Libro de las inferencias estadísticas
| Sitio: | MATEMÁTICAS × Profe Arauco |
| Curso: | Probabilidades y Estadística Descriptiva e Inferencial |
| Libro: | Libro de las inferencias estadísticas |
| Imprimido por: | Invitado |
| Día: | sábado, 25 de julio de 2026, 18:16 |
Tabla de contenidos
- 1. ¿Qué es inferir estadísticamente?
- 2. Del estadístico al parámetro
- 3. Estimación puntual y necesidad de medir incertidumbre
- 4. Distribución muestral de la media: idea intuitiva
- 5. Error estándar: idea intuitiva
- 6. Intervalo de confianza
- 7. Nivel de confianza
- 8. Margen de error
- 9. Intervalo de confianza para una media
- 10. Interpretación correcta de un intervalo
- 11. Hipótesis estadística
- 12. Hipótesis nula y alternativa
- 13. Nivel de significancia
- 14. Prueba de hipótesis para una media: versión escolar
- 15. Valor p: interpretación conceptual
- 16. Taller: concluir con evidencia, no con certeza absoluta
1. ¿Qué es inferir estadísticamente?
Objetivo de aprendizaje
- Comprender la inferencia estadística como el proceso de usar datos muestrales para obtener conclusiones razonables sobre una población.
- Distinguir entre describir una muestra e inferir sobre una población.
- Reconocer que una conclusión inferencial siempre se formula con incertidumbre, no como certeza absoluta.
De una muestra a una conclusión
En estadística, muchas veces no es posible estudiar a toda una población. Por eso se selecciona una muestra y se calculan estadísticos, como una media muestral \(\bar{x}\) o una proporción muestral \(\hat{p}\).
La inferencia estadística usa esos estadísticos para decir algo razonable sobre parámetros poblacionales desconocidos, como una media poblacional \(\mu\) o una proporción poblacional \(p\).
Inferir no significa demostrar una verdad absoluta. Significa usar evidencia muestral para estimar, comparar o tomar decisiones considerando que existe incertidumbre.
Idea general de la inferencia
La inferencia estadística conecta una muestra con una población:
\[ \text{muestra} \longrightarrow \text{estadístico muestral} \longrightarrow \text{conclusión sobre un parámetro} \]
Por ejemplo:
\[ \bar{x} \longrightarrow \mu \]
\[ \hat{p} \longrightarrow p \]
La media muestral \(\bar{x}\) puede usarse para estimar una media poblacional \(\mu\), y la proporción muestral \(\hat{p}\) puede usarse para estimar una proporción poblacional \(p\).
Idea central
La inferencia estadística permite concluir con evidencia, pero no con certeza absoluta.
Por eso, una conclusión inferencial debe reconocer que se basa en una muestra y que puede existir error o variabilidad muestral.
Ejemplo 1: describir una muestra e inferir sobre una población
Una orientadora selecciona aleatoriamente a \(80\) estudiantes de enseñanza media de un colegio y registra sus horas de sueño. La media muestral obtenida es:
\[ \bar{x}=7{,}1 \]
Una descripción sería:
“Los \(80\) estudiantes encuestados duermen en promedio \(7{,}1\) horas”.
Una inferencia sería:
“Como la muestra fue seleccionada aleatoriamente, la media muestral de \(7{,}1\) horas puede usarse como estimación del promedio de horas de sueño de los estudiantes de enseñanza media del colegio”.
La segunda afirmación es una inferencia porque usa la muestra para hablar de una población más grande.
Ejemplo 2: estimar una proporción poblacional
En una muestra aleatoria de \(200\) hogares de una comuna, \(128\) declaran separar residuos reciclables.
La proporción muestral es:
\[ \hat{p}=\frac{128}{200}=0{,}64 \]
Esto significa que, en la muestra, el \(64\%\) de los hogares separa residuos reciclables.
Una inferencia cuidadosa sería:
“El \(64\%\) observado en la muestra puede usarse como estimación de la proporción de hogares de la comuna que separan residuos reciclables”.
No se debe afirmar que exactamente el \(64\%\) de todos los hogares de la comuna cumple esa característica.
Ejemplo 3: inferir para tomar una decisión
Una empresa quiere saber si sus envases tienen una masa promedio cercana a \(500\) g.
Como no puede revisar todos los envases producidos, selecciona una muestra aleatoria y calcula una media muestral.
Si la muestra tiene media \(\bar{x}=497\) g, ese valor sirve como evidencia para evaluar el proceso de producción.
Sin embargo, la empresa no debería concluir inmediatamente que la media real es exactamente \(497\) g. La inferencia estadística permitirá estudiar qué tan razonable es esa diferencia respecto del valor esperado.
Error frecuente
No se debe confundir una conclusión inferencial con una certeza.
Decir “la muestra sugiere que la media poblacional está cerca de cierto valor” no es lo mismo que decir “la media poblacional es exactamente ese valor”.
Ejercicios progresivos a desafiantes
Ejercicio 1: reconocer una inferencia
En una muestra aleatoria de \(60\) estudiantes, la media de horas de estudio semanal es \(5{,}6\).
Indica cuál afirmación corresponde a una inferencia estadística:
- “Los \(60\) estudiantes encuestados estudiaron en promedio \(5{,}6\) horas semanales”.
- “La media muestral de \(5{,}6\) horas puede usarse para estimar el promedio de horas de estudio de los estudiantes de la población”.
La primera afirmación describe solamente a los \(60\) estudiantes encuestados.
La segunda afirmación usa la media de la muestra para decir algo sobre una población más grande.
Por eso, la segunda afirmación corresponde a una inferencia estadística.
La afirmación 2 corresponde a una inferencia estadística.
Ejercicio 2: identificar estadístico y parámetro
Una encuesta aleatoria a \(150\) hogares entrega que el \(58\%\) declara usar calefacción eléctrica durante el invierno.
- ¿Cuál es el estadístico muestral?
- ¿Qué parámetro poblacional se quiere estimar?
El estadístico muestral es la proporción observada en la muestra:
\[ \hat{p}=0{,}58 \]
El parámetro poblacional que se quiere estimar es la proporción real de hogares de la población que usan calefacción eléctrica durante el invierno.
Ese parámetro se representa por \(p\).
El estadístico es \(\hat{p}=0{,}58\), y estima la proporción poblacional \(p\).
Ejercicio 3: redactar una conclusión cuidadosa
Una muestra aleatoria de \(100\) estudiantes de un colegio entrega que \(72\) usan internet para estudiar.
Redacta una conclusión inferencial cuidadosa.
Primero calculamos la proporción muestral:
\[ \hat{p}=\frac{72}{100}=0{,}72 \]
Como porcentaje:
\[ 0{,}72=72\% \]
Una conclusión cuidadosa sería:
“En la muestra aleatoria, el \(72\%\) de los estudiantes declaró usar internet para estudiar. Este porcentaje puede usarse como estimación de la proporción de estudiantes del colegio que usan internet para estudiar”.
La conclusión es cuidadosa porque no afirma que el \(72\%\) sea exactamente el valor real de toda la población.
Una conclusión válida debe presentar el \(72\%\) como estimación, no como certeza absoluta.
Ejercicio 4: detectar una afirmación demasiado fuerte
En una muestra aleatoria de \(40\) estudiantes, la media de horas de sueño es \(\bar{x}=6{,}9\).
Un estudiante afirma:
“La media real de horas de sueño de todos los estudiantes es exactamente \(6{,}9\)”.
Explica por qué esta afirmación es demasiado fuerte.
La afirmación es demasiado fuerte porque trata la media muestral como si fuera necesariamente igual a la media poblacional.
El valor \(6{,}9\) fue calculado desde una muestra de \(40\) estudiantes.
En inferencia estadística, una media muestral se usa como estimación de la media poblacional, pero puede variar de una muestra a otra.
Una afirmación más adecuada sería:
“La media muestral de \(6{,}9\) horas puede usarse como estimación de la media poblacional, si la muestra representa adecuadamente a la población”.
El error es presentar una estimación muestral como si fuera una certeza exacta.
Ejercicio 5: describir o inferir
Clasifica cada afirmación como descripción o inferencia:
- “En la muestra, \(45\) de \(80\) estudiantes prefieren clases prácticas”.
- “La proporción observada en la muestra puede estimar la proporción de estudiantes del colegio que prefieren clases prácticas”.
- “El promedio de edad de las personas encuestadas fue \(34{,}5\) años”.
- “La media muestral sugiere que la edad promedio de la población está cerca de \(34{,}5\) años”.
Analizamos cada afirmación:
- Es una descripción, porque habla solo de la muestra.
- Es una inferencia, porque usa la muestra para estimar una proporción poblacional.
- Es una descripción, porque informa un resultado observado en las personas encuestadas.
- Es una inferencia, porque usa la media muestral para hablar de la población.
Las afirmaciones 1 y 3 son descripciones; las afirmaciones 2 y 4 son inferencias.
Ejercicio 6: inferencia y decisión
Una empresa afirma que la masa promedio de sus paquetes es cercana a \(1000\) g.
Una muestra aleatoria de paquetes entrega una media muestral de \(985\) g.
- ¿Qué parámetro se quiere estudiar?
- ¿Qué estadístico se observó?
- ¿Por qué no basta mirar solo \(985\) para tomar una decisión definitiva?
El parámetro que se quiere estudiar es la masa promedio real de todos los paquetes producidos por la empresa. Ese parámetro es \(\mu\).
El estadístico observado es la media muestral:
\[ \bar{x}=985 \]
No basta mirar solo \(985\) para tomar una decisión definitiva porque una media muestral puede variar de una muestra a otra.
