Distribución binomial

12. Esperanza de una binomial

Objetivo de aprendizaje

  • Calcular la esperanza de una variable aleatoria binomial.
  • Interpretar la esperanza como el número esperado de éxitos en \(n\) ensayos.

¿Qué representa la esperanza?

En una distribución binomial, la variable \(X\) cuenta cuántos éxitos ocurren en \(n\) ensayos.

La esperanza matemática indica cuántos éxitos se esperan en promedio si el experimento se repitiera muchas veces bajo las mismas condiciones.

No significa que ese número de éxitos tenga que ocurrir exactamente en cada realización del experimento.

Fórmula de la esperanza binomial

Si \(X\sim B(n,p)\), entonces la esperanza de \(X\) es:

\[ E(X)=np \]

donde:

  • \(n\) es el número de ensayos.
  • \(p\) es la probabilidad de éxito en cada ensayo.

La esperanza se interpreta como el número promedio de éxitos esperados.

Idea clave

La fórmula \(E(X)=np\) resume una idea simple: si se realizan \(n\) ensayos y en cada uno la probabilidad de éxito es \(p\), entonces se espera aproximadamente una proporción \(p\) de éxitos sobre el total de ensayos.

Ejemplo 1: caras en una moneda

Se lanza una moneda equilibrada \(10\) veces y se define \(X\) como la cantidad de caras obtenidas.

Como la moneda es equilibrada:

\[ p=\frac{1}{2}=0{,}5 \]

Además:

\[ n=10 \]

Entonces:

\[ E(X)=np=10\cdot 0{,}5=5 \]

Esto significa que, en promedio, se esperan \(5\) caras en \(10\) lanzamientos.

En esta distribución, el valor esperado está en torno a \(X=5\).

Ejemplo 2: productos defectuosos

Una fábrica produce artículos con probabilidad de defecto \(0{,}04\). Se revisan \(80\) productos de forma independiente.

Sea \(X\) la cantidad de productos defectuosos.

Identificamos:

\[ n=80,\qquad p=0{,}04 \]

Calculamos la esperanza:

\[ E(X)=np=80\cdot 0{,}04=3{,}2 \]

Esto significa que, en promedio, se esperan \(3{,}2\) productos defectuosos por cada \(80\) revisados.

Como \(X\) cuenta productos, en una revisión real no pueden aparecer \(3{,}2\) productos defectuosos. Ese valor corresponde a un promedio esperado a largo plazo.

Ejemplo 3: respuestas en una encuesta

En una comuna, la probabilidad de que una persona responda “sí” a una pregunta es \(0{,}62\). Se encuesta de forma independiente a \(200\) personas.

Sea \(X\) la cantidad de personas que responden “sí”.

Entonces:

\[ X\sim B(200,0{,}62) \]

La esperanza es:

\[ E(X)=200\cdot 0{,}62=124 \]

Se espera que, en promedio, \(124\) de las \(200\) personas respondan “sí”.

Error frecuente

No se debe interpretar la esperanza como una predicción exacta.

Si \(E(X)=3{,}2\), no significa que necesariamente se observarán \(3{,}2\) éxitos. La variable \(X\) toma valores enteros, pero su promedio esperado puede ser decimal.

Ejercicios progresivos a desafiantes

Ejercicio 1: calcular esperanza directa

Sea \(X\sim B(12,0{,}5)\).

Calcula \(E(X)\) e interpreta el resultado.

Ejercicio 2: productos defectuosos

Una máquina produce artículos con probabilidad de defecto \(0{,}03\). Se revisan \(50\) artículos de forma independiente.

Sea \(X\) la cantidad de artículos defectuosos.

Calcula la esperanza de \(X\) e interprétala en contexto.

Ejercicio 3: encuesta

En una encuesta, la probabilidad de que una persona prefiera clases presenciales es \(0{,}70\). Se encuesta a \(90\) personas de forma independiente.

Sea \(X\) la cantidad de personas que prefieren clases presenciales.

Calcula \(E(X)\).

Ejercicio 4: prueba de verdadero o falso

Una prueba tiene \(20\) preguntas de verdadero o falso. Un estudiante responde al azar.

Sea \(X\) la cantidad de respuestas correctas.

  1. Identifica \(n\) y \(p\).
  2. Calcula \(E(X)\).
  3. Interpreta el resultado.

Ejercicio 5: interpretar una esperanza decimal

Una variable binomial \(X\) representa la cantidad de fallas detectadas en \(40\) revisiones independientes. La probabilidad de falla en cada revisión es \(0{,}08\).

  1. Calcula \(E(X)\).
  2. Explica por qué el resultado no tiene que ser un número entero.

Ejercicio 6: comparar dos situaciones binomiales

Compara las siguientes variables:

  • \(A\sim B(30,0{,}20)\)
  • \(B\sim B(50,0{,}10)\)

Calcula \(E(A)\), \(E(B)\) e indica en cuál situación se espera una mayor cantidad de éxitos.

Ejercicio 7: caso desafiante

Una campaña digital tiene una probabilidad de \(0{,}25\) de que un usuario haga clic en un enlace. Se quiere lograr una esperanza de al menos \(120\) clics.

Sea \(X\) la cantidad de clics obtenidos.

  1. Plantea una desigualdad usando \(E(X)=np\).
  2. Determina el mínimo número de usuarios a quienes se debe mostrar la campaña.
  3. Interpreta el resultado.