Calcular la función de densidad y la función de probabilidad probabilidad acumulada bajo la fórmula de distribución de hipergeométrica.
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.
La distribución de probabilidad hipergeométrica está estrechamente relacionada con la distribución binomial. Pero difieren en dos puntos: en la distribución hipergeométrica, los ensayos no son independientes y la probabilidad de éxito varía de ensayo a ensayo (anderson2008?).
La distribución de probabilidad de la variable aleatoria hipergeométrica x, el número de éxitos en una muestra aleatoria de tamaño n que se selecciona de N artículos, en los que k se denomina éxito y N–k se le llama fracaso (Camacho Avila 2019).
La distribución hipergeométrica es especialmente útil en todos aquellos casos en los que se extraigan muestras o se realicen experiencias repetidas sin devolución del elemento extraído o sin retornar a la situación experimental inicial.
Es una distribución fundamental en el estudio de muestras pequeñas de poblaciones pequeñas y en el cálculo de probabilidades de juegos de azar. Tiene grandes aplicaciones en el control de calidad para procesos experimentales en los que no es posible retornar a la situación de partida. (Cañas, n.d.).
Como en el caso de la distribución binomial, la distribución hipergeométrica se aplica en el muestreo de aceptación, donde se toman muestras del material o las partes de los lotes con el fin de determinar si se acepta o no el lote completo (Walpole, Myers, and Myers 2012a).
La fórmula de la distribución hipergeométrica
\[ f(x) = \frac{\binom{r}{x} \cdot \binom{N-r}{n-x}}{\binom{N}{n}} \]
Dónde:
f(x) es la probabildiad de xx o la función de distribución
n número de ensayos o longitud de la muestra casos exitosos
N número de elementos de la población
r o knúmero de elementos de la población que se extraen de la población
x Valor de la variable aleatoria discreta 0,1,2,3,,,,n (Anderson, Sweeney, and Williams 2008).
\({\binom{r}{x}}\) Parte izquierda del numerador, representan el número de formas (combinaciones) en que se toman x éxitos de un total de r éxitos que hay en la población,
\(\binom{N-r}{n-x}\) parte derecha del numerador representa el número de maneras en que se puede tomar n−x fracasos de un total de N−r elementos que hay en la población.
\(\binom{N}{n}\) como denominador representan el número de maneras (cantidad de combinaciones) en que es posible tomar una muestra de tamaño nn de una población de tamaño N ; (Anderson,
Sweeney, and Williams 2008).
Recordando la fórmula para determinar el número de combinaciones en grupos de n elementos de una población total de N está dada por:
\[ C_{n}^{N} = \binom{N}{n} = \frac{N!}{n!\cdot(N-n)!} \]
Entonces desarrollando la fórmula con las combinaciones la función de probabilidad hipergeométrica queda de la siguiente manera:
\[ (x) = \frac{\binom{r}{x} \cdot \binom{N-r}{n-x}}{\binom{N}{n}} = \frac{ (\frac{r!}{x!\cdot(r-x)!})\cdot(\frac{(N-r)!}{(n-x)!\cdot((N-r) - (n-x))!})}{\frac{N!}{n!\cdot(N-n)!}} \]
\[ E(x) = \mu = n \cdot\left(\frac{r}{N}\right) \]
\[ Var(x) = \sigma^{2} = n \cdot\left(\frac{r}{N}\right)\cdot\left(1 - \frac{r}{N}\right)\cdot\left( \frac{N-n}{N-1}\right) \]
\[ \sigma = \sqrt{Var(x)} = \sqrt{\sigma^{2}} \]
Ilustración 1. Ejemplo de canicas.