Además, necesitamos evaluar si la diferencia entre \(985\) g y \(1000\) g puede explicarse por variabilidad muestral o si entrega evidencia suficiente de un problema en el proceso.
Se quiere estudiar \(\mu\), se observó \(\bar{x}=985\), y se necesita considerar la incertidumbre antes de decidir.
Ejercicio 7: caso desafiante
Una municipalidad quiere estimar la proporción de hogares de una comuna que reciclan. Se selecciona una muestra aleatoria de \(300\) hogares y \(195\) declaran separar residuos reciclables.
- Calcula la proporción muestral.
- Identifica el parámetro que se quiere estimar.
- Redacta una conclusión inferencial cuidadosa.
- Explica por qué esta conclusión no debe interpretarse como certeza absoluta.
Calculamos la proporción muestral:
\[ \hat{p}=\frac{195}{300}=0{,}65 \]
Como porcentaje:
\[ 0{,}65=65\% \]
El parámetro que se quiere estimar es la proporción real de hogares de la comuna que separan residuos reciclables. Ese parámetro se representa por \(p\).
Una conclusión inferencial cuidadosa sería:
“En la muestra aleatoria, el \(65\%\) de los hogares declaró separar residuos reciclables. Este resultado puede usarse como estimación de la proporción de hogares de la comuna que separan residuos reciclables”.
Esta conclusión no debe interpretarse como certeza absoluta porque se basa en una muestra. Otra muestra aleatoria podría entregar una proporción algo distinta.
\(\hat{p}=0{,}65\). Este valor estima a \(p\), pero no lo determina con certeza absoluta.
2. Del estadístico al parámetro
Objetivo de aprendizaje
- Relacionar estadísticos muestrales con los parámetros poblacionales que se desea estimar.
- Interpretar \(\bar{x}\) como estimador de \(\mu\) y \(\hat{p}\) como estimador de \(p\).
- Reconocer que un estadístico entrega evidencia sobre un parámetro, pero no necesariamente su valor exacto.
Lo que sabemos y lo que queremos saber
En inferencia estadística, normalmente no conocemos el valor real del parámetro poblacional.
Por ejemplo, puede que no sepamos la media real de horas de sueño de todos los estudiantes de un colegio, o la proporción real de hogares de una comuna que reciclan.
Lo que sí podemos calcular es un estadístico a partir de una muestra. Ese estadístico se usa como evidencia para aproximarnos al parámetro.
Relación entre estadístico y parámetro
| Parámetro poblacional | Estadístico muestral | Interpretación |
|---|---|---|
| \(\mu\) | \(\bar{x}\) | La media muestral estima la media poblacional. |
| \(p\) | \(\hat{p}\) | La proporción muestral estima la proporción poblacional. |
La idea central puede resumirse así:
\[ \bar{x}\ \text{estima a}\ \mu \]
\[ \hat{p}\ \text{estima a}\ p \]
Puente inferencial
El estadístico pertenece a la muestra y se puede calcular con los datos observados.
El parámetro pertenece a la población y generalmente es desconocido.
La inferencia estadística busca usar el estadístico para decir algo razonable sobre el parámetro.
Ejemplo 1: media muestral y media poblacional
Un colegio quiere estimar la media real de horas de sueño de sus estudiantes de enseñanza media.
Se selecciona una muestra aleatoria de \(80\) estudiantes y se obtiene:
\[ \bar{x}=7{,}1 \]
En este caso, el estadístico muestral es:
\[ \bar{x}=7{,}1 \]
El parámetro que se quiere estimar es:
\[ \mu=\text{media real de horas de sueño de todos los estudiantes de enseñanza media del colegio} \]
Entonces, \(\bar{x}=7{,}1\) se usa como estimación de \(\mu\).
No se afirma que \(\mu=7{,}1\) exactamente, sino que la muestra entrega evidencia para aproximar ese valor.
Ejemplo 2: proporción muestral y proporción poblacional
Una municipalidad quiere estimar la proporción real de hogares de una comuna que separan residuos reciclables.
Se toma una muestra aleatoria de \(240\) hogares y \(156\) declaran separar residuos.
Calculamos la proporción muestral:
\[ \hat{p}=\frac{156}{240}=0{,}65 \]
Como porcentaje:
\[ 0{,}65=65\% \]
El estadístico muestral es:
\[ \hat{p}=0{,}65 \]
El parámetro que se quiere estimar es:
\[ p=\text{proporción real de hogares de la comuna que separan residuos reciclables} \]
Por lo tanto, \(\hat{p}=0{,}65\) estima a \(p\).
Ejemplo 3: dos muestras pueden estimar el mismo parámetro
Una empresa quiere estimar la media real de masa de sus paquetes, representada por \(\mu\).
Dos muestras aleatorias entregan los siguientes resultados:
| Muestra | Tamaño muestral | Media muestral |
|---|---|---|
| A | \(50\) | \(\bar{x}=498\) g |
| B | \(50\) | \(\bar{x}=502\) g |
Ambas medias muestrales estiman el mismo parámetro poblacional \(\mu\).
Que no coincidan exactamente no significa que una esté necesariamente mal. La diferencia puede deberse a la variabilidad natural entre muestras.
Error frecuente
No se debe escribir que el parámetro es igual al estadístico solo porque ese fue el valor observado en la muestra.
Por ejemplo, si una muestra tiene \(\bar{x}=7{,}1\), lo correcto es decir que \(\bar{x}=7{,}1\) estima a \(\mu\), no que necesariamente \(\mu=7{,}1\).
Ejercicios progresivos a desafiantes
Ejercicio 1: identificar estadístico y parámetro
Una muestra aleatoria de \(60\) estudiantes entrega una media de \(6{,}4\) horas de estudio semanal.
- Identifica el estadístico muestral.
- Identifica el parámetro poblacional que se quiere estimar.
El estadístico muestral es el valor calculado desde la muestra.
En este caso:
\[ \bar{x}=6{,}4 \]
El parámetro que se quiere estimar es la media real de horas de estudio semanal de la población de estudiantes.
Ese parámetro se representa por:
\[ \mu \]
El estadístico es \(\bar{x}=6{,}4\), y estima la media poblacional \(\mu\).
Ejercicio 2: proporción muestral y parámetro
En una muestra aleatoria de \(180\) personas, \(117\) declaran usar transporte público para ir al trabajo.
- Calcula la proporción muestral.
- Indica qué parámetro se quiere estimar.
Calculamos la proporción muestral:
\[ \hat{p}=\frac{117}{180}=0{,}65 \]
Como porcentaje:
\[ 0{,}65=65\% \]
El parámetro que se quiere estimar es la proporción real de personas de la población que usan transporte público para ir al trabajo.
Ese parámetro se representa por \(p\).
La proporción muestral es \(\hat{p}=0{,}65\), y estima la proporción poblacional \(p\).
Ejercicio 3: completar relaciones
Completa cada relación usando \(\bar{x}\), \(\hat{p}\), \(\mu\) o \(p\):
- La media muestral se representa por ________ y estima a ________.
- La proporción muestral se representa por ________ y estima a ________.
La media muestral se representa por \(\bar{x}\) y estima a la media poblacional \(\mu\).
Entonces:
\[ \bar{x}\ \text{estima a}\ \mu \]
La proporción muestral se representa por \(\hat{p}\) y estima a la proporción poblacional \(p\).
Entonces:
\[ \hat{p}\ \text{estima a}\ p \]
Media: \(\bar{x}\) estima a \(\mu\). Proporción: \(\hat{p}\) estima a \(p\).
Ejercicio 4: detectar una confusión
Una muestra de \(100\) hogares entrega una proporción muestral de \(\hat{p}=0{,}72\).
Un estudiante afirma:
“Entonces el parámetro poblacional es exactamente \(p=0{,}72\)”.
Explica el error.
El error está en tratar la proporción muestral como si fuera necesariamente igual a la proporción poblacional.
El valor \(\hat{p}=0{,}72\) fue calculado desde una muestra.
Por lo tanto, sirve como estimación de \(p\), pero no garantiza que el valor real de \(p\) sea exactamente \(0{,}72\).
Una forma correcta de decirlo sería:
“La proporción muestral \(\hat{p}=0{,}72\) estima a la proporción poblacional \(p\)”.
\(\hat{p}=0{,}72\) es una estimación de \(p\), no necesariamente su valor exacto.
Ejercicio 5: relacionar contexto y símbolo
Indica si el parámetro que se quiere estimar corresponde a \(\mu\) o a \(p\):
- La media real de masa de todos los paquetes producidos por una máquina.
- La proporción real de estudiantes que usan bicicleta para llegar al colegio.
- El promedio real de tiempo de espera en una atención.
- La proporción real de clientes satisfechos con un servicio.
Cuando se quiere estimar un promedio o media, el parámetro es \(\mu\).
Cuando se quiere estimar una proporción, el parámetro es \(p\).
- Media real de masa: \(\mu\).
- Proporción real de estudiantes que usan bicicleta: \(p\).
- Promedio real de tiempo de espera: \(\mu\).
- Proporción real de clientes satisfechos: \(p\).
Las respuestas son: \(\mu\), \(p\), \(\mu\), \(p\).
Ejercicio 6: dos muestras, un mismo parámetro
Se quiere estimar la media real de horas de sueño de los estudiantes de un colegio.
Dos muestras aleatorias entregan:
\[ \bar{x}_1=7{,}0 \]
\[ \bar{x}_2=7{,}3 \]
¿Ambas medias muestrales pueden estimar el mismo parámetro? Justifica.
