Matemáticas 10.º

Simulación y predicción

55 min · DBA 10

Lo que vas a aprender
  • Diseñar una simulación con monedas, dados o una tabla de números aleatorios que tenga las mismas probabilidades que la situación real.
  • Estimar una probabilidad con la frecuencia relativa de los ensayos de una simulación y compararla con la probabilidad clásica cuando se pueda calcular.
  • Usar una tabla de números aleatorios para escoger una muestra al azar.
  • Predecir cuántas veces ocurrirá un evento en n repeticiones y explicar por qué el resultado real puede ser distinto.

Para qué

¿Para qué sirve esto?

Algunos experimentos son difíciles de repetir muchas veces: no se puede presentar el mismo examen 500 veces, ni sembrar un cultivo cada semana para ver qué pasa. Pero si conoces o supones las probabilidades de cada resultado, puedes imitar la situación con objetos sencillos (una moneda, un dado, una lista de dígitos al azar) y repetir la imitación cuantas veces quieras. Eso es una simulación.

Con una simulación respondes preguntas como: si un estudiante responde al azar un examen de verdadero o falso, ¿qué tan probable es que saque casi todo bien? ¿Cuántos estudiantes de un colegio lo lograrían por pura suerte? Las mismas ideas usan los meteorólogos, los ingenieros y los epidemiólogos con computadores que hacen millones de ensayos.

Antes de empezar necesitas calcular frecuencias relativas y probabilidades con la regla de Laplace.

Explicación

Cómo se diseña una simulación

Una simulación se arma en seis pasos:

  1. Plantear la pregunta. Qué probabilidad se quiere estimar, en qué situación.
  2. Escoger el modelo. Un objeto cuyos resultados tengan las mismas probabilidades que los de la situación real. Una moneda sirve para algo de probabilidad $\tfrac{1}{2}$; un dado, para sextos; un dígito al azar, para décimos.
  3. Definir un ensayo. Qué se hace en una repetición y cuándo cuenta como éxito.
  4. Repetir muchos ensayos y registrar los resultados.
  5. Estimar la probabilidad con la frecuencia relativa de éxitos.
  6. Concluir y predecir, sin olvidar que el resultado es una estimación.

El paso delicado es el 2. Para imitar un evento de probabilidad $\tfrac{1}{3}$ con un dado, se asignan al evento dos caras (por ejemplo, 1 y 2), porque $\tfrac{2}{6} = \tfrac{1}{3}$. Para una ruleta de 4 sectores iguales sirven dos monedas: CC, CS, SC y SS son cuatro resultados equiprobables. Un dado solo no sirve, porque sus 6 caras no se reparten en 4 partes iguales, salvo que se convenga en volver a lanzar cuando salga 5 o 6.

La tabla de números aleatorios

Una tabla de números aleatorios es una lista de dígitos en la que cada dígito del 0 al 9 tiene probabilidad $\tfrac{1}{10}$ de aparecer en cada posición, sin depender de los anteriores. Esta es una tabla inventada para la lección (los espacios solo ayudan a leer):

Fila Dígitos
A 76315 41440 47869 79548
B 87171 74728 12734 29226
C 66411 74080 93816 58466
D 01127 48728 79002 55493

Con un dígito se simulan probabilidades en décimos: para un evento de probabilidad 0,3 se toman como éxito tres dígitos, por ejemplo 0, 1 y 2, y como fracaso los otros siete. Con pares de dígitos (de 00 a 99) se simulan probabilidades en centésimos: un evento de probabilidad 0,45 serían los pares del 00 al 44.

Escoger una muestra al azar

La tabla también sirve para seleccionar una muestra aleatoria, en la que cada individuo de la población tiene la misma oportunidad de salir. Para escoger 5 estudiantes de una lista de 40, se numeran del 01 al 40 y se leen pares de la tabla desde la fila A: 76, 31, 54, 14, 40, 47… Los pares mayores que 40 (y el 00) se descartan, y si un número se repite se salta. Así salen 31, 14 y 40 en la fila A, y 17 y 28 en la fila B (el segundo 17 se salta). Con esa muestra se pueden hacer predicciones sobre los 40, como en la unidad de estadística.

Predecir: el número esperado

Si un evento tiene probabilidad $p$ y el experimento se repite $n$ veces, el número esperado de veces que ocurre es

$$n \cdot p.$$

Es la mejor predicción, pero no un resultado garantizado: al lanzar un dado 60 veces se esperan 10 seises, y salir 7 o 13 es perfectamente normal. Tampoco hay compensación: si en los primeros 30 lanzamientos no salió ningún seis, los 30 siguientes no «deben» seis seises de más. Cada lanzamiento sigue teniendo probabilidad $\tfrac{1}{6}$.