N=15 Total de canicas o bolitas
n=m=9 Canicas rojas
k=r=5 Cantidad que se extrae 55
x=3 Variable aleatoria
En alguna literatura de la fórmula de hipergeométrica la variable mm es igual a la literal n y r es lo mismo que la literal k.
\[ (x) = \frac{\binom{r}{x} \cdot \binom{N-r}{n-x}}{\binom{N}{n}} = \frac{ (\frac{r!}{x!\cdot(r-x)!})\cdot(\frac{(N-r)!}{(n-x)!\cdot((N-r) - (n-x))!})}{\frac{N!}{n!\cdot(N-n)!}} \]
Entonces, sustituyendo valores de literales:
\[ P(x=3) = \frac{\binom{9}{3} \cdot \binom{15-9}{5-3}}{\binom{15}{5}} = \frac{ (\frac{9!}{3!\cdot(9-3)!})\cdot(\frac{(15-9)!}{(5-3)!\cdot((15-9) - (5-3))!})}{\frac{15!}{5!\cdot(15-5)!}}=\frac{84\times15}{3003}=0.4195 \]
N <- 15
m <- 9 # Canicas rojas
n <- (N-m) # Canicas negras
k <- 5 # Extracción de canicas
x <- 3
# Haciendo operaciones sería
numerador <- factorial(m) / (factorial(x) * (factorial(m-x))) * factorial(N-m) / (factorial(k-x) * (factorial((N-m)-(k-x))))
denominador<- factorial(N) / (factorial(k) * factorial(N-5))
prob <- numerador / denominador
prob
## [1] 0.4195804
Directamente con la función dhyper()
prob <- dhyper(x=x, m = m, n = n, k = k)
prob
## [1] 0.4195804
Ejemplo2: Suponga la extracción aleatoria de 8 elementos de un conjunto formado por 40 elementos totales (cartas baraja española) de los cuales 10 son del tipo A (salir oro) y 30 son del tipo complementario (no salir oro).
Ilustración 2. Baraja Española.
Si se realizan las extracciones sin devolver los elementos extraídos y se identifica a xx al número de elementos del tipo A (oros obtenidos) que se extraen en las 8 cartas; xxseguirá una distribución hipergeométrica de parámetros
N=40 - Total de barajas
m=n=10 - Cantidad de oros 10
k=8 - Cuantas cartas se extraen 8
Para calcular la probabilidad de obtener 4 oros:
Calculando con la función dhyper()
N <- 40 # Total de casos
m <- n <- 8 # Cantidad de oros
k <- r <- 10 # Cantidad de extracción
x <- 4 # Variable aleatoria
dhyper(x = x, m = m, n = (N-m), k = k)
## [1] 0.07483354
Ejemplo 3:
Solución con dhyper()
N <- 40 # Tamaño de lote
m <- 3 # Casos de Exito
k <- 5 # Extracción
x <- 1 # Variable aleatoria
dhyper(x = x, m = m, n = (N - m), k = k)
## [1] 0.3011134
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.
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
#source("../funciones/funciones.distribuciones.r")
# o
source("https://raw.githubusercontent.com/rpizarrog/probabilidad-y-estad-stica/master/funciones/funciones.distribuciones.r")
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).
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$f.prob.x))
tabla1
## x f.prob.x f.acum.x
## 1 0 0.04545455 0.04545455
## 2 1 0.31818182 0.36363636
## 3 2 0.47727273 0.84090909
## 4 3 0.15909091 1.00000000
m <-n; N <-N; k <- r; n <- N - m
tabla2 <- data.frame(x=x, f.prob.x = round(dhyper(x = x,m = m, n = n, k = k), 8))
tabla2 <- cbind(tabla2, f.acum.x = round(phyper(q = x,m = m, n = n, k = k), 8))
tabla2
## x f.prob.x f.acum.x
## 1 0 0.04545455 0.04545455
## 2 1 0.31818182 0.36363636
## 3 2 0.47727273 0.84090909
## 4 3 0.15909091 1.00000000
Se presentan la gráfica de probabilidad y la probabilidad acumulada en g1 y g2 respectivamente.
g1 <- ggplot(data = tabla2, aes(x,f.prob.x) ) +
geom_point(colour = "red") +
geom_line(colour = 'blue') +
ggtitle("Función de densidad P(x)")
#g1
g2 <- ggplot(data = tabla2, aes(x,f.acum.x) ) +
geom_point(colour = "red") +
geom_line(colour = 'blue') +
ggtitle("Función acumulada F(x)")
#g2
plot_grid(g1, g2)
¿Cuál es la probabilidad de que el inspector encuentre que uno de los tres fusibles está defectuoso?