Sí, ambas medias muestrales pueden estimar el mismo parámetro.
El parámetro que se quiere estimar es la media real de horas de sueño de todos los estudiantes del colegio, es decir, \(\mu\).
Las dos medias muestrales pueden ser distintas porque provienen de muestras diferentes.
Esto no significa necesariamente que una esté mal; refleja la variabilidad natural entre muestras.
Sí, ambas estiman a \(\mu\), aunque entreguen valores distintos.
Ejercicio 7: caso desafiante
Una empresa quiere estimar la masa promedio real de todos los paquetes producidos en un día.
Selecciona una muestra aleatoria de \(64\) paquetes y obtiene una media muestral de \(985\) g.
- Identifica el estadístico muestral.
- Identifica el parámetro poblacional.
- Explica qué significa decir que \(985\) g estima al parámetro.
- Explica por qué no se debe afirmar automáticamente que la media poblacional es exactamente \(985\) g.
El estadístico muestral es la media calculada desde la muestra:
\[ \bar{x}=985 \]
El parámetro poblacional es la masa promedio real de todos los paquetes producidos en el día:
\[ \mu \]
Decir que \(985\) g estima al parámetro significa que la media muestral se usa como aproximación de la media poblacional.
No se debe afirmar automáticamente que \(\mu=985\), porque el valor proviene de una muestra. Otra muestra podría entregar una media diferente.
La inferencia estadística permitirá estudiar la incertidumbre asociada a esa estimación.
El estadístico es \(\bar{x}=985\) g y estima a la media poblacional \(\mu\).
3. Estimación puntual y necesidad de medir incertidumbre
Objetivo de aprendizaje
- Interpretar una estimación puntual como un valor muestral que aproxima un parámetro poblacional.
- Reconocer que una estimación puntual por sí sola no informa qué tan cerca está del parámetro real.
- Comprender la necesidad de medir la incertidumbre asociada a una estimación.
Una estimación puntual entrega un solo valor
Una estimación puntual es un valor calculado desde una muestra que se usa para aproximar un parámetro poblacional.
Por ejemplo, una media muestral \(\bar{x}\) puede estimar una media poblacional \(\mu\), y una proporción muestral \(\hat{p}\) puede estimar una proporción poblacional \(p\).
Sin embargo, una estimación puntual entrega solo un número. Por sí sola no indica qué tan cerca está del valor real de la población.
Estimación puntual y parámetro
| Situación | Estimación puntual | Parámetro estimado |
|---|---|---|
| Estimar una media poblacional | \(\bar{x}\) | \(\mu\) |
| Estimar una proporción poblacional | \(\hat{p}\) | \(p\) |
La relación central es:
\[ \bar{x}\ \text{estima a}\ \mu \]
\[ \hat{p}\ \text{estima a}\ p \]
¿Por qué no basta un solo número?
Si una muestra entrega \(\bar{x}=6{,}8\), ese valor puede ser una buena aproximación de \(\mu\), pero no sabemos si está muy cerca o algo lejos de la media real.
Otra muestra de la misma población podría entregar \(\bar{x}=6{,}5\) o \(\bar{x}=7{,}0\).
Por eso, en inferencia estadística no basta con calcular una estimación puntual. También interesa estudiar la incertidumbre de esa estimación.
Error de estimación como idea
El error de estimación corresponde a la diferencia entre una estimación muestral y el parámetro real que se quiere estimar.
Para una media:
\[ \bar{x}-\mu \]
Para una proporción:
\[ \hat{p}-p \]
En la práctica, normalmente no conocemos \(\mu\) ni \(p\). Por eso, no siempre podemos calcular exactamente el error de estimación.
Idea clave
La estimación puntual es el primer paso, pero no el final de la inferencia.
Después de estimar un parámetro, necesitamos estudiar cuánta incertidumbre tiene esa estimación.
Esa necesidad dará origen a ideas como distribución muestral, error estándar, margen de error e intervalo de confianza.
Ejemplo 1: una media muestral como estimación puntual
Una muestra aleatoria de \(50\) estudiantes entrega una media de horas de sueño de:
\[ \bar{x}=7{,}2 \]
Este valor es una estimación puntual de la media poblacional \(\mu\).
Una interpretación cuidadosa sería:
“La muestra entrega una media de \(7{,}2\) horas de sueño. Este valor puede usarse como estimación de la media real de horas de sueño de la población”.
No sería correcto afirmar automáticamente que:
“La media real de toda la población es exactamente \(7{,}2\) horas”.
La diferencia es importante: \(7{,}2\) es una estimación, no una certeza exacta.
Ejemplo 2: una proporción muestral como estimación puntual
Una encuesta aleatoria a \(200\) hogares muestra que \(126\) separan residuos reciclables.
Calculamos la proporción muestral:
\[ \hat{p}=\frac{126}{200}=0{,}63 \]
Como porcentaje:
\[ 0{,}63=63\% \]
El valor \(63\%\) es una estimación puntual de la proporción poblacional \(p\).
Una conclusión cuidadosa sería:
“En la muestra, el \(63\%\) de los hogares separa residuos reciclables. Este porcentaje puede estimar la proporción correspondiente en la población”.
Con solo esta estimación puntual, todavía no sabemos qué tan cerca está el \(63\%\) del valor real de la población.
Ejemplo 3: dos muestras, dos estimaciones
Se quiere estimar la proporción de estudiantes de un colegio que estudian con música.
Dos muestras aleatorias entregan los siguientes resultados:
| Muestra | Tamaño muestral | Estudiantes que estudian con música | Proporción muestral |
|---|---|---|---|
| A | \(100\) | \(58\) | \(\hat{p}=0{,}58\) |
| B | \(100\) | \(63\) | \(\hat{p}=0{,}63\) |
Ambas muestras intentan estimar el mismo parámetro poblacional \(p\).
Que las estimaciones sean distintas no significa necesariamente que una esté mal. Puede deberse a la variabilidad natural entre muestras.
Este ejemplo muestra por qué necesitamos medir la incertidumbre de una estimación.
Error frecuente
No se debe presentar una estimación puntual como si fuera el valor exacto del parámetro.
Una frase como “el \(63\%\) de toda la población separa residuos” es demasiado fuerte si solo se observó una muestra.
Es más correcto decir que el \(63\%\) observado en la muestra estima la proporción poblacional.
Ejercicios progresivos a desafiantes
Ejercicio 1: identificar una estimación puntual
Una muestra aleatoria de \(40\) estudiantes entrega una media de \(18{,}5\) minutos de traslado al colegio.
- Identifica la estimación puntual.
- Indica qué parámetro se quiere estimar.
La estimación puntual es la media muestral calculada desde la muestra:
\[ \bar{x}=18{,}5 \]
El parámetro que se quiere estimar es la media real de minutos de traslado de todos los estudiantes de la población.
Ese parámetro se representa por \(\mu\).
La estimación puntual es \(\bar{x}=18{,}5\), y estima la media poblacional \(\mu\).
Ejercicio 2: calcular e interpretar una proporción muestral
En una muestra aleatoria de \(120\) estudiantes, \(84\) declaran usar una plataforma digital para estudiar.
- Calcula la proporción muestral.
- Interpreta el resultado como estimación puntual.
- Explica por qué no debe interpretarse como certeza exacta.
Calculamos la proporción muestral:
\[ \hat{p}=\frac{84}{120}=0{,}70 \]
Como porcentaje:
\[ 0{,}70=70\% \]
Esto significa que, en la muestra, el \(70\%\) de los estudiantes declaró usar una plataforma digital para estudiar.
Este valor puede usarse como estimación puntual de la proporción poblacional \(p\).
No debe interpretarse como certeza exacta porque fue calculado desde una muestra. Otra muestra podría entregar un porcentaje diferente.
La proporción muestral es \(\hat{p}=0{,}70\), es decir, \(70\%\).
Ejercicio 3: explicar la necesidad de incertidumbre
Dos muestras aleatorias de una misma población entregan las siguientes medias de horas de sueño:
\[ \bar{x}_1=6{,}8 \]
\[ \bar{x}_2=7{,}2 \]
Explica por qué estos resultados muestran la necesidad de medir incertidumbre en una estimación.
Las dos muestras provienen de la misma población, pero entregan medias distintas.
Esto ocurre porque las muestras pueden contener estudiantes diferentes.
La diferencia entre \(6{,}8\) y \(7{,}2\) muestra que una estimación puntual puede variar de una muestra a otra.
Por eso, además de calcular una estimación, necesitamos estudiar su incertidumbre.
Las estimaciones varían entre muestras; por eso se necesita medir la incertidumbre.
Ejercicio 4: detectar una conclusión demasiado exacta
Una encuesta aleatoria a \(200\) estudiantes muestra que \(126\) prefieren evaluaciones con proyectos.
Un informe concluye:
“Exactamente el \(63\%\) de todos los estudiantes prefiere evaluaciones con proyectos”.
- Calcula la proporción muestral.
- Explica el error en la conclusión.
- Reescribe la conclusión de forma cuidadosa.
Calculamos la proporción muestral:
\[ \hat{p}=\frac{126}{200}=0{,}63 \]
Como porcentaje:
\[ 0{,}63=63\% \]
El error está en afirmar que el \(63\%\) es exactamente el valor real de toda la población.
Ese porcentaje fue obtenido desde una muestra, por lo que debe interpretarse como estimación.
Una conclusión cuidadosa sería:
“En la muestra, el \(63\%\) de los estudiantes prefirió evaluaciones con proyectos. Este porcentaje puede usarse como estimación de la proporción correspondiente en la población”.