Simulación y probabilidad clásica

Cuando la probabilidad se puede calcular contando, la simulación sirve para validarla: si el cálculo y la frecuencia relativa de muchos ensayos quedan cerca, hay confianza en los dos. Cuando no se puede calcular, la simulación es la herramienta para estimarla. En los dos casos, más ensayos dan una estimación más confiable: una sola fila de la tabla puede quedar lejos del valor real.

Ejemplo resuelto

Un examen respondido al azar

Un examen tiene 5 preguntas de verdadero o falso, y un estudiante las responde todas al azar. Estima con una simulación la probabilidad de que acierte al menos 4, y compárala con la probabilidad clásica.

Ver la solución paso a paso
  1. Modelo. Cada pregunta se acierta con probabilidad $\tfrac{1}{2}$, como una moneda: cara es acierto y sello es error. Ensayo: lanzar 5 monedas y contar las caras. Éxito: 4 o 5 caras.

  2. Un grupo hizo 50 ensayos (datos inventados). Salieron 0 caras 2 veces, 1 cara 8 veces, 2 caras 15 veces, 3 caras 16 veces, 4 caras 7 veces y 5 caras 2 veces. Comprobamos que suman 50:

    $$2 + 8 + 15 + 16 + 7 + 2 = 50$$

  3. Los éxitos son los ensayos con 4 o 5 caras. La frecuencia relativa es:

    $$\frac{7 + 2}{50}$$

  4. En decimal:

    $$0{,}18$$

  5. Probabilidad clásica. Lanzar 5 monedas tiene $2^5$ resultados equiprobables. Exactamente 4 caras se dan en $C(5;\ 4)$ de ellos, y 5 caras en $C(5;\ 5)$:

    $$\frac{C\left(5;\ 4\right) + C\left(5;\ 5\right)}{2^{5}}$$

  6. Es decir, 6 casos favorables de 32:

    $$\frac{6}{32}$$

  7. Simplificamos:

    $$\frac{3}{16}$$

  8. En decimal, para comparar:

    $$0{,}1875$$

  9. La simulación ($0{,}18$) quedó muy cerca del cálculo ($0{,}1875$). Con 50 ensayos no hay que esperar que coincidan exactamente.

Respuesta: Simulación: 9/50 = 0,18. Probabilidad clásica: 6/32 = 3/16 = 0,1875. Los dos valores están cerca y se validan entre sí.

Ejemplo resuelto

Una ruleta simulada con la tabla

Una ruleta inventada da premio con probabilidad 0,3. Simula 20 giros con la fila A de la tabla y luego 80 giros con las cuatro filas. ¿Qué estimación da cada simulación?

Ver la solución paso a paso
  1. Modelo. Cada dígito es un giro. Como la probabilidad es 0,3, tres dígitos son premio: 0, 1 y 2.

    $$\frac{3}{10} = 0{,}3$$

  2. En la fila A (7 6 3 1 5 4 1 4 4 0 4 7 8 6 9 7 9 5 4 8) hay 3 dígitos entre 0 y 2: el 1, el otro 1 y el 0. La frecuencia relativa es:

    $$\frac{3}{20}$$

  3. En decimal, bastante lejos de 0,3:

    $$0{,}15$$

  4. Contando igual en las filas B, C y D se obtienen 8, 5 y 8 premios. Con los 80 giros:

    $$\frac{3 + 8 + 5 + 8}{80}$$

  5. Operamos:

    $$\frac{24}{80}$$

  6. Simplificamos:

    $$\frac{3}{10}$$

  7. Con 20 giros la estimación fue 0,15; con 80, 0,3. Una sola fila varía mucho; al juntar más ensayos la frecuencia relativa se acerca a la probabilidad del modelo. Que aquí coincida exactamente es casualidad: con otras 80 cifras podría salir 0,275 o 0,325.

Respuesta: Con la fila A: 3/20 = 0,15. Con las cuatro filas: 24/80 = 0,3. La simulación más larga es la más confiable.

La ruletaSIMULACIÓN3/10premio7/10sin prem.Lo esperado (probabilidad)

Gira la ruleta inventada 20 veces y después 100 y 1000. Con pocos giros la frecuencia relativa del premio se aleja de 0,3; con muchos, se le acerca. En 80 giros se esperan 24 premios.

Ejemplo resuelto

Predecir en un curso

En un curso de 32 estudiantes, todos responden al azar el examen de 5 preguntas de verdadero o falso. ¿Cuántos se espera que acierten al menos 4?

