Libro de las inferencias estadísticas

4. Distribución muestral de la media: idea intuitiva

Objetivo de aprendizaje

  • Comprender intuitivamente que distintas muestras de una misma población pueden producir distintas medias muestrales.
  • Interpretar la distribución muestral de la media como el conjunto de medias obtenidas al repetir muchas veces un mismo proceso de muestreo.
  • Reconocer que las medias muestrales suelen concentrarse alrededor de la media poblacional.

Muchas muestras, muchas medias

Cuando se toma una sola muestra, se obtiene una sola media muestral \(\bar{x}\).

Pero si se tomaran muchas muestras del mismo tamaño desde la misma población, cada muestra podría entregar una media distinta.

El conjunto de todas esas medias muestrales permite estudiar cómo varía \(\bar{x}\) de una muestra a otra.

Distribución muestral de la media

La distribución muestral de la media es la distribución formada por las medias muestrales que se obtendrían al repetir muchas veces el muestreo bajo las mismas condiciones.

La idea puede resumirse así:

\[ \text{muestra 1} \longrightarrow \bar{x}_1 \]

\[ \text{muestra 2} \longrightarrow \bar{x}_2 \]

\[ \text{muestra 3} \longrightarrow \bar{x}_3 \]

\[ \text{muchas muestras} \longrightarrow \text{muchas medias muestrales} \]

Atención

La distribución muestral de la media no está formada por los datos individuales de una muestra.

Está formada por medias muestrales.

Es decir, cada valor de esta distribución es una media \(\bar{x}\), no un dato individual.

Ejemplo 1: varias muestras de una misma población

Supongamos que se quiere estimar la media de horas de estudio semanal de una población de estudiantes.

Se toman \(6\) muestras aleatorias del mismo tamaño y se calcula la media de cada una:

Muestra Media muestral
Muestra 1 \(\bar{x}_1=5{,}8\)
Muestra 2 \(\bar{x}_2=6{,}1\)
Muestra 3 \(\bar{x}_3=5{,}9\)
Muestra 4 \(\bar{x}_4=6{,}3\)
Muestra 5 \(\bar{x}_5=6{,}0\)
Muestra 6 \(\bar{x}_6=5{,}7\)

El siguiente gráfico muestra esas medias muestrales:

Las medias no son exactamente iguales, aunque todas provienen de muestras de la misma población.

La distribución formada por estas medias muestrales muestra cómo puede variar \(\bar{x}\) al repetir el muestreo.

Ejemplo 2: medias muestrales alrededor de la media poblacional

Supongamos que la media real de una población es:

\[ \mu=6{,}0 \]

Al tomar varias muestras, se obtienen las siguientes medias:

\[ 5{,}8,\ 6{,}1,\ 5{,}9,\ 6{,}3,\ 6{,}0,\ 5{,}7 \]

Algunas medias quedan bajo \(6{,}0\), otras quedan sobre \(6{,}0\), y una coincide con \(6{,}0\).

Esto es esperable: las medias muestrales varían, pero suelen ubicarse alrededor de la media poblacional.

Ejemplo 3: no confundir datos con medias

Una muestra de \(5\) estudiantes registra las siguientes horas de estudio:

\[ 4,\ 6,\ 5,\ 7,\ 8 \]

Estos son datos individuales.

La media de esa muestra es:

\[ \bar{x}=\frac{4+6+5+7+8}{5}=6 \]

Si se repite el proceso con muchas muestras, la distribución muestral no se forma con valores como \(4,\ 6,\ 5,\ 7,\ 8\), sino con medias como:

\[ \bar{x}_1,\ \bar{x}_2,\ \bar{x}_3,\ldots \]

Por eso, la distribución muestral de la media estudia el comportamiento de las medias muestrales.

Idea clave

Una media muestral puede cambiar de una muestra a otra.

La distribución muestral de la media permite estudiar esa variación.

Esta idea será necesaria para comprender el error estándar, el margen de error y los intervalos de confianza.

Ejercicios progresivos a desafiantes

Ejercicio 1: reconocer qué forma la distribución muestral

Un estudiante afirma:

“La distribución muestral de la media está formada por todos los datos individuales de una muestra”.

Explica por qué esta afirmación es incorrecta.

Ejercicio 2: calcular medias de varias muestras

Se toman tres muestras de tamaño \(4\) desde una misma población:

Muestra Datos
Muestra A \(6,\ 7,\ 5,\ 6\)
Muestra B \(8,\ 6,\ 7,\ 7\)
Muestra C \(5,\ 6,\ 6,\ 7\)
  1. Calcula la media de cada muestra.
  2. Escribe el conjunto de medias muestrales obtenidas.

Ejercicio 3: interpretar variación entre medias

Cuatro muestras aleatorias de una misma población entregan las siguientes medias:

\[ \bar{x}_1=12{,}4,\quad \bar{x}_2=12{,}8,\quad \bar{x}_3=12{,}6,\quad \bar{x}_4=12{,}5 \]

¿Por qué no todas las medias son exactamente iguales?

Ejercicio 4: medias alrededor de un parámetro

La media poblacional de una variable es \(\mu=50\).

Se obtienen las siguientes medias muestrales:

\[ 48{,}9,\ 50{,}4,\ 49{,}7,\ 51{,}1,\ 49{,}8,\ 50{,}2 \]

  1. ¿Las medias muestrales coinciden exactamente con \(\mu\)?
  2. ¿Qué se puede decir sobre su ubicación respecto de \(\mu=50\)?

Ejercicio 5: datos individuales o medias muestrales

Clasifica cada conjunto como “datos individuales” o “medias muestrales”.

  1. \(5,\ 7,\ 6,\ 8,\ 4\), obtenidos al medir a cinco estudiantes de una muestra.
  2. \(\bar{x}_1=6{,}2,\ \bar{x}_2=5{,}9,\ \bar{x}_3=6{,}4\), obtenidas al repetir tres veces el muestreo.
  3. \(120,\ 135,\ 128,\ 140\), pesos de cuatro productos seleccionados.
  4. \(\bar{x}_1=128{,}5,\ \bar{x}_2=131{,}2,\ \bar{x}_3=129{,}8\), medias de tres muestras de productos.

Ejercicio 6: comparar dos situaciones

Situación A: se mide a \(30\) estudiantes y se registran sus tiempos de traslado.

Situación B: se toman \(20\) muestras de \(30\) estudiantes cada una y se calcula la media de tiempo de traslado en cada muestra.

  1. ¿Cuál situación produce datos individuales?
  2. ¿Cuál situación puede formar una distribución muestral de la media?
  3. Justifica tu respuesta.

Ejercicio 7: caso desafiante

Una empresa quiere estudiar la masa promedio de sus paquetes. Para comprender la variabilidad del muestreo, toma \(5\) muestras aleatorias del mismo tamaño y obtiene las siguientes medias:

Muestra Media muestral
A \(498\) g
B \(501\) g
C \(499\) g
D \(503\) g
E \(500\) g
  1. ¿Qué valores formarían la distribución muestral observada?
  2. Explica por qué estos valores no son datos individuales.
  3. Si la masa promedio esperada es \(500\) g, ¿qué puedes decir sobre estas medias muestrales?