La proporción muestral es \(63\%\), pero debe presentarse como estimación, no como certeza exacta.
Ejercicio 5: error de estimación desconocido
Una muestra entrega una media muestral de \(\bar{x}=52{,}4\).
Se quiere estimar la media poblacional \(\mu\), pero no se conoce su valor real.
- ¿Se puede calcular exactamente el error de estimación \(\bar{x}-\mu\)?
- ¿Por qué esta situación muestra la necesidad de nuevas herramientas inferenciales?
No se puede calcular exactamente el error de estimación porque no se conoce el valor real de \(\mu\).
La expresión sería:
\[ \bar{x}-\mu \]
Pero como \(\mu\) es desconocido, no podemos obtener un valor exacto para esa diferencia.
Esto muestra la necesidad de herramientas inferenciales que permitan estudiar la incertidumbre de una estimación sin conocer directamente el parámetro.
No se puede calcular exactamente el error si \(\mu\) es desconocido.
Ejercicio 6: elegir una conclusión cuidadosa
Una muestra aleatoria de \(90\) personas entrega que el \(46\%\) usa bicicleta al menos una vez por semana.
Elige la conclusión más adecuada y justifica:
- “El \(46\%\) de toda la población usa bicicleta al menos una vez por semana”.
- “En la muestra, el \(46\%\) usa bicicleta al menos una vez por semana; este valor puede estimar la proporción correspondiente en la población”.
- “La muestra demuestra que casi la mitad exacta de la población usa bicicleta”.
La conclusión más adecuada es la segunda.
La primera es demasiado fuerte porque presenta el \(46\%\) como si fuera directamente el valor poblacional.
La tercera también es demasiado fuerte porque usa la palabra “demuestra” y habla de “mitad exacta”.
La segunda reconoce que el \(46\%\) fue observado en una muestra y que puede usarse como estimación de una proporción poblacional.
La conclusión 2 es la más adecuada.
Ejercicio 7: caso desafiante
Una fábrica quiere estimar la masa promedio real de sus envases. Selecciona una muestra aleatoria de \(64\) envases y obtiene:
\[ \bar{x}=502 \]
La empresa espera que la media poblacional sea cercana a \(500\) g.
- Identifica la estimación puntual.
- Identifica el parámetro que se quiere estimar.
- Explica por qué no basta decir que \(502\) g es mayor que \(500\) g para tomar una decisión definitiva.
- Indica qué tipo de información sería útil estudiar más adelante.
La estimación puntual es la media muestral:
\[ \bar{x}=502 \]
El parámetro que se quiere estimar es la masa promedio real de todos los envases de la población:
\[ \mu \]
No basta decir que \(502\) g es mayor que \(500\) g para tomar una decisión definitiva, porque \(502\) g proviene de una muestra.
Otra muestra podría entregar una media algo distinta debido a la variabilidad muestral.
Más adelante sería útil estudiar la incertidumbre de esta estimación, por ejemplo mediante el error estándar, el margen de error o un intervalo de confianza.
\(\bar{x}=502\) estima a \(\mu\), pero se necesita medir la incertidumbre antes de tomar una decisión definitiva.
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.
La afirmación es incorrecta porque la distribución muestral de la media no está formada por datos individuales.
Está formada por medias muestrales.
Cada valor de esa distribución corresponde a una media \(\bar{x}\) calculada desde una muestra.
La distribución muestral de la media está formada por medias muestrales, no por datos individuales.
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 | \(5,\ 6,\ 6,\ 7\) |
- Calcula la media de cada muestra.
- Escribe el conjunto de medias muestrales obtenidas.
Calculamos la media de la Muestra A:
\[ \bar{x}_A=\frac{6+7+5+6}{4}=\frac{24}{4}=6 \]
Calculamos la media de la Muestra B:
\[ \bar{x}_B=\frac{8+6+7+7}{4}=\frac{28}{4}=7 \]
Calculamos la media de la Muestra C:
\[ \bar{x}_C=\frac{5+6+6+7}{4}=\frac{24}{4}=6 \]
El conjunto de medias muestrales obtenidas es:
\[ 6,\ 7,\ 6 \]
Las medias muestrales son \(\bar{x}_A=6\), \(\bar{x}_B=7\) y \(\bar{x}_C=6\).
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?
No todas las medias son iguales porque las muestras pueden contener individuos distintos.
Aunque provengan de la misma población y tengan el mismo tamaño, cada muestra puede variar.
Por eso, las medias muestrales también pueden variar.
Esta variación es parte natural del muestreo.
Las medias cambian porque cada muestra puede estar formada por datos distintos.
Ejercicio 4: medias alrededor de un parámetro
La media poblacional de una variable es \(\mu=50\).
Se obtienen las siguientes medias muestrales:
\[ 48{,}9,\ 50{,}4,\ 49{,}7,\ 51{,}1,\ 49{,}8,\ 50{,}2 \]
- ¿Las medias muestrales coinciden exactamente con \(\mu\)?
- ¿Qué se puede decir sobre su ubicación respecto de \(\mu=50\)?
No todas las medias muestrales coinciden exactamente con \(\mu=50\).
Algunas están bajo \(50\), como \(48{,}9\) y \(49{,}7\).
Otras están sobre \(50\), como \(50{,}4\) y \(51{,}1\).
Sin embargo, todas están relativamente cerca de \(50\).
Esto muestra que las medias muestrales pueden variar, pero suelen ubicarse alrededor de la media poblacional.
No coinciden todas con \(\mu\), pero se concentran alrededor de \(50\).
Ejercicio 5: datos individuales o medias muestrales
Clasifica cada conjunto como “datos individuales” o “medias muestrales”.
- \(5,\ 7,\ 6,\ 8,\ 4\), obtenidos al medir a cinco estudiantes de una muestra.
- \(\bar{x}_1=6{,}2,\ \bar{x}_2=5{,}9,\ \bar{x}_3=6{,}4\), obtenidas al repetir tres veces el muestreo.
- \(120,\ 135,\ 128,\ 140\), pesos de cuatro productos seleccionados.
- \(\bar{x}_1=128{,}5,\ \bar{x}_2=131{,}2,\ \bar{x}_3=129{,}8\), medias de tres muestras de productos.
Analizamos cada conjunto:
- Son datos individuales, porque corresponden a cinco estudiantes medidos.
- Son medias muestrales, porque cada valor es una media \(\bar{x}\) obtenida desde una muestra.
- Son datos individuales, porque corresponden a pesos de productos específicos.
- Son medias muestrales, porque corresponden a medias calculadas desde distintas muestras.
Los conjuntos 1 y 3 son datos individuales; los conjuntos 2 y 4 son medias muestrales.
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.
- ¿Cuál situación produce datos individuales?
- ¿Cuál situación puede formar una distribución muestral de la media?
- Justifica tu respuesta.
La Situación A produce datos individuales, porque se registran los tiempos de traslado de \(30\) estudiantes.
La Situación B puede formar una distribución muestral de la media, porque se calculan \(20\) medias muestrales.
Una distribución muestral de la media necesita varias medias \(\bar{x}\), obtenidas al repetir el muestreo.
A produce datos individuales; B produce medias muestrales.
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 |
- ¿Qué valores formarían la distribución muestral observada?
- Explica por qué estos valores no son datos individuales.
- Si la masa promedio esperada es \(500\) g, ¿qué puedes decir sobre estas medias muestrales?
Los valores que formarían la distribución muestral observada son las medias muestrales:
\[ 498,\ 501,\ 499,\ 503,\ 500 \]
Estos valores no son datos individuales porque cada uno resume una muestra completa.
Por ejemplo, \(498\) g no representa necesariamente un paquete individual, sino la media de una muestra de paquetes.
Respecto de \(500\) g, las medias muestrales están alrededor de ese valor: algunas quedan bajo \(500\), otras sobre \(500\), y una coincide con \(500\).
Esto muestra variabilidad entre muestras, pero también concentración alrededor del valor esperado.
La distribución muestral observada está formada por \(498,\ 501,\ 499,\ 503,\ 500\), que son medias muestrales.
5. Error estándar: idea intuitiva
Objetivo de aprendizaje
- Comprender el error estándar como una medida de la variabilidad de las medias muestrales.
- Distinguir entre error muestral y error estándar.
- Reconocer que, si el tamaño muestral aumenta, la media muestral tiende a ser más estable.
De la variabilidad entre muestras al error estándar
Cuando se toman muchas muestras de una misma población, cada muestra puede entregar una media distinta.
La distribución muestral de la media permite observar esa variación entre medias muestrales.
El error estándar resume cuánta variabilidad suelen tener esas medias muestrales.
Idea del error estándar de la media
El error estándar de la media mide cuánto suelen variar las medias muestrales \(\bar{x}\) alrededor de la media poblacional \(\mu\).
En una versión escolar, cuando se usa la desviación estándar muestral \(s\) como aproximación, se puede calcular así:
\[ EE=\frac{s}{\sqrt{n}} \]
donde \(s\) representa la desviación estándar de los datos de la muestra y \(n\) es el tamaño muestral.
No confundir
El error muestral y el error estándar no son lo mismo.
El error muestral compara una estimación puntual con el parámetro real, por ejemplo:
\[ \bar{x}-\mu \]
El error estándar, en cambio, describe cuánta variación suelen tener las medias muestrales entre sí.
Además, el error estándar no es todavía el margen de error. El margen de error se estudiará más adelante.
