1.- Objetivo

Calcular la función de densidad y la función de probabilidad probabilidad acumulada bajo la fórmula de distribución de hipergeométrica.

2.- Descripción

Realizar distribuciones de probabilidad conforme a la distribución de probabilidad de Hipergeométrica a partir de valores iniciales de los ejercicios.

Se generan las tablas de probabilidad conforme a distribución hipergeométrica, se identifican los valores de probabilidad cuando la variable discreta \(x\) tenga algún exactamente algún valor, \(≤\) a algún valor o \(>\) o \(≥\), entre otros.

Se utilizan las funciones base dhyper() y phyper() para la probabilidad y función acumulada de la distribución hipergeométrica.

Se utiliza también de manera alternativa la función del enlace f.prob.hiper() https://raw.githubusercontent.com/rpizarrog/probabilidad-y-estad-stica/master/funciones/funciones.distribuciones.r que permite calcular la probabilidad de una variable aleatoria discreta bajo la distribución hipergeométrica y conforme a la fórmula.

3.- Fundamento teórico

Pendiente.

4.- Desarrollo

Se presentan ejercicios de distribuciones hipergeométricas, mostrando tablas de distribución y gráfica de la misma, se calculan probabilidades, valores esperados, varianza y desviaciones. Al final se busca la interpretación de cada ejercicio.

4.1.- Cargar librerías

Para nuevas librerías se requiere instalar con anticipación, ejemplo, install.packages(“cowplot”).

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

4.2.- Cargar funciones

#source("../funciones/funciones.distribuciones.r")

# o

source("https://raw.githubusercontent.com/rpizarrog/probabilidad-y-estad-stica/master/funciones/funciones.distribuciones.r")

4.3.- Fábrica de fusibles

Una empresa fabrica fusibles que empaca en cajas de 12 unidades cada una.

Asuma que un inspector selecciona al azar 3 de los 12 fusibles de una caja para inspeccionarlos.
Si la caja contiene exactamente 5 fusibles defectuosos,
En este ejercicio::
- \(n=5\) Número de casos exitosos
- \(N=12\) Total de elementos
- \(r=3\) Extracción de la muestra
- \(x\) es la cantidad de fusible defectuosos como variable aleatoria discreta, desde 0 hasta n o hasta un valor específico(Anderson, Sweeney, and Williams 2008).

4.3.1.- Tabla de probabilidad desde cero a tres

Primero inicializar valores

N <- 12 
n <- N - 5
r <- 3
x <- 0:r

Distribución de la probabilidad por medio de la función creada llamada f.prob.hiper() y con cumsum()

tabla1 <- data.frame(x=x, f.prob.x = f.prob.hiper(x = x, N = N, n = n, r = r))

tabla1 <- cbind(tabla1, f.acum.x = cumsum(tabla1$f.prob.x))
tabla1

##   x   f.prob.x   f.acum.x
## 1 0 0.04545455 0.04545455
## 2 1 0.31818182 0.36363636
## 3 2 0.47727273 0.84090909
## 4 3 0.15909091 1.00000000

Distribución de la probabilidad por medio de la función base de R llamada dhyper()
Deben generarse los mismos datos en tabla1 y tabla2

m <-n; N <-N; k <- r; n <- N - m

tabla2 <- data.frame(x=x, f.prob.x = round(dhyper(x = x,m = m, n = n, k = k), 8))

tabla2 <- cbind(tabla2, f.acum.x = round(phyper(q = x,m = m, n = n, k = k), 8))

tabla2

##   x   f.prob.x   f.acum.x
## 1 0 0.04545455 0.04545455
## 2 1 0.31818182 0.36363636
## 3 2 0.47727273 0.84090909
## 4 3 0.15909091 1.00000000

4.3.2.- Gráfica de probabilidad

Se presentan la gráfica de probabilidad y la probabilidad acumulada en g1 y g2 respectivamente.

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)

4.3.3.- Probabilidad uno de tres

¿Cuál es la probabilidad de que el inspector encuentre que uno de los tres fusibles está defectuoso?

