Matemáticas 10.º

Probabilidad frecuencial

50 min · DBA 10

Lo que vas a aprender
  • Calcular la frecuencia absoluta y la frecuencia relativa de un evento a partir de los datos de un experimento repetido.
  • Explicar con una tabla o una gráfica que la frecuencia relativa se estabiliza cuando el número de repeticiones crece.
  • Usar la frecuencia relativa como estimación de la probabilidad y hacer predicciones con ella.
  • Distinguir la ley de los grandes números de la falacia del jugador.

Para qué

¿Para qué sirve esto?

Imagina que dejas caer una chinche sobre la mesa. Puede quedar de dos maneras: apoyada sobre la cabeza, con la punta hacia arriba, o acostada de lado. ¿Qué es más probable? Con un dado o una moneda contarías casos igual de posibles, pero la chinche no es simétrica: nada te asegura que las dos posiciones tengan la misma posibilidad, y no hay forma de deducirlo solo pensando.

Lo mismo pasa con muchas preguntas de las ciencias: ¿qué tan probable es que germine una semilla de cierta variedad?, ¿que una tapa de gaseosa caiga boca arriba?, ¿que un bombillo dure más de un año? Para responderlas hay que hacer un experimento, repetirlo muchas veces y mirar los datos. Esa forma de medir la probabilidad se llama probabilidad frecuencial, y es la que usan los laboratorios, las aseguradoras y los estudios de calidad.

Antes de empezar necesitas simplificar fracciones y pasar de fracción a decimal y a porcentaje.

Explicación

Experimentos con espacio muestral indeterminado

Un experimento aleatorio es uno que se puede repetir en las mismas condiciones y cuyo resultado no se conoce de antemano. Cuando los resultados son igual de posibles, como en un dado sin trampa, la regla de Laplace da la probabilidad sin lanzar nada. Pero en la chinche sabemos qué puede salir (punta arriba o de lado) y no sabemos cuánto pesa cada resultado. Decimos que el espacio muestral está indeterminado: sus probabilidades no se pueden calcular contando, solo estimar observando.

El primer paso es plantear bien la pregunta: «¿cuál es la probabilidad de que esta chinche, dejada caer desde unos 30 cm sobre una mesa de madera, quede con la punta hacia arriba?». Las condiciones importan: otra chinche, otra altura u otra superficie pueden dar otra probabilidad.

Frecuencia absoluta y frecuencia relativa

Si repetimos el experimento $n$ veces y el evento $A$ ocurre $n_A$ veces, $n_A$ es la frecuencia absoluta de $A$, y

$$f(A) = \frac{n_A}{n}$$

es su frecuencia relativa. Como $0 \le n_A \le n$, siempre se cumple $0 \le f(A) \le 1$. Además, las frecuencias relativas de todos los resultados posibles suman 1, porque cada repetición cae en exactamente uno de ellos.

Un grupo de estudiantes lanzó una chinche 200 veces y fue anotando el total acumulado de veces que quedó con la punta hacia arriba. Estos son sus datos (inventados para la lección):

Lanzamientos $n$ 10 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Punta arriba (acumulado) 6 9 14 25 30 39 45 54 61 68 76
Frecuencia relativa 0,600 0,450 0,350 0,417 0,375 0,390 0,375 0,386 0,381 0,378 0,380

La frecuencia relativa se estabiliza

Mira la última fila. Al principio la frecuencia relativa salta mucho: 0,6 a los 10 lanzamientos, 0,35 a los 40. Con pocas repeticiones, unos cuantos resultados de más o de menos cambian bastante la cuenta. A medida que $n$ crece, cada lanzamiento nuevo pesa menos en el total y la frecuencia relativa se queda oscilando cada vez más cerca de un valor, en este caso alrededor de 0,38. Decimos que se estabiliza.

Este comportamiento se observa en todos los experimentos aleatorios y tiene nombre: la ley de los grandes números. Dice que, al aumentar el número de repeticiones, la frecuencia relativa de un evento tiende a acercarse a su probabilidad. En este curso la usamos sin demostración. Por eso el número al que se acerca la frecuencia relativa se toma como estimación de la probabilidad: con los datos de la tabla, estimamos que la probabilidad de que la chinche quede punta arriba es cercana a 0,38.

Estimar no es conocer

La frecuencia relativa estima la probabilidad; no es la probabilidad. Si otro grupo lanza la misma chinche 200 veces, casi seguro obtendrá otra frecuencia relativa, tal vez 0,36 o 0,41. Ninguno de los dos se equivocó: cada serie de lanzamientos es una muestra distinta del mismo experimento. Lo que sí se sabe es que la estimación es más confiable cuantas más repeticiones tiene. Por eso, si dos grupos lanzaron la misma chinche en las mismas condiciones, conviene juntar sus datos: se suman las frecuencias absolutas y se divide entre el total de lanzamientos.