Ejemplo 1: medias muestrales que varían
Se toman varias muestras aleatorias de estudiantes y se calcula la media de horas de estudio semanal en cada una.
| Muestra | Media muestral |
|---|---|
| Muestra 1 | \(5{,}7\) |
| Muestra 2 | \(6{,}1\) |
| Muestra 3 | \(5{,}9\) |
| Muestra 4 | \(6{,}3\) |
| Muestra 5 | \(6{,}0\) |
| Muestra 6 | \(5{,}8\) |
El siguiente gráfico muestra las medias muestrales obtenidas:
Las medias muestrales no son iguales, pero se mantienen relativamente cercanas entre sí.
El error estándar busca resumir esa variabilidad entre medias muestrales.
Ejemplo 2: calcular un error estándar
Una muestra de \(36\) estudiantes tiene una desviación estándar de \(12\) minutos en sus tiempos de traslado al colegio.
Para estimar la variabilidad de la media muestral, calculamos:
\[ EE=\frac{s}{\sqrt{n}} \]
Reemplazamos \(s=12\) y \(n=36\):
\[ EE=\frac{12}{\sqrt{36}} \]
Como \(\sqrt{36}=6\), entonces:
\[ EE=\frac{12}{6}=2 \]
El error estándar es de \(2\) minutos.
Esto significa que las medias muestrales de muestras de tamaño \(36\) suelen variar alrededor de la media poblacional con una escala aproximada de \(2\) minutos.
Ejemplo 3: efecto del tamaño muestral
Supongamos que en dos estudios la desviación estándar es \(s=20\).
| Estudio | Tamaño muestral | Error estándar |
|---|---|---|
| A | \(n=25\) | \(EE=\frac{20}{\sqrt{25}}=\frac{20}{5}=4\) |
| B | \(n=100\) | \(EE=\frac{20}{\sqrt{100}}=\frac{20}{10}=2\) |
El estudio con mayor tamaño muestral tiene menor error estándar.
Esto significa que, manteniendo la misma variabilidad de los datos, una muestra más grande suele producir una media muestral más estable.
Idea clave
El error estándar mide la variabilidad esperada de una estimación muestral.
Mientras menor sea el error estándar, más estables suelen ser las medias muestrales.
Esta idea será fundamental para construir intervalos de confianza y analizar márgenes de error.
Ejercicios progresivos a desafiantes
Ejercicio 1: interpretar el error estándar
Explica con tus palabras qué mide el error estándar de la media.
El error estándar de la media mide cuánta variabilidad suelen tener las medias muestrales al repetir el muestreo.
No mide la variabilidad de los datos individuales directamente, sino la variabilidad de las medias calculadas desde distintas muestras.
El error estándar resume cuánto suelen variar las medias muestrales.
Ejercicio 2: calcular un error estándar
Una muestra tiene desviación estándar \(s=10\) y tamaño muestral \(n=25\).
Calcula el error estándar usando:
\[ EE=\frac{s}{\sqrt{n}} \]
Reemplazamos los datos:
\[ EE=\frac{10}{\sqrt{25}} \]
Como \(\sqrt{25}=5\), entonces:
\[ EE=\frac{10}{5}=2 \]
El error estándar es \(EE=2\).
Ejercicio 3: comparar tamaños muestrales
Dos muestras tienen la misma desviación estándar, \(s=8\), pero distinto tamaño muestral.
| Muestra | Tamaño muestral |
|---|---|
| A | \(n=16\) |
| B | \(n=64\) |
- Calcula el error estándar de cada muestra.
- Indica cuál tiene menor error estándar.
- Interpreta el resultado.
Para la muestra A:
\[ EE_A=\frac{8}{\sqrt{16}}=\frac{8}{4}=2 \]
Para la muestra B:
\[ EE_B=\frac{8}{\sqrt{64}}=\frac{8}{8}=1 \]
La muestra B tiene menor error estándar.
Esto ocurre porque tiene mayor tamaño muestral. Al aumentar \(n\), la media muestral suele ser más estable.
\(EE_A=2\) y \(EE_B=1\). La muestra B tiene menor error estándar.
Ejercicio 4: distinguir error muestral y error estándar
La media real de una población es \(\mu=80\).
Una muestra entrega \(\bar{x}=77\), con desviación estándar \(s=12\) y tamaño muestral \(n=36\).
- Calcula el error muestral \(\bar{x}-\mu\).
- Calcula el error estándar.
- Explica por qué no representan lo mismo.
Calculamos el error muestral:
\[ \bar{x}-\mu=77-80=-3 \]
Esto significa que la media muestral quedó \(3\) unidades bajo la media poblacional.
Ahora calculamos el error estándar:
\[ EE=\frac{s}{\sqrt{n}}=\frac{12}{\sqrt{36}} \]
Como \(\sqrt{36}=6\), entonces:
\[ EE=\frac{12}{6}=2 \]
El error muestral compara esta muestra con el parámetro real.
El error estándar mide la variabilidad esperada de las medias muestrales.
Error muestral: \(-3\). Error estándar: \(2\). Son conceptos distintos.
Ejercicio 5: interpretar una frase
En un estudio, el error estándar de la media es \(1{,}5\) puntos.
Un estudiante afirma:
“Eso significa que la media muestral está exactamente a \(1{,}5\) puntos de la media poblacional”.
Explica el error en la afirmación.
La afirmación es incorrecta porque el error estándar no indica el error exacto de una muestra específica.
El error estándar mide una variabilidad esperada o típica de las medias muestrales.
Una media muestral podría quedar a menos o a más de \(1{,}5\) puntos del parámetro real.
Por eso, no debe interpretarse como una distancia exacta.
El error estándar describe variabilidad típica, no el error exacto de una muestra.
Ejercicio 6: efecto de aumentar el tamaño muestral
En dos estudios se obtiene la misma desviación estándar, \(s=16\).
| Estudio | Tamaño muestral |
|---|---|
| A | \(n=16\) |
| B | \(n=64\) |
- Calcula el error estándar en cada estudio.
- Explica qué ocurre al aumentar el tamaño muestral.
Para el estudio A:
\[ EE_A=\frac{16}{\sqrt{16}}=\frac{16}{4}=4 \]
Para el estudio B:
\[ EE_B=\frac{16}{\sqrt{64}}=\frac{16}{8}=2 \]
Al aumentar el tamaño muestral de \(16\) a \(64\), el error estándar disminuye de \(4\) a \(2\).
Esto muestra que muestras más grandes suelen producir medias muestrales más estables.
\(EE_A=4\) y \(EE_B=2\). Al aumentar \(n\), disminuye el error estándar.
Ejercicio 7: caso desafiante
Una municipalidad quiere estimar el tiempo promedio de traslado al trabajo de los habitantes de una comuna.
Se selecciona una muestra aleatoria de \(81\) personas. La media muestral es \(42\) minutos y la desviación estándar muestral es \(18\) minutos.
- Identifica la estimación puntual de la media poblacional.
- Calcula el error estándar.
- Interpreta el error estándar en contexto.
- Explica por qué todavía no se debe afirmar que la media real es exactamente \(42\) minutos.
La estimación puntual de la media poblacional es la media muestral:
\[ \bar{x}=42 \]
Calculamos el error estándar:
\[ EE=\frac{s}{\sqrt{n}}=\frac{18}{\sqrt{81}} \]
Como \(\sqrt{81}=9\), entonces:
\[ EE=\frac{18}{9}=2 \]
El error estándar es de \(2\) minutos.
Esto indica que las medias muestrales de muestras de tamaño \(81\) suelen variar con una escala aproximada de \(2\) minutos.
No se debe afirmar que la media real es exactamente \(42\) minutos porque ese valor proviene de una muestra. Otra muestra podría entregar una media distinta.
La estimación puntual es \(\bar{x}=42\) minutos y el error estándar es \(EE=2\) minutos.
6. Intervalo de confianza
Objetivo de aprendizaje
- Comprender un intervalo de confianza como un rango de valores razonables para un parámetro poblacional.
- Distinguir entre una estimación puntual y una estimación por intervalo.
- Interpretar correctamente un intervalo de confianza sin tratarlo como certeza absoluta.
De un punto a un intervalo
Una estimación puntual entrega un solo valor para aproximar un parámetro poblacional.
Por ejemplo, una muestra puede entregar una media muestral de \(\bar{x}=7{,}2\) horas.
Sin embargo, como ese valor proviene de una muestra, no sabemos si coincide exactamente con la media real de la población.
Por eso, en inferencia estadística se usan intervalos de confianza: en lugar de entregar un solo número, se entrega un rango de valores razonables para el parámetro.
Idea general de un intervalo de confianza
Un intervalo de confianza se construye alrededor de una estimación puntual.
Su forma general es:
\[ \text{estimación puntual} \pm \text{margen de error} \]
Esto produce un intervalo:
\[ [\text{límite inferior},\ \text{límite superior}] \]
En esta página se trabajará la idea y la interpretación del intervalo. Más adelante se estudiará con mayor detalle el nivel de confianza y el margen de error.
Interpretación inicial
Un intervalo de confianza no afirma que todos los valores del intervalo sean igualmente correctos.
Tampoco afirma que el parámetro sea exactamente el punto medio del intervalo.
Lo que indica es que, usando la información de la muestra y un método estadístico, se obtiene un rango de valores razonables para el parámetro poblacional.
Ejemplo 1: estimación puntual versus intervalo
Una muestra aleatoria de estudiantes entrega una media muestral de horas de sueño:
\[ \bar{x}=7{,}2 \]
Esa es una estimación puntual de la media poblacional \(\mu\).