Utilizando la tabla de distribución.

x <- 1
prob <- tabla2$f.prob.x[x+1]

paste("La probabilidad de que el inspector encuentre que uno de los tres fusibles está defectuoso es: ", round(prob * 100,4), "%")

## [1] "La probabilidad de que el inspector encuentre que uno de los tres fusibles está defectuoso es:  31.8182 %"

Utilizando dhyper()

prob <- dhyper(x = 1, m = m, n = n, k = k)

paste("La probabilidad de que el inspector encuentre que uno de los tres fusibles está defectuoso es: ", round(prob * 100,4), "%")

## [1] "La probabilidad de que el inspector encuentre que uno de los tres fusibles está defectuoso es:  31.8182 %"

Probabilidad de menos de tres fusibles

¿Cuál es la probabilidad de encontrar menos de tres fusibles defectuosos

\(P(x≤2)=P(X=0)+P(x=1)+P(x=2)\) o la función acumulada hasta tres \(F(x=3)\)

Utilizando la tabla de distribución

x <- 2
prob <- tabla2$f.acum.x[x+1]

paste("La probabilidad de menos de tres fusibles: ", round(prob * 100,4), "%")

## [1] "La probabilidad de menos de tres fusibles:  84.0909 %"

Utilizando sum(dhyper())

prob <- sum(dhyper(x = 0:x, m = m, n = n, k = k))

paste("La probabilidad de menos de tres fusibles: ", round(prob * 100,4), "%")

## [1] "La probabilidad de menos de tres fusibles:  84.0909 %"

Utilizando phyper()

prob <- phyper(q = x, m = m, n = n, k = k)
paste("La probabilidad de que el inspector encuentre que uno de los tres fusibles está defectuoso es: ", round(prob * 100,4), "%")

## [1] "La probabilidad de que el inspector encuentre que uno de los tres fusibles está defectuoso es:  84.0909 %"

4.3.4.- Valor esperado

¿Cuál es el valor esperado?

Mandar llamar la función creada anticipadamente f.va.hiper() que se encuentra en https://github.com/rpizarrog/probabilidad-y-estad-stica/blob/master/funciones/funciones.distribuciones.r

N <- 12 
n <- 3
r <- 5
VE <- f.va.hiper(n = n, N = N, r = r)

paste("El valor esperado o media de este ejercicios es de: ", VE)

## [1] "El valor esperado o media de este ejercicios es de:  1.25"

4.3.5.- Varianza y desviación

¿Cuál es la varianza y la desviación estándar?. También se utilizan las funciones previamente preparadas.

varianza <- f.varianza.hiper(VE = VE, n = 3, N = 12, r = 5)

desvstd <- sqrt(varianza)

paste("El valor de la varianza es de: ", round(varianza,4), " y la desviación std es de: ", round(desvstd, 4))

## [1] "El valor de la varianza es de:  0.5966  y la desviación std es de:  0.7724"

4.3.6.- Interpretación

Existe una probabilidad de aproximadamente 47.72% de que suceda exactamente un fusible defectuoso.

Existe una probabilidad aproximada del 95% de que sucedan fusibles defectuosos menores a 3 componentes

El Valor esperado de 1.25 significa lo que en promedio se espera que suceda por cualquier valor de la variable discreta

La varianza es de 0.5966 y la desviación es de 0.7724 significan el grado de dispersión de los valores de la distribución o que tanto se alejan del valor medio en la distribución de probabilidad en este caso hipergeométrica.