La ley de los grandes números no dice que «se compensa»

Hay un error muy extendido, la falacia del jugador: creer que si una moneda sin trampa lleva cinco caras seguidas, «ya le toca» salir sello para compensar. Es falso. La moneda no recuerda lo que salió; en el lanzamiento siguiente la probabilidad de sello sigue siendo $\tfrac{1}{2}$.

Entonces, ¿cómo se acerca la frecuencia relativa a $\tfrac{1}{2}$? No porque los sellos «vuelvan» a ponerse al día, sino porque esas cinco caras de más quedan diluidas entre cientos o miles de lanzamientos nuevos. Cinco caras de más pesan mucho en 10 lanzamientos y casi nada en 1000. La ley habla de la proporción, no de que la diferencia entre caras y sellos se vuelva cero; esa diferencia puede incluso crecer, mientras la proporción se estabiliza.

Predecir con la frecuencia relativa

Si la probabilidad estimada de un evento es $p$, en $N$ repeticiones nuevas se espera que ocurra cerca de $N \cdot p$ veces. Es una predicción aproximada: el número real puede quedar un poco por encima o por debajo, y eso no contradice la estimación.

501001502002500,10,20,30,40,50,60,7xy(10; 0,6)(200; 0,38)

Frecuencia relativa de «punta arriba» según el número de lanzamientos de la tabla: al principio salta y después se queda cerca de 0,38. El eje horizontal es el número de lanzamientos; el vertical, la frecuencia relativa.

Ejemplo resuelto

Las frecuencias relativas de la tabla

Con los datos de la tabla, calcula la frecuencia relativa de «punta arriba» y la de «de lado» a los 200 lanzamientos, y compárala con la de los primeros 20.

Ver la solución paso a paso
  1. A los 200 lanzamientos la chinche quedó punta arriba 76 veces. La frecuencia relativa es la frecuencia absoluta sobre el número de lanzamientos:

    $$\frac{76}{200}$$

  2. Simplificamos dividiendo entre 4:

    $$\frac{19}{50}$$

  3. En decimal:

    $$0{,}38$$

  4. De lado quedó en los demás lanzamientos, $200 - 76 = 124$:

    $$\frac{200 - 76}{200}$$

  5. Simplificamos:

    $$\frac{31}{50}$$

  6. Las dos frecuencias relativas suman 1, porque cada lanzamiento cae de una de las dos maneras:

    $$\frac{19}{50} + \frac{31}{50} = 1$$

  7. A los 20 lanzamientos la frecuencia relativa de «punta arriba» era $\tfrac{9}{20}$, bastante más alta. Con tan pocos datos, la estimación todavía saltaba:

    $$\frac{9}{20} - \frac{19}{50} = 0{,}07$$

  8. Conclusión: la mejor estimación que dan estos datos es la de los 200 lanzamientos. Estimamos que la probabilidad de punta arriba es cercana a $0{,}38$ y la de lado, a $0{,}62$.

Respuesta: Punta arriba: 76/200 = 0,38; de lado: 124/200 = 0,62. La de 200 lanzamientos es más confiable que la de 20 (0,45).

Ejemplo resuelto

Juntar los datos de dos grupos

Otro grupo lanzó la misma chinche, en las mismas condiciones, 100 veces, y quedó punta arriba 41 veces. Estima la probabilidad de punta arriba con los datos de los dos grupos.

Ver la solución paso a paso
  1. No se promedian las dos frecuencias relativas, porque los grupos hicieron distinto número de lanzamientos. Se suman las frecuencias absolutas y se divide entre el total de lanzamientos:

    $$\frac{76 + 41}{200 + 100}$$

  2. Hacemos las sumas:

    $$\frac{117}{300}$$

  3. En decimal:

    $$0{,}39$$

  4. Si hubiéramos promediado $0{,}38$ y $0{,}41$, habríamos obtenido $0{,}395$: le daríamos a los 100 lanzamientos del segundo grupo el mismo peso que a los 200 del primero.

Respuesta: $0{,}39$

Ejemplo resuelto

Predecir cuántas veces ocurrirá

Con la estimación de 0,39, ¿cuántas veces se espera que la chinche quede punta arriba si se lanza 500 veces más?