Un análisis inferencial podría entregar el siguiente intervalo de confianza:
\[ [6{,}9,\ 7{,}5] \]
Esto significa que, según la muestra y el método usado, valores entre \(6{,}9\) y \(7{,}5\) horas son razonables para la media poblacional.
La estimación puntual entrega un solo valor: \(7{,}2\).
El intervalo entrega un rango de valores posibles: desde \(6{,}9\) hasta \(7{,}5\).
Ejemplo 2: intervalo para una proporción
En una muestra aleatoria de hogares, el \(64\%\) declara separar residuos reciclables.
La proporción muestral es:
\[ \hat{p}=0{,}64 \]
Un intervalo de confianza para la proporción poblacional podría ser:
\[ [0{,}58,\ 0{,}70] \]
Como porcentaje:
\[ [58\%,\ 70\%] \]
Una interpretación cuidadosa sería:
“Según la muestra y el método utilizado, la proporción de hogares de la población que separan residuos reciclables podría estar razonablemente entre \(58\%\) y \(70\%\)”.
No sería correcto decir que exactamente el \(64\%\) de todos los hogares separa residuos.
Ejemplo 3: intervalo más estrecho e intervalo más amplio
Dos estudios buscan estimar el promedio de tiempo de traslado al colegio.
| Estudio | Estimación puntual | Intervalo de confianza |
|---|---|---|
| A | \(32\) minutos | \([30,\ 34]\) |
| B | \(32\) minutos | \([26,\ 38]\) |
Ambos estudios tienen la misma estimación puntual: \(32\) minutos.
Sin embargo, el Estudio A entrega un intervalo más estrecho, mientras que el Estudio B entrega un intervalo más amplio.
Un intervalo más amplio refleja mayor incertidumbre sobre el valor del parámetro.
Error frecuente
No se debe interpretar un intervalo de confianza como una certeza absoluta.
Por ejemplo, si se obtiene el intervalo \([6{,}9,\ 7{,}5]\), no se debe decir:
“La media poblacional está obligatoriamente dentro de ese intervalo”.
Una interpretación más cuidadosa es decir que el intervalo entrega valores razonables para el parámetro según la muestra y el método utilizado.
Ejercicios progresivos a desafiantes
Ejercicio 1: distinguir estimación puntual e intervalo
Una muestra entrega una media muestral de \(\bar{x}=18{,}4\) minutos.
Luego se construye el intervalo de confianza:
\[ [16{,}8,\ 20{,}0] \]
- Identifica la estimación puntual.
- Identifica el intervalo de confianza.
- Explica qué información adicional entrega el intervalo.
La estimación puntual es:
\[ \bar{x}=18{,}4 \]
El intervalo de confianza es:
\[ [16{,}8,\ 20{,}0] \]
La estimación puntual entrega un solo valor para aproximar la media poblacional.
El intervalo entrega un rango de valores razonables para esa media poblacional.
La estimación puntual es \(18{,}4\) y el intervalo es \([16{,}8,\ 20{,}0]\).
Ejercicio 2: interpretar un intervalo para una media
Un estudio sobre horas de sueño entrega el siguiente intervalo de confianza para la media poblacional:
\[ [6{,}7,\ 7{,}3] \]
Escribe una interpretación cuidadosa del intervalo.
El intervalo va desde \(6{,}7\) hasta \(7{,}3\) horas.
Una interpretación cuidadosa sería:
“Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(6{,}7\) y \(7{,}3\) horas son razonables para la media poblacional de horas de sueño”.
No se debe afirmar que la media real sea exactamente el punto medio ni que el intervalo entregue certeza absoluta.
El intervalo entrega un rango razonable para \(\mu\), no una certeza exacta.
Ejercicio 3: intervalo para una proporción
Una encuesta entrega el siguiente intervalo de confianza para la proporción de estudiantes que usan bicicleta para llegar al colegio:
\[ [0{,}22,\ 0{,}34] \]
- Exprésalo como porcentaje.
- Interpreta el intervalo en contexto.
Convertimos cada extremo a porcentaje:
\[ 0{,}22=22\% \]
\[ 0{,}34=34\% \]
Entonces, el intervalo es:
\[ [22\%,\ 34\%] \]
Una interpretación cuidadosa sería:
“Según la muestra y el método utilizado, la proporción de estudiantes que usan bicicleta para llegar al colegio podría estar razonablemente entre \(22\%\) y \(34\%\)”.
El intervalo corresponde a \([22\%,\ 34\%]\).
Ejercicio 4: detectar una mala interpretación
Un intervalo de confianza para la media de tiempo de traslado es:
\[ [28,\ 36] \]
Un estudiante afirma:
“La media poblacional es exactamente \(32\) minutos, porque \(32\) es el centro del intervalo”.
Explica el error en esta interpretación.
El centro del intervalo es:
\[ \frac{28+36}{2}=32 \]
Pero eso no significa que la media poblacional sea exactamente \(32\) minutos.
El intervalo indica un rango de valores razonables para la media poblacional, no un valor exacto obligatorio.
Una interpretación más adecuada sería:
“Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(28\) y \(36\) minutos son razonables para la media poblacional”.
El error es tratar el centro del intervalo como si fuera necesariamente el valor exacto del parámetro.
Ejercicio 5: comparar amplitudes
Dos estudios entregan intervalos de confianza para la media de horas de estudio semanal:
| Estudio | Intervalo de confianza |
|---|---|
| A | \([5{,}8,\ 6{,}2]\) |
| B | \([5{,}1,\ 6{,}9]\) |
- ¿Cuál intervalo es más estrecho?
- ¿Cuál intervalo refleja mayor incertidumbre?
- Justifica tu respuesta.
Calculamos la amplitud de cada intervalo.
Para el Estudio A:
\[ 6{,}2-5{,}8=0{,}4 \]
Para el Estudio B:
\[ 6{,}9-5{,}1=1{,}8 \]
El intervalo A es más estrecho.
El intervalo B es más amplio, por lo tanto refleja mayor incertidumbre sobre el parámetro.
A es más estrecho; B refleja mayor incertidumbre.
Ejercicio 6: completar una conclusión cuidadosa
Un estudio entrega el intervalo \([42,\ 48]\) para la media poblacional de minutos diarios de actividad física.
Completa la conclusión de forma cuidadosa:
“Según la muestra y el método utilizado, la media poblacional de minutos diarios de actividad física...”
Una forma adecuada de completar la conclusión es:
“Según la muestra y el método utilizado, la media poblacional de minutos diarios de actividad física podría estar razonablemente entre \(42\) y \(48\) minutos”.
Esta redacción es cuidadosa porque no presenta el intervalo como certeza absoluta.
La conclusión debe indicar un rango razonable, no una certeza exacta.
Ejercicio 7: caso desafiante
Una municipalidad estima el promedio de tiempo de traslado al trabajo en una comuna.
La estimación puntual es \(41\) minutos y el intervalo de confianza obtenido es:
\[ [37,\ 45] \]
- Identifica la estimación puntual.
- Identifica el intervalo de confianza.
- Interpreta el intervalo en contexto.
- Explica por qué no sería correcto afirmar que la media real es exactamente \(41\) minutos.
La estimación puntual es:
\[ \bar{x}=41 \]
El intervalo de confianza es:
\[ [37,\ 45] \]
Una interpretación cuidadosa sería:
“Según la muestra y el método utilizado, la media poblacional de tiempo de traslado al trabajo en la comuna podría estar razonablemente entre \(37\) y \(45\) minutos”.
No sería correcto afirmar que la media real es exactamente \(41\) minutos porque ese valor es una estimación puntual basada en una muestra.
El intervalo muestra que existe incertidumbre alrededor de esa estimación.
La estimación puntual es \(41\) y el intervalo es \([37,\ 45]\).
7. Nivel de confianza
Objetivo de aprendizaje
- Comprender el nivel de confianza como una medida de confiabilidad del método usado para construir intervalos.
- Interpretar correctamente niveles de confianza como \(90\%\), \(95\%\) y \(99\%\).
- Reconocer que aumentar el nivel de confianza suele producir intervalos más amplios.
¿Qué indica el nivel de confianza?
El nivel de confianza indica qué tan confiable es el método usado para construir un intervalo de confianza.
Por ejemplo, un nivel de confianza de \(95\%\) significa que, si se repitiera muchas veces el proceso de tomar muestras y construir intervalos con el mismo método, aproximadamente el \(95\%\) de esos intervalos contendría el parámetro poblacional.
No significa que tengamos certeza absoluta. La inferencia estadística trabaja con evidencia y con incertidumbre.
Interpretación general
Un intervalo de confianza siempre se interpreta junto con su nivel de confianza.
Por ejemplo:
\[ [6{,}8,\ 7{,}4] \quad \text{con } 95\% \text{ de confianza} \]
Una interpretación cuidadosa sería:
“Usando este método, tenemos un intervalo de valores razonables para el parámetro poblacional, construido con un nivel de confianza de \(95\%\)”.
En lenguaje escolar, también puede decirse que el intervalo fue construido mediante un método que acierta aproximadamente \(95\) de cada \(100\) veces, si se repite muchas veces bajo las mismas condiciones.
Error frecuente
No es correcto decir:
“Hay \(95\%\) de probabilidad de que el parámetro esté dentro de este intervalo”.
Una vez construido el intervalo, el parámetro poblacional es un valor fijo, aunque desconocido.
Lo correcto es interpretar el \(95\%\) como una propiedad del método de construcción de intervalos, no como una garantía absoluta para un intervalo particular.