4.4.- Lote de Componentes

Lotes con \(40\) componentes cada uno que contengan 3 o más defectuosos se consideran inaceptables. El procedimiento para obtener muestras del lote consiste en seleccionar 5 componentes al azar y rechazar el lote si se encuentra un componente defectuoso. En todo el lote hay \(3\) defectuosos? (Camacho Avila 2019), (Walpole, Myers, and Myers 2012b)

\(n=3,\)
\(N=40,\)
\(k=5 y\)
\(x=0,1,2,3,4...n\)

4.4.1.- Tabla de probabilidad desde cero a cinco

Primero inicializar valores

N <- 40
m  <- n <- 3
r <- 5
x <- 0:n

m <-n; N <-N; k <- r; n <- N - m

Se construye la tabla de distribución

tabla <- data.frame(x=x, f.prob.x = round(dhyper(x = x,m = m, n = n, k = k), 8))

tabla <- cbind(tabla, f.acum.x = cumsum(tabla$f.prob.x))

tabla

##   x   f.prob.x  f.acum.x
## 1 0 0.66244939 0.6624494
## 2 1 0.30111336 0.9635628
## 3 2 0.03542510 0.9989879
## 4 3 0.00101215 1.0000000

4.4.2.- Gráfica de probabilidad

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)

4.4.3.- Probabilidad de exactamente un componente

¿Cuál es la probabilidad de que, en la muestra, se encuentre exactamente un componente defectuoso, si en todo el lote hay 3 defectuosos?. \(P(x=1)\)

x <- 1
prob <- tabla$f.prob.x[x+1]

paste("La probabilidad de que, en la muestra, se encuentre exactamente un componente defectuoso de tres es: ", round(prob * 100,4), "%")

## [1] "La probabilidad de que, en la muestra, se encuentre exactamente un componente defectuoso de tres es:  30.1113 %"

4.4.4.- Probabilidad de al menos tres

¿Cuál es la probabilidad de encontrar menos de tres componentes defectuosos \(P(x≤3)=P(x=0)+P(x=1)+P(x=2)+P(x=3)\) o la función acumulada \(F(x=3)\)

x <- 3
prob <- phyper(q = x,m = m, n = n, k = k)
paste ("La probabilidad de encontrar menos de tres componentes", round(prob, 4))

## [1] "La probabilidad de encontrar menos de tres componentes 1"

4.4.5.- ¿Cuál es el valor esperado?

VE <- f.va.hiper(n = n, N = N, r = r)

paste("El valor esperado o media de este ejercicios es de: ", VE)

## [1] "El valor esperado o media de este ejercicios es de:  4.625"

4.4.6.- ¿Cuál es la varianza y la desviación estándar?

varianza <- f.varianza.hiper(VE = VE, n = 3, N = 12, r = 5)

desvstd <- sqrt(varianza)

paste("El valor de la varianza es de: ", round(varianza,4), " y la desviación std es de: ", round(desvstd, 4))

## [1] "El valor de la varianza es de:  2.2074  y la desviación std es de:  1.4857"

4.4.7.- Interpretación

En este ejercicio se puede observar como un lote de componentes obtenía las probabilidades de que alguno de sus componentes en lotes de 40 salieran defectuosos. En la tabla de distribución de organizan las probabilidades, siendo su pico máximo el no encontrar componentes defectuosos con un 66.24%. El valor esperado de este ejercicio fue 4.625, la varianza obtuvo un valor de 2.207 y la desviación estándar fue de 1.485.

En este ejercicio en su contexto, sólo 30% de las veces detecta un lote malo (con 3 componentes defectuosos). (Camacho Avila 2019).

4.5.- Artículos defectuosos

Se tiene un lote de \(100\) artículos de los cuales \(12\) están defectuosos. Se extraen lotes de \(10\).

4.5.1.- Tabla de distribución

Primero inicializar valores

N <- 100
m <- n <- 12
r <- 10
x <- 0:n

m <-n; N <-N; k <- r; n <- N - n

Distribución de la probabilidad por medio de la función creada llamada f.prob.hiper()

tabla <- data.frame(x=x, f.prob.x = round(dhyper(x = x, m = m, n = n, k = r), 8))

tabla <- cbind(tabla, f.acum.x = cumsum(tabla$f.prob.x))
tabla

##     x   f.prob.x  f.acum.x
## 1   0 0.26075027 0.2607503
## 2   1 0.39607636 0.6568266
## 3   2 0.24507225 0.9018989
## 4   3 0.08068222 0.9825811
## 5   4 0.01549689 0.9980780
## 6   5 0.00179241 0.9998704
## 7   6 0.00012447 0.9999949
## 8   7 0.00000502 0.9999999
## 9   8 0.00000011 1.0000000
## 10  9 0.00000000 1.0000000
## 11 10 0.00000000 1.0000000
## 12 11 0.00000000 1.0000000
## 13 12 0.00000000 1.0000000