Utilizando la tabla de distribución.
x <- 1
prob <- tabla2$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 %"
¿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"
¿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"
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.
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 <- 40
m <- n <- 3
r <- 5
x <- 0:n
m <-n; N <-N; k <- r; n <- N - m
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$f.prob.x))
tabla
## x f.prob.x f.acum.x
## 1 0 0.66244939 0.6624494
## 2 1 0.30111336 0.9635628
## 3 2 0.03542510 0.9989879
## 4 3 0.00101215 1.0000000
g1 <- ggplot(data = tabla, aes(x,f.prob.x) ) +
geom_point(colour = "red") +
geom_line(colour = 'blue') +
ggtitle("Función de densidad P(x)")
#g1
g2 <- ggplot(data = tabla, aes(x,f.acum.x) ) +
geom_point(colour = "red") +
geom_line(colour = 'blue') +
ggtitle("Función acumulada F(x)")
#g2
plot_grid(g1, g2)
¿Cuál es la probabilidad de que, en la muestra, se encuentre exactamente un componente defectuoso, si en todo el lote hay 3 defectuosos?. P(x=1)
x <- 1
prob <- tabla$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 %"
¿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"
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"
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"
En este ejercicio en su contexto, sólo 30% de las veces detecta un lote malo (con 3 componentes defectuosos). (Camacho Avila 2019).
Se tiene un lote de 100 artículos de los cuales 12 están defectuosos. Se extraen lotes de 10.
N <- 100
m <- n <- 12
r <- 10
x <- 0:n
m <-n; N <-N; k <- r; n <- N - n
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
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 haya 3 defectuosos en una muestra de 10? \[P(x=3)\]
x <- 3
prob <- tabla$f.prob.x[x+1]
paste("La probabilidad de que haya 3 defectuosos en una muestra de 10 es de", prob)
## [1] "La probabilidad de que haya 3 defectuosos en una muestra de 10 es de 0.08068222"
Con la función dhyper()
x <- 3
dhyper(x = x, m = m, n = n, k = k)
## [1] 0.08068222
paste("La probabilidad de que haya 3 defectuosos en una muestra de 10 es de", prob)
## [1] "La probabilidad de que haya 3 defectuosos en una muestra de 10 es de 0.08068222"
¿Cuál es el valor esperado?
VE <- f.va.hiper(n = n, N = N, r = r)
paste("El valor esperado o media de este ejercicios es de: ", VE)
## [1] "El valor esperado o media de este ejercicios es de: 8.8"
¿Cuál es la varianza y la desviación estándar?
varianza <- f.varianza.hiper(VE = VE, n = 3, N = 12, r = 5)
desvstd <- sqrt(varianza)
paste("El valor de la varianza es de: ", round(varianza,4), " y la desviación std es de: ", round(desvstd, 4))
## [1] "El valor de la varianza es de: 4.2 y la desviación std es de: 2.0494"
Un estudiante tiene que preparar cien temas. En el examen se sacan tres a sorteo, de los cuales deberá exponer uno y aprobar al menos uno. El estudiante decide estudiar o preparar solamente la mitad y probar suerte. (quintela2019?).
N <- 100
n <- 3
r <- 50
x <- 0:n
m <-n; N <-N; k <- r; n <- N - n
Se construye la tabla de distribución
tabla <- data.frame(x=x, f.prob.x = round(dhyper(x = x, m = m, n = n, k = r), 8))
tabla <- cbind(tabla, f.acum.x = cumsum(tabla$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
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)
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 %"
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 %"
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.