Distribución binomial

13. Desviación estándar de una binomial

Objetivo de aprendizaje

  • Calcular la varianza y la desviación estándar de una variable aleatoria binomial.
  • Interpretar la desviación estándar como una medida de variabilidad en la cantidad de éxitos.

¿Qué mide la desviación estándar?

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

La esperanza \(E(X)=np\) indica el número promedio de éxitos esperados.

La desviación estándar indica cuánto suelen variar los valores de \(X\) alrededor de esa esperanza.

Varianza y desviación estándar binomial

Si \(X\sim B(n,p)\), entonces:

\[ E(X)=np \]

La varianza es:

\[ Var(X)=np(1-p) \]

La desviación estándar es:

\[ \sigma=\sqrt{np(1-p)} \]

donde \(1-p\) es la probabilidad de fracaso.

Idea clave

La desviación estándar se interpreta en las mismas unidades que la variable.

Si \(X\) cuenta personas, productos, respuestas o caras, entonces \(\sigma\) también se interpreta como una variación típica en esa cantidad de éxitos.

Ejemplo 1: caras en una moneda

Se lanza una moneda equilibrada \(10\) veces. Sea \(X\) la cantidad de caras obtenidas.

Entonces:

\[ X\sim B(10,0{,}5) \]

Calculamos la esperanza:

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

Calculamos la varianza:

\[ Var(X)=np(1-p)=10\cdot 0{,}5\cdot 0{,}5=2{,}5 \]

Por lo tanto, la desviación estándar es:

\[ \sigma=\sqrt{2{,}5}\approx 1{,}58 \]

Esto significa que la cantidad de caras suele variar alrededor de \(5\) con una desviación típica aproximada de \(1{,}58\) caras.

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:

\[ n=80,\qquad p=0{,}04,\qquad 1-p=0{,}96 \]

La esperanza es:

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

La varianza es:

\[ Var(X)=80\cdot 0{,}04\cdot 0{,}96=3{,}072 \]

La desviación estándar es:

\[ \sigma=\sqrt{3{,}072}\approx 1{,}75 \]

Esto significa que se esperan \(3{,}2\) productos defectuosos en promedio, con una variación típica aproximada de \(1{,}75\) productos defectuosos.

Ejemplo 3: comparar variabilidad

Consideremos dos variables binomiales:

  • \(A\sim B(100,0{,}5)\)
  • \(B\sim B(100,0{,}1)\)

Para \(A\):

\[ \sigma_A=\sqrt{100\cdot 0{,}5\cdot 0{,}5}=\sqrt{25}=5 \]

Para \(B\):

\[ \sigma_B=\sqrt{100\cdot 0{,}1\cdot 0{,}9}=\sqrt{9}=3 \]

En este caso, \(A\) tiene mayor desviación estándar que \(B\), por lo que presenta mayor variabilidad absoluta en la cantidad de éxitos.

Error frecuente

No se debe calcular la desviación estándar como \(\sqrt{np}\).

Primero se calcula la varianza \(np(1-p)\), y luego se aplica la raíz cuadrada:

\[ \sigma=\sqrt{np(1-p)} \]

Ejercicios progresivos a desafiantes

Ejercicio 1: cálculo directo

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

  1. Calcula \(E(X)\).
  2. Calcula \(Var(X)\).
  3. Calcula la desviación estándar \(\sigma\).

Ejercicio 2: ensayos con \(p=0{,}2\)

Sea \(X\sim B(50,0{,}2)\).

Calcula la varianza y la desviación estándar de \(X\).

Ejercicio 3: productos defectuosos

Una empresa revisa \(100\) productos de forma independiente. La probabilidad de que un producto sea defectuoso es \(0{,}03\).

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

  1. Calcula \(E(X)\).
  2. Calcula \(Var(X)\).
  3. Calcula \(\sigma\).

Ejercicio 4: interpretar la desviación estándar

En una encuesta a \(200\) personas, \(X\) representa la cantidad de personas que responden “sí”.

Se sabe que:

\[ E(X)=120,\qquad \sigma\approx 6{,}93 \]

Interpreta ambos valores en contexto.

Ejercicio 5: comparar dos distribuciones

Compara las siguientes variables binomiales:

  • \(A\sim B(40,0{,}5)\)
  • \(B\sim B(40,0{,}2)\)

Calcula la desviación estándar de cada una e indica cuál tiene mayor variabilidad absoluta.

Ejercicio 6: detectar un error

Sea \(X\sim B(25,0{,}4)\). Un estudiante calcula:

\[ \sigma=\sqrt{25\cdot 0{,}4} \]

Explica el error y calcula la desviación estándar correcta.

Ejercicio 7: caso desafiante

Una campaña digital tiene probabilidad \(0{,}25\) de que un usuario haga clic en un enlace. La campaña se muestra a \(480\) usuarios de forma independiente.

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

  1. Calcula \(E(X)\).
  2. Calcula \(Var(X)\).
  3. Calcula \(\sigma\).
  4. Interpreta la desviación estándar en contexto.