4.5.2.- Gráfica de probabilidad

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)

4.5.3.- Probabilidad de tres defectuosos

¿Cuál es la probabilidad de que haya 3 defectuosos en una muestra de 10? \(P(x=3)\)

x <- 3
prob <- tabla$f.prob.x[x+1]

paste("La probabilidad de que haya 3 defectuosos en una muestra de 10 es de", prob)

## [1] "La probabilidad de que haya 3 defectuosos en una muestra de 10 es de 0.08068222"

Con la función dhyper()

x <- 3
dhyper(x = x, m = m, n = n, k = k)

## [1] 0.08068222

paste("La probabilidad de que haya 3 defectuosos en una muestra de 10 es de", prob)

## [1] "La probabilidad de que haya 3 defectuosos en una muestra de 10 es de 0.08068222"

4.5.4.- Valor esperado

¿Cuál es el valor esperado?

VE <- f.va.hiper(n = n, N = N, r = r)

paste("El valor esperado o media de este ejercicios es de: ", VE)

## [1] "El valor esperado o media de este ejercicios es de:  8.8"

4.5.5.- Varianza y desviación

¿Cuál es la varianza y la desviación estándar?

varianza <- f.varianza.hiper(VE = VE, n = 3, N = 12, r = 5)

desvstd <- sqrt(varianza)

paste("El valor de la varianza es de: ", round(varianza,4), " y la desviación std es de: ", round(desvstd, 4))

## [1] "El valor de la varianza es de:  4.2  y la desviación std es de:  2.0494"

4.5.6.- Interpretación

En este ejercicio se obtienen las probabilidades de que 12 articulos salieran defecutuosos en un lote de 100 artículos. En la tabla de distribución que se obtuvo, se pueden observar que la probabilidad más alta es de obtener un producto defectuoso, teniendo una probabilidad del 39.6%; las probabilidades que le siguen es de obtener 0 y 2 artículos defectuosos con un 26.07% y 24.5% de probabilidad respectivamente. A partir de la probabilidad de obtener 3 artículos defectuosos va disminuyendo el porcentaje y es a partir de los 8 artículos cuando la pobabilidad es tan baja, que es preferible tomarla como 0%.

4.6.- Estudiante de leyes

Un estudiante tiene que preparar cien temas. En el examen se sacan tres a sorteo, de los cuales deberá exponer uno y aprobar al menos uno. El estudiante decide estudiar o preparar solamente la mitad y probar suerte. (quintela2019?).

4.6.1.- Tabla de distribución

Valores iniciales

N <- 100
n <- 3
r <- 50 
x <- 0:n

m <-n; N <-N; k <- r; n <- N - n

Se construye la tabla de distribución

tabla <- data.frame(x=x, f.prob.x = round(dhyper(x = x, m = m, n = n, k = r), 8))

tabla <- cbind(tabla, f.acum.x = cumsum(tabla$f.prob.x))
tabla

##   x  f.prob.x  f.acum.x
## 1 0 0.1212121 0.1212121
## 2 1 0.3787879 0.5000000
## 3 2 0.3787879 0.8787879
## 4 3 0.1212121 1.0000000

4.6.2.- Gráfica de probabilidad

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)

4.6.3.- Probabilidad de que no apruebe

Se calcula la probabilidad cuando \(P(x=0)\)

prob <- dhyper(x = 0, m = m, n = n, k = k)
paste ("La probabilidad de que no apruebe es de: ", prob, " o sea ", round(prob*100, 4), "%")