Ver la solución paso a paso
  1. Se espera que el evento ocurra cerca de $N \cdot p$ veces, con $N = 500$ y $p = 0{,}39$:

    $$500 \cdot 0{,}39$$

  2. Resultado:

    $$195$$

  3. Es una predicción aproximada. Si al final salen 188 o 203, no hay contradicción: la frecuencia relativa de esos 500 lanzamientos seguiría estando cerca de $0{,}39$.

Respuesta: $195$

El chinche (dato del ejemplo)SIMULACIÓNarribade lado39/100Punta ar.61/100De ladoLo esperado (probabilidad)

Simulación: una chinche que queda punta arriba con probabilidad 0,39, la estimación de la tabla. Lánzala 10, 100 y 1000 veces y mira la frecuencia relativa: con pocos lanzamientos salta y con muchos se queda cerca de 0,39. En 500 lanzamientos se esperan unas 195 veces punta arriba.

Práctica

Una tapa de gaseosa se lanzó 80 veces y cayó boca arriba 28 veces (datos inventados). ¿Cuál es la frecuencia relativa de «boca arriba»? Escríbela como decimal.

Con la misma tapa (28 veces boca arriba en 80 lanzamientos), ¿cuál es la frecuencia relativa de «boca abajo»?

Si la probabilidad estimada de que la tapa caiga boca arriba es 0,35, ¿cuántas veces se espera que caiga boca arriba en 400 lanzamientos?

¿Verdadero o falso? Una chinche se lanzó 250 veces y quedó punta arriba 95 veces; entonces la frecuencia relativa de «de lado» es 0,62.

Para estudiar un dado que parece cargado, se lanzó 600 veces y salió 6 en 150 lanzamientos (datos inventados). ¿Cuál es la frecuencia relativa del 6? Escríbela como decimal.

Dos grupos lanzan la misma tapa en las mismas condiciones. El primero obtiene 30 veces boca arriba en 50 lanzamientos; el segundo, 45 veces en 100. ¿Qué estimación de la probabilidad de «boca arriba» dan los datos juntos?

Un vivero sembró 250 semillas de una variedad nueva y germinaron 215 (datos inventados). Estima la probabilidad de que una semilla de esa variedad germine. Escríbela como decimal.

Con esos datos (215 de 250 semillas germinaron), ¿cuántas semillas se espera que germinen si el vivero siembra 1.000?

Una moneda sin trampa cayó cara en los últimos seis lanzamientos. ¿Qué se puede decir del lanzamiento siguiente?

Cuatro grupos lanzaron la misma chinche en las mismas condiciones y obtuvieron estimaciones distintas de la probabilidad de punta arriba. ¿Cuál merece más confianza?

Reto

Completa el informe del experimento.

Un grupo lanzó una tapa 50 veces y cayó boca arriba 21 veces. Elige el valor de cada hueco.

Reto

El crucigrama de la probabilidad frecuencial.

Lee cada pista y escribe la palabra. No lleva tildes.

Cierre

En resumen

  • La frecuencia relativa de un evento es n_A / n: las veces que ocurrió dividido entre las veces que se repitió el experimento; está entre 0 y 1.

  • Al repetir muchas veces, la frecuencia relativa se estabiliza alrededor de un valor (ley de los grandes números), y ese valor estima la probabilidad.

  • La frecuencia relativa estima la probabilidad, no la da exacta; otra serie de repeticiones da otra estimación, y con más datos la estimación es más confiable.

  • Los resultados no se compensan: una moneda no tiene memoria. La proporción se estabiliza porque las rachas se diluyen entre muchos lanzamientos.

  • En N repeticiones se espera que un evento de probabilidad p ocurra cerca de N · p veces.

Vocabulario

Experimento aleatorio

Experimento que se puede repetir en las mismas condiciones y cuyo resultado no se puede anticipar con certeza.

Frecuencia absoluta

El número de veces que ocurrió un evento en una serie de repeticiones.

Frecuencia relativa

La frecuencia absoluta dividida entre el número de repeticiones. Siempre está entre 0 y 1.

Probabilidad frecuencial

La estimación de la probabilidad de un evento que se obtiene con su frecuencia relativa en muchas repeticiones.

Ley de los grandes números

Al aumentar el número de repeticiones, la frecuencia relativa de un evento tiende a acercarse a su probabilidad.

Guía para el docente

Tiempos

Preguntas para el salón

Errores típicos

Tarea sugerida

Plantear una pregunta que solo se pueda responder con un experimento (por ejemplo, la probabilidad de que un vaso plástico caiga de pie), lanzar el objeto 60 veces, anotar la frecuencia relativa acumulada cada 10 lanzamientos y explicar si se estabiliza.