Ver la solución paso a paso
  1. Acertar al menos 4 de las 5 es acertar 4 o acertar las 5, entre los $2^5$ resultados posibles:

    $$\frac{C\left(5;\ 4\right) + C\left(5;\ 5\right)}{2^{5}} = \frac{3}{16}$$

  2. Con la probabilidad clásica, $p = \tfrac{3}{16}$, el número esperado es $n \cdot p$:

    $$32 \cdot \frac{3}{16}$$

  3. Resultado:

    $$6$$

  4. Con la estimación de la simulación, $p \approx 0{,}18$, la predicción es parecida:

    $$32 \cdot 0{,}18$$

  5. Resultado, que redondeamos a 6 estudiantes:

    $$5{,}76$$

  6. Se esperan unos 6 estudiantes. Podrían ser 4 u 8 sin que nada esté mal: el número esperado es una predicción, no una garantía.

Respuesta: Se esperan 32 · 3/16 = 6 estudiantes; con la estimación de la simulación, 32 · 0,18 ≈ 5,76, también unos 6.

Práctica

Quieres simular con un dado un evento de probabilidad 1/3. ¿Cuántas caras del dado debes asignar al evento?

Para simular un evento de probabilidad 0,7 con una tabla de números aleatorios, usando un dígito por ensayo, ¿cuántos dígitos distintos se toman como éxito?

Con la fila C de la tabla de la lección, y los dígitos 0, 1 y 2 como premio de la ruleta, ¿cuál es la frecuencia relativa de premio? Escríbela como decimal.

Una simulación de 80 ensayos dio 28 éxitos. ¿Qué estimación de la probabilidad del evento da?

Con esa estimación (28 éxitos en 80 ensayos), ¿cuántos éxitos se esperan en 500 repeticiones de la situación real?

Una ruleta tiene 4 sectores iguales y uno de ellos es rojo. Si se gira 200 veces, ¿cuántas veces se espera que caiga en rojo?

Juntando las cuatro filas de la tabla de la lección, con los dígitos 0, 1 y 2 como premio, ¿qué estimación de la probabilidad de premio se obtiene?

Un examen de 5 preguntas de verdadero o falso se responde al azar. ¿Cuál es la probabilidad clásica de acertar al menos 4?

En un colegio, 48 estudiantes responden al azar el mismo examen de 5 preguntas de verdadero o falso. ¿Cuántos se espera que acierten al menos 4?

La probabilidad de sacar 6 con un dado sin trampa es 1/6. Se va a lanzar 60 veces. ¿Qué afirmación es correcta?

Una ruleta inventada tiene 4 sectores iguales. ¿Cuál de estas simulaciones imita bien un giro?

Reto

Abre el candado de la simulación.

Cada pista da un dígito.

Reto

Completa el informe de la simulación del examen.

Un grupo simuló con 5 monedas un examen de 5 preguntas de verdadero o falso respondido al azar. En 40 ensayos, 8 tuvieron al menos 4 aciertos. Elige el valor de cada hueco.

Cierre

En resumen

  • Una simulación imita una situación real con un objeto cuyos resultados tienen las mismas probabilidades (monedas, dados, números aleatorios).

  • Se diseña en pasos: pregunta, modelo, ensayo, repeticiones, estimación con la frecuencia relativa y conclusión.

  • Una tabla de números aleatorios simula probabilidades en décimos (un dígito) o en centésimos (dos dígitos), y sirve para escoger muestras al azar.

  • En n repeticiones, un evento de probabilidad p ocurre cerca de n · p veces; es una predicción, no una garantía, y no hay compensación.

  • Más ensayos dan una estimación más confiable; cuando hay probabilidad clásica, la simulación sirve para validarla.

Vocabulario

Simulación

Experimento con un objeto sencillo (monedas, dados, números aleatorios) que imita las probabilidades de una situación real que es difícil o costoso repetir.

Ensayo

Una repetición completa de la simulación, que produce un resultado de la situación que se imita.

Tabla de números aleatorios

Lista de dígitos del 0 al 9 en la que cada dígito tiene la misma probabilidad de aparecer en cada posición, sin relación con los anteriores.

Número esperado

En n repeticiones de un experimento, n · p, donde p es la probabilidad del evento. Es una predicción aproximada, no un resultado seguro.

Guía para el docente

Tiempos

Preguntas para el salón

Errores típicos

Tarea sugerida

Diseñar y hacer una simulación de 30 ensayos con monedas para estimar la probabilidad de que en una familia inventada de 3 hijos, suponiendo que niño y niña son igual de probables, haya exactamente 2 niñas. Comparar la estimación con la probabilidad clásica, 3/8, y predecir cuántas de 80 familias así tendrían exactamente 2 niñas.