## [1] "La probabilidad de que no apruebe es de:  0.121212121212121  o sea  12.1212 %"

4.6.4.- Probabilidad de que apruebe

Se requiere al menos 1 de los temas, o lo que es lo mismo \(1−F(x=0)\)

prob <- 1 - phyper(q = 0, m = m, n = n, k = k)
paste ("La probabilidad de que apruebe es de: ", prob, " o sea ", round(prob*100, 4), "%")

## [1] "La probabilidad de que apruebe es de:  0.878787878787879  o sea  87.8788 %"

O se puede usar la función phyper() con el parámetro \(lower.tail = FALSE\).

prob <- phyper(q = 0, m = m, n = n, k = k, lower.tail = FALSE)
paste ("La probabilidad de que apruebe es de: ", prob, " o sea ", round(prob*100, 4), "%")

## [1] "La probabilidad de que apruebe es de:  0.878787878787879  o sea  87.8788 %"

4.6.5.- Interpretación

En este último ejercicio se expuso el caso de un estudiante que debe preparar 100 temas y de esos 100 se obtendran 3 al azar, debiendo exponerlo y debe pasar al menos un tema. El estudiante decidió solo preparar la mitad y probar su suerte. Con estos datos se realizó la tabla de distribución, por la cual se pueden obtener los siguientes cálculos: uno es que NO apruebe, el cual tiene un probabilidad deñ 12.12%; el segundo es la probabilidad de que apruebe, utilizándose la probabilidad anterior, restándosela a 1, dando como resultado 87.87% de que apruebe.

Referencias Bibliográficas

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,. Camacho Avila, Marcela. 2019. “Probabilidad y Estadística. Modelos Probabilísticos.” 2019. http://148.215.1.182/bitstream/handle/20.500.11799/108238/secme-34236_1.pdf?sequence=1. Cañas, Juan Jesús. n.d. “Distribución Hipergeométrica.” https://proyectodescartes.org/iCartesiLibri/materiales_didacticos/EstadisticaProbabilidadInferencia/VAdiscreta/4_1DistribucionHipergeometrica/index.html. Walpole, Ronald E., Raymond H. Myers, and Sharon L. Myers. 2012b. Probabilidad y Estadística Para Ingeniería y Ciencias. Novena Edición. México: Pearson. ———. 2012a. Probabilidad y Estadística Para Ingeniería y Ciencias. Novena Edición. México: Pearson.

Caso 18. Distribución Hipergeométrica

Huerta Del Toro María de la Luz

22/Mayo/2021

1.- Objetivo

2.- Descripción

3.- Fundamento teórico

4.- Desarrollo

4.1.- Cargar librerías

4.2.- Cargar funciones

4.3.- Fábrica de fusibles

4.3.1.- Tabla de probabilidad desde cero a tres

4.3.2.- Gráfica de probabilidad

4.3.3.- Probabilidad uno de tres

4.3.4.- Valor esperado

4.3.5.- Varianza y desviación

4.3.6.- Interpretación

4.4.- Lote de Componentes

4.4.1.- Tabla de probabilidad desde cero a cinco

4.4.2.- Gráfica de probabilidad

4.4.3.- Probabilidad de exactamente un componente

4.4.4.- Probabilidad de al menos tres

4.4.5.- ¿Cuál es el valor esperado?

4.4.6.- ¿Cuál es la varianza y la desviación estándar?

4.4.7.- Interpretación

4.5.- Artículos defectuosos

4.5.1.- Tabla de distribución

4.5.2.- Gráfica de probabilidad

4.5.3.- Probabilidad de tres defectuosos

4.5.4.- Valor esperado

4.5.5.- Varianza y desviación

4.5.6.- Interpretación

4.6.- Estudiante de leyes

4.6.1.- Tabla de distribución

4.6.2.- Gráfica de probabilidad

4.6.3.- Probabilidad de que no apruebe

4.6.4.- Probabilidad de que apruebe

4.6.5.- Interpretación

Referencias Bibliográficas