Ejemplo 1: interpretar un intervalo con \(95\%\) de confianza
Una muestra aleatoria permite construir el siguiente intervalo para la media poblacional de horas de sueño:
\[ [6{,}8,\ 7{,}4] \]
El intervalo se construyó con un nivel de confianza de \(95\%\).
Una interpretación cuidadosa sería:
“Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(6{,}8\) y \(7{,}4\) horas son razonables para la media poblacional de horas de sueño. El método usado tiene un nivel de confianza de \(95\%\)”.
No se debe afirmar que la media poblacional sea exactamente el centro del intervalo ni que el intervalo entregue certeza absoluta.
Ejemplo 2: pensar en muchos intervalos
Supongamos que se repite \(100\) veces el proceso de tomar una muestra y construir un intervalo de confianza del \(95\%\).
La idea del nivel de confianza indica que, aproximadamente, \(95\) de esos \(100\) intervalos contendrían el verdadero parámetro poblacional.
Los otros \(5\) podrían no contenerlo.
Esto muestra que un nivel de confianza alto no elimina completamente la posibilidad de error, pero sí describe la confiabilidad del método a largo plazo.
Ejemplo 3: comparar niveles de confianza
Con los mismos datos muestrales, se construyen tres intervalos para una media poblacional:
| Nivel de confianza | Intervalo obtenido |
|---|---|
| \(90\%\) | \([40,\ 44]\) |
| \(95\%\) | \([39,\ 45]\) |
| \(99\%\) | \([37,\ 47]\) |
El intervalo con \(90\%\) de confianza es más estrecho.
El intervalo con \(99\%\) de confianza es más amplio.
Esto ocurre porque, para tener mayor confianza, normalmente se necesita aceptar un rango más grande de valores razonables para el parámetro.
Idea clave
A mayor nivel de confianza, mayor suele ser la amplitud del intervalo.
Un intervalo más amplio refleja más seguridad del método, pero también menos precisión.
Por eso, en muchos estudios se usa \(95\%\) como un equilibrio razonable entre confianza y precisión.
Ejercicios progresivos a desafiantes
Ejercicio 1: interpretar un nivel de confianza
Un estudio entrega un intervalo de confianza del \(95\%\) para la media de tiempo de traslado al colegio.
Explica qué significa el \(95\%\) en este contexto.
El \(95\%\) indica el nivel de confianza del método usado para construir el intervalo.
Esto significa que, si se repitiera muchas veces el proceso de tomar muestras y construir intervalos con el mismo método, aproximadamente el \(95\%\) de esos intervalos contendría la media poblacional real.
No significa certeza absoluta para un intervalo particular.
El \(95\%\) describe la confiabilidad del método de construcción del intervalo.
Ejercicio 2: detectar una mala interpretación
Un intervalo de confianza para una media poblacional es:
\[ [28,\ 34] \]
con \(95\%\) de confianza.
Un estudiante afirma:
“Hay exactamente \(95\%\) de probabilidad de que la media poblacional esté entre \(28\) y \(34\)”.
Explica por qué esta interpretación no es adecuada.
La interpretación no es adecuada porque el parámetro poblacional es un valor fijo, aunque desconocido.
El nivel de confianza no se interpreta como una probabilidad exacta sobre ese intervalo particular.
El \(95\%\) se refiere al método: si se repitiera muchas veces el procedimiento, aproximadamente el \(95\%\) de los intervalos construidos contendría el parámetro real.
Una interpretación más cuidadosa sería:
“Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(28\) y \(34\) son razonables para la media poblacional, con un método de \(95\%\) de confianza”.
El \(95\%\) describe la confiabilidad del método, no una certeza probabilística exacta para un intervalo ya construido.
Ejercicio 3: muchos intervalos
Supongamos que se construyen \(200\) intervalos de confianza usando un método con nivel de confianza \(95\%\).
- Aproximadamente, ¿cuántos intervalos contendrían el verdadero parámetro poblacional?
- Aproximadamente, ¿cuántos podrían no contenerlo?
Si el nivel de confianza es \(95\%\), entonces aproximadamente el \(95\%\) de los intervalos contendría el verdadero parámetro.
Calculamos:
\[ 0{,}95 \cdot 200=190 \]
Por lo tanto, aproximadamente \(190\) intervalos contendrían el parámetro.
El \(5\%\) restante podría no contenerlo:
\[ 0{,}05 \cdot 200=10 \]
Aproximadamente \(190\) intervalos contendrían el parámetro y \(10\) podrían no contenerlo.
Ejercicio 4: comparar niveles de confianza
Con los mismos datos se construyen los siguientes intervalos para una media poblacional:
| Intervalo | Nivel de confianza |
|---|---|
| \([18,\ 22]\) | \(90\%\) |
| \([17,\ 23]\) | \(95\%\) |
| \([15,\ 25]\) | \(99\%\) |
- ¿Cuál intervalo es más estrecho?
- ¿Cuál intervalo es más amplio?
- ¿Qué relación observas entre nivel de confianza y amplitud del intervalo?
El intervalo más estrecho es:
\[ [18,\ 22] \]
Su amplitud es:
\[ 22-18=4 \]
El intervalo más amplio es:
\[ [15,\ 25] \]
Su amplitud es:
\[ 25-15=10 \]
Se observa que, al aumentar el nivel de confianza, el intervalo se vuelve más amplio.
Esto ocurre porque se necesita un rango mayor de valores para aumentar la confiabilidad del método.
El intervalo de \(90\%\) es más estrecho y el de \(99\%\) es más amplio.
Ejercicio 5: elegir la interpretación correcta
Un intervalo de confianza del \(95\%\) para la proporción de hogares que reciclan es:
\[ [0{,}52,\ 0{,}68] \]
Elige la interpretación más adecuada:
- “El \(95\%\) de los hogares recicla”.
- “La proporción poblacional está exactamente en el centro del intervalo”.
- “Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(52\%\) y \(68\%\) son razonables para la proporción poblacional, con un método de \(95\%\) de confianza”.
La interpretación correcta es la tercera.
La primera es incorrecta porque confunde el nivel de confianza con la proporción de hogares que reciclan.
La segunda es incorrecta porque el centro del intervalo no necesariamente es el valor exacto del parámetro.
La tercera interpretación reconoce el intervalo como un rango razonable de valores para el parámetro y menciona correctamente el nivel de confianza.
La interpretación correcta es la opción 3.
Ejercicio 6: confianza y precisión
Dos intervalos se construyen con los mismos datos:
\[ [46,\ 54] \quad \text{con } 95\% \text{ de confianza} \]
\[ [43,\ 57] \quad \text{con } 99\% \text{ de confianza} \]
- ¿Cuál tiene mayor nivel de confianza?
- ¿Cuál es más preciso en el sentido de ser más estrecho?
- Explica el intercambio entre confianza y precisión.
El intervalo con mayor nivel de confianza es:
\[ [43,\ 57] \]
porque tiene \(99\%\) de confianza.
El intervalo más preciso, en el sentido de ser más estrecho, es:
\[ [46,\ 54] \]
porque su amplitud es:
\[ 54-46=8 \]
Mientras que el intervalo de \(99\%\) tiene amplitud:
\[ 57-43=14 \]
El intercambio es que, al aumentar el nivel de confianza, el intervalo suele hacerse más amplio. Se gana confianza, pero se pierde precisión.
El \(99\%\) da mayor confianza, pero el \(95\%\) entrega un intervalo más estrecho.
Ejercicio 7: caso desafiante
Una ciudad quiere estimar el promedio de minutos diarios que sus habitantes destinan a actividad física.
Con una muestra aleatoria se construyen los siguientes intervalos:
| Nivel de confianza | Intervalo para la media |
|---|---|
| \(90\%\) | \([38,\ 44]\) |
| \(95\%\) | \([37,\ 45]\) |
| \(99\%\) | \([35,\ 47]\) |
- Interpreta el intervalo de \(95\%\) en contexto.
- Explica por qué el intervalo de \(99\%\) es más amplio.
- Indica cuál intervalo elegirías si se busca mayor precisión y cuál si se busca mayor confianza.
El intervalo de \(95\%\) es:
\[ [37,\ 45] \]
Una interpretación cuidadosa sería:
“Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(37\) y \(45\) minutos son razonables para la media poblacional de minutos diarios de actividad física, usando un método con \(95\%\) de confianza”.
El intervalo de \(99\%\) es más amplio porque se busca un mayor nivel de confianza. Para aumentar la confiabilidad del método, se necesita considerar un rango más grande de valores posibles.
Si se busca mayor precisión, se elegiría el intervalo más estrecho, que es el de \(90\%\):
\[ [38,\ 44] \]
Si se busca mayor confianza, se elegiría el intervalo de \(99\%\):
\[ [35,\ 47] \]
Mayor precisión: \(90\%\). Mayor confianza: \(99\%\).
8. Margen de error
Objetivo de aprendizaje
- Comprender el margen de error como la cantidad que se suma y se resta a una estimación puntual para construir un intervalo.
- Calcular el margen de error a partir de un intervalo de confianza.
- Interpretar el margen de error como una medida de incertidumbre, no como el error exacto cometido.
¿Qué es el margen de error?
El margen de error indica cuánto se extiende un intervalo hacia abajo y hacia arriba desde una estimación puntual.
Si una estimación puntual es \(\bar{x}=41\) y el margen de error es \(4\), entonces el intervalo se construye restando y sumando \(4\):
\[ 41-4=37 \]
\[ 41+4=45 \]
Por lo tanto, el intervalo es:
\[ [37,\ 45] \]
Forma general
Un intervalo de confianza puede expresarse como:
\[ \text{estimación puntual} \pm \text{margen de error} \]
Para una media muestral:
\[ \bar{x} \pm ME \]
donde \(ME\) representa el margen de error.
