x)")
#g1
g2 <- ggplot(data = tabla, aes(x,f.acum.x) ) +
geom_point(colour = "red") +
geom_line(colour = 'blue') +
ggtitle("Función acumulada F(x)")
#g2
plot_grid(g1,g2)
¿Cuál es la probabilidad de que en cualquier periodo dado habrá un accidente en un día?
\(P(x=1)\)
Recorddar que el índice de la tabla empieza en el valor cero de tal forma que se necesita el siguiente valor x+1 en la tabla:
x <- 1
prob <- tabla$f.prob.x[x+1]
paste("La probabiidad del valor de x=1 es: ", prob)
## [1] "La probabiidad del valor de x=1 es: 0.2707"
o mediante la función dpois() y
dpois(x = 1, lambda = media)
## [1] 0.2706706
¿Cuál es la probabilidad de que haya a lo más tres días con un accidente?
x <- 3
prob <- tabla$f.acum.x[x+1]
paste("La probabiidad del valor de x<=3 es: ", prob)
## [1] "La probabiidad del valor de x<=3 es: 0.8571"
Función acumulada \(F(x=3)\) o lo que es lo mismo \(P(x=0)+P(x=1)+P(x=2)+P(x=3)\)
ppois(q = 3, lambda = media)
## [1] 0.8571235
En el ejercicio dos nos dan la probabilidad de que ocurra un accidente en la industria, siendo esta del 0.005, siendo estos, independientes entre sí. Primero sacamos la media tomando como datos los días del año, 365, y la probabilidad ya mencionada anteriormente. Con la media determinada, procedemos a crear la tabla de distribución. Después, con ayuda de las funciones en r, generamos las gráficas correspondientes, la de densidad y la acumulada, esto nos ayuda a visualizar los datos de una manera más entendible y podemos comprender el comportamiento de los datos. Determinamos la probabilidad de que ocurra un accidente al día y esta fue de 0.27 o 27%. Por último sacamos la probabilidad de que ocurriese en tres días o menos y esta fue de 0.8571.
Un fabricante de automóviles se preocupa por una falla en el mecanismo de freno de un modelo específico. La falla puede causar en raras ocasiones una catástrofe a alta velocidad. Suponga que la distribución del número de automóviles por año que experimentará la falla es una variable aleatoria de Poisson con λ=5λ=5 (walpole_probabilidad_2012?).
Se construye la tabla de distribución de veinte valores en variable aleatoria y media igual a cinco.
x <- 0:20
media <- 5
tabla <- data.frame(x=x, f.prob.x = round(dpois(x = x, lambda = media),8), f.acum.x = round(ppois(q = x, lambda = media), 8))
tabla
## x f.prob.x f.acum.x
## 1 0 0.00673795 0.00673795
## 2 1 0.03368973 0.04042768
## 3 2 0.08422434 0.12465202
## 4 3 0.14037390 0.26502592
## 5 4 0.17546737 0.44049329
## 6 5 0.17546737 0.61596065
## 7 6 0.14622281 0.76218346
## 8 7 0.10444486 0.86662833
## 9 8 0.06527804 0.93190637
## 10 9 0.03626558 0.96817194
## 11 10 0.01813279 0.98630473
## 12 11 0.00824218 0.99454691
## 13 12 0.00343424 0.99798115
## 14 13 0.00132086 0.99930201
## 15 14 0.00047174 0.99977375
## 16 15 0.00015725 0.99993099
## 17 16 0.00004914 0.99998013
## 18 17 0.00001445 0.99999458
## 19 18 0.00000401 0.99999860
## 20 19 0.00000106 0.99999965
## 21 20 0.00000026 0.99999992
Se visualiza la tabla de probabilidades
g1 <- ggplot(data = tabla, aes(x,f.prob.x) ) +
geom_point(colour = "red") +
geom_line(colour = 'blue') +
ggtitle("Función de densidad P(x)")
#g1
g2 <- ggplot(data = tabla, aes(x,f.acum.x) ) +
geom_point(colour = "red") +
geom_line(colour = 'blue') +
ggtitle("Función acumulada F(x)")
#g2
plot_grid(g1,g2)
¿Cuál es la probabilidad de que, a lo más, 3 automóviles por año sufran una catástrofe?
\[P(X≤3)\]
\[P(X=0)+P(X=1)+P(X=2)+P(X=3)\]
x <- 3
prob <- tabla$f.acum.x[x+1]
paste("La probabiidad del valor de x<=3 es: ", round(prob * 100,4), "%")
## [1] "La probabiidad del valor de x<=3 es: 26.5026 %"
o por medio de la función ppois()
ppois(q = 3, lambda = media)
## [1] 0.2650259
¿Cuál es la probabilidad de que más de 1 automóvil por año experimente una catástrofe?\[1−F(X≤1)\]
\[1−(P(X=0)+P(x=1))\]
x <- 1
prob <- 1 - tabla$f.acum.x[x+1]
paste("La probabiidad del valor de x>1 es: ", round(prob * 100,4), "%")
## [1] "La probabiidad del valor de x>1 es: 95.9572 %"
o bie con la función ppois() y la opción lower.tail = FALSE
ppois(q = x, lambda = media, lower.tail = FALSE)
## [1] 0.9595723
El ejercicio tres nos habla sobre la situación de un fabricante de autos, estos tienen una probabilidad de falla, causando desastres cuando se maneja a una alta velocidad. En este problema nos dan la variable aleatoria de Poisson que es 5, esta se representa con lambda, letra del alfabeto griego. Luego construimos la tabla de distribución cuando la media es igual a 5, al igual que las gráficas como en los ejercicios pasados, la gráfica de función de densidad y la de función acumulada. Contestamos a las siguientes interrogantes: ¿cuál es la probabilidad de que tres automóviles presenten un accidente en un año? la respuesta fue de 26.50%; ¿cuál es la probabilidad de que un automóvil presente un accidente en un año? la respuesta fue de 95.95%;
Supóngase que se está investigando la seguridad de un crucero muy peligroso. Los archivos de la policía indican una media de cinco \(λ=5\) accidentes por mes en el crucero.
El número de accidentes está distribuido conforme a la distribución de Poisson, y la división de seguridad en carreteras quiere calcular la probabilidad de exactamente \(0,1,2,3 y 4\) accidentes en un mes determinado (gestiopolis, n.d.).
x <- 0:10
media <- 5
Construyendo los valores de la tabla de distribución \(P(x=0,1,2...10)\) Para responder a la pregunta del ejercicio, solo interesan solo los valores \(P(0),P(1),P(2),P(3),P(4)\)
tabla <- data.frame(x = x, f.prob.x = dpois(x = x, lambda = media), f.acum.x = ppois(q = x, lambda = media))
tabla
## x f.prob.x f.acum.x
## 1 0 0.006737947 0.006737947
## 2 1 0.033689735 0.040427682
## 3 2 0.084224337 0.124652019
## 4 3 0.140373896 0.265025915
## 5 4 0.175467370 0.440493285
## 6 5 0.175467370 0.615960655
## 7 6 0.146222808 0.762183463
## 8 7 0.104444863 0.866628326
## 9 8 0.065278039 0.931906365
## 10 9 0.036265577 0.968171943
## 11 10 0.018132789 0.986304731
Se construyen las gráficas de densidad o valores de probabilidad de cada variable aleatoria discreta y la función de la probabilidad acumulada respectivamente.
g1 <- ggplot(data = tabla, aes(x,f.prob.x) ) +
geom_point(colour = "red") +
geom_line(colour = 'blue') +
ggtitle("Función de densidad P(x)")
#g1
g2 <- ggplot(data = tabla, aes(x,f.acum.x) ) +
geom_point(colour = "red") +
geom_line(colour = 'blue') +
ggtitle("Función acumulada F(x)")
#g2
plot_grid(g1,g2)
En ejercicio cuatro se nos plantea que existe un cruce peligroso que registra una media de 5 accidentes por mes. Realizamos los mismos procedimientos que en los ejercicios pasados. En este ejercicio nos interesan los valores entre 0 y 4, la tabla de distribución nos marca los siguientes valores, del 0 al 4, respectivamente:
probabilidad frecuencia acumulada
0 0.006737947 0.006737947
1 0.033689735 0.040427682
2 0.084224337 0.124652019
3 0.140373896 0.265025915
4 0.175467370 0.440493285
Supóngase que en un hotel donde descansan sufridos cazadores de elefantes ocurren de manera aleatoria e independiente dos accidentes de caídas con rompimiento de cadera por semana. Determinar la probabilidad de que ocurra un accidente en una semana (Quintela 2019b) \(\lambda = 2\) se necesita calcular \(P(x=1)\)
paste("La probabilidad de ocurra un accidente en una semana es : ", dpois(x = 1, lambda = 2) ," o ", round(dpois(x = 1, lambda = 2) * 100, 2), "%")
## [1] "La probabilidad de ocurra un accidente en una semana es : 0.270670566473225 o 27.07 %"
En el último ejercicio respondimos a la pregunta de ¿cuál es la probabilidad de que ocurra un accidente en una semana?, con ayuda de las fórmulas ya vistas llegamos a la respuesta que la probabilidad es del 27.07%
Anderson, David R., Dennis J. Sweeney, and Thomas A. Williams. 2008. Estadística Para Administración y Economía. 10th ed. Australia Brasil Corea España Estados Unidos Japón México Reino Unido Singapur: Cengage Learning,.
gestiopolis. n.d. “¿Qué Es La Distribución de Poisson?” https://www.gestiopolis.com/que-es-la-distribucion-de-poisson/.
Mendenhall, William, Robert J. Beaver, and Barbara M. Beaver. 2010. Introducción a La Probabilidad y Estadística. 13th ed. Cengage Learning Editores, S.A. de C.V.,.
Walpole, Ronald E., Raymond H. Myers, and Sharon L. Myers. 2012. Probabilidad y Estadística Para Ingeniería y Ciencias. Novena Edición. México: Pearson.