Calcular el margen de error desde un intervalo
Si se conoce un intervalo de confianza \([L,\ U]\), el margen de error corresponde a la mitad de su amplitud:
\[ ME=\frac{U-L}{2} \]
El centro del intervalo se puede calcular como:
\[ \frac{L+U}{2} \]
No confundir
El margen de error no es el error exacto de una estimación.
El error exacto sería la diferencia entre el estadístico muestral y el parámetro real, pero normalmente el parámetro no se conoce.
El margen de error expresa una cantidad de incertidumbre asociada al método usado para construir el intervalo.
Ejemplo 1: construir un intervalo con margen de error
Una muestra entrega una media muestral de:
\[ \bar{x}=52 \]
El margen de error es:
\[ ME=3 \]
Construimos el intervalo:
\[ 52-3=49 \]
\[ 52+3=55 \]
Por lo tanto:
\[ \bar{x}\pm ME=52\pm 3=[49,\ 55] \]
Una interpretación cuidadosa sería:
“Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(49\) y \(55\) son razonables para la media poblacional”.
Ejemplo 2: obtener el margen de error desde un intervalo
Un estudio entrega el intervalo de confianza:
\[ [18,\ 24] \]
Calculamos la amplitud del intervalo:
\[ 24-18=6 \]
El margen de error es la mitad de esa amplitud:
\[ ME=\frac{6}{2}=3 \]
El centro del intervalo es:
\[ \frac{18+24}{2}=21 \]
Entonces, el intervalo puede escribirse como:
\[ 21\pm 3 \]
Ejemplo 3: margen de error y amplitud del intervalo
Dos estudios estiman la misma media poblacional.
| Estudio | Estimación puntual | Margen de error | Intervalo |
|---|---|---|---|
| A | \(40\) | \(2\) | \([38,\ 42]\) |
| B | \(40\) | \(6\) | \([34,\ 46]\) |
Ambos estudios tienen la misma estimación puntual: \(40\).
El estudio B tiene mayor margen de error, por eso su intervalo es más amplio.
Un margen de error mayor refleja más incertidumbre sobre el valor del parámetro.
Ejemplo 4: margen de error y error estándar
En muchos intervalos de confianza, el margen de error se obtiene multiplicando el error estándar por un valor asociado al nivel de confianza.
En una aproximación escolar para intervalos de confianza del \(95\%\), se suele usar:
\[ ME\approx 2\cdot EE \]
Si el error estándar es \(EE=1{,}5\), entonces:
\[ ME\approx 2\cdot 1{,}5=3 \]
Si la media muestral es \(\bar{x}=28\), el intervalo aproximado sería:
\[ 28\pm 3=[25,\ 31] \]
Idea clave
El margen de error transforma una estimación puntual en un intervalo.
Una estimación puntual entrega un solo valor; el margen de error permite expresar incertidumbre alrededor de ese valor.
Mientras mayor sea el margen de error, más amplio será el intervalo.
Ejercicios progresivos a desafiantes
Ejercicio 1: construir un intervalo
Una muestra entrega una media muestral de \(\bar{x}=35\).
El margen de error es \(ME=4\).
Construye el intervalo correspondiente.
Usamos la forma:
\[ \bar{x}\pm ME \]
Reemplazamos:
\[ 35\pm 4 \]
Calculamos el límite inferior:
\[ 35-4=31 \]
Calculamos el límite superior:
\[ 35+4=39 \]
El intervalo es \([31,\ 39]\).
Ejercicio 2: calcular el margen de error
Un intervalo de confianza para una media poblacional es:
\[ [46,\ 54] \]
Calcula el margen de error.
Identificamos los extremos:
\[ L=46,\qquad U=54 \]
Calculamos la amplitud:
\[ U-L=54-46=8 \]
El margen de error es la mitad de la amplitud:
\[ ME=\frac{8}{2}=4 \]
El margen de error es \(ME=4\).
Ejercicio 3: encontrar centro y margen
Un estudio entrega el intervalo:
\[ [12{,}5,\ 17{,}5] \]
- Calcula el centro del intervalo.
- Calcula el margen de error.
- Escribe el intervalo en la forma “estimación puntual \(\pm\) margen de error”.
Calculamos el centro:
\[ \frac{12{,}5+17{,}5}{2}=\frac{30}{2}=15 \]
Calculamos el margen de error:
\[ ME=\frac{17{,}5-12{,}5}{2}=\frac{5}{2}=2{,}5 \]
Entonces, el intervalo se puede escribir como:
\[ 15\pm 2{,}5 \]
Centro: \(15\). Margen de error: \(2{,}5\). Forma: \(15\pm 2{,}5\).
Ejercicio 4: interpretar el margen de error
Una encuesta estima que el tiempo promedio de traslado es \(42\) minutos, con margen de error de \(5\) minutos.
- Construye el intervalo.
- Interpreta el resultado en contexto.
La estimación puntual es \(42\) minutos y el margen de error es \(5\) minutos.
Calculamos:
\[ 42-5=37 \]
\[ 42+5=47 \]
El intervalo es:
\[ [37,\ 47] \]
Una interpretación cuidadosa sería:
“Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(37\) y \(47\) minutos son razonables para la media poblacional de tiempo de traslado”.
El intervalo es \([37,\ 47]\) minutos.
Ejercicio 5: comparar márgenes de error
Dos estudios entregan la misma estimación puntual, \(60\), pero distintos márgenes de error:
| Estudio | Estimación puntual | Margen de error |
|---|---|---|
| A | \(60\) | \(3\) |
| B | \(60\) | \(8\) |
- Construye ambos intervalos.
- ¿Cuál intervalo es más amplio?
- ¿Cuál refleja mayor incertidumbre?
Para el estudio A:
\[ 60\pm 3=[57,\ 63] \]
Para el estudio B:
\[ 60\pm 8=[52,\ 68] \]
El intervalo B es más amplio, porque tiene mayor margen de error.
También refleja mayor incertidumbre sobre el parámetro.
A: \([57,\ 63]\). B: \([52,\ 68]\). El intervalo B es más amplio y refleja mayor incertidumbre.
Ejercicio 6: margen de error aproximado desde error estándar
Para un intervalo aproximado del \(95\%\), se usa:
\[ ME\approx 2\cdot EE \]
Una muestra tiene media \(\bar{x}=74\) y error estándar \(EE=2{,}5\).
- Calcula el margen de error aproximado.
- Construye el intervalo aproximado.
Calculamos el margen de error aproximado:
\[ ME\approx 2\cdot EE \]
\[ ME\approx 2\cdot 2{,}5=5 \]
Ahora construimos el intervalo:
\[ 74\pm 5 \]
Límite inferior:
\[ 74-5=69 \]
Límite superior:
\[ 74+5=79 \]
El margen de error aproximado es \(5\), y el intervalo es \([69,\ 79]\).
Ejercicio 7: caso desafiante
Una municipalidad estima el promedio de minutos diarios de actividad física de sus habitantes.
La estimación puntual es \(43\) minutos y el intervalo obtenido es:
\[ [38,\ 48] \]
- Identifica la estimación puntual.
- Calcula el margen de error.
- Escribe el intervalo en forma \(\bar{x}\pm ME\).
- Explica por qué el margen de error no debe interpretarse como el error exacto cometido.
La estimación puntual es:
\[ \bar{x}=43 \]
Calculamos el margen de error desde el intervalo:
\[ ME=\frac{48-38}{2}=\frac{10}{2}=5 \]
Entonces, el intervalo puede escribirse como:
\[ 43\pm 5 \]
El margen de error no es el error exacto cometido, porque el error exacto dependería de conocer la media real de la población.
Como normalmente el parámetro poblacional es desconocido, el margen de error expresa incertidumbre alrededor de la estimación, no una diferencia exacta con el verdadero valor.
Estimación puntual: \(43\). Margen de error: \(5\). Forma: \(43\pm 5\).
9. Intervalo de confianza para una media
Objetivo de aprendizaje
- Construir un intervalo de confianza aproximado para una media poblacional usando una media muestral.
- Relacionar media muestral, error estándar y margen de error en la construcción de un intervalo.
- Interpretar un intervalo de confianza para una media en contexto.
¿Qué queremos estimar?
Cuando se estudia una variable cuantitativa, muchas veces se quiere estimar una media poblacional \(\mu\).
Como normalmente no se puede medir a toda la población, se toma una muestra y se calcula la media muestral \(\bar{x}\).
Luego, para reconocer la incertidumbre de esa estimación, se construye un intervalo de confianza alrededor de \(\bar{x}\).
Intervalo de confianza aproximado para una media
En una versión escolar, un intervalo de confianza aproximado del \(95\%\) para una media puede construirse así:
\[ \bar{x} \pm ME \]
donde el margen de error se puede aproximar por:
\[ ME \approx 2\cdot EE \]
y el error estándar de la media se calcula como:
\[ EE=\frac{s}{\sqrt{n}} \]
Por lo tanto, el intervalo queda:
\[ \bar{x} \pm 2\cdot \frac{s}{\sqrt{n}} \]
Pasos para construir el intervalo
- Identificar la media muestral \(\bar{x}\).
- Calcular el error estándar \(EE=\frac{s}{\sqrt{n}}\).
- Calcular el margen de error aproximado \(ME\approx 2\cdot EE\).
- Restar y sumar el margen de error a la media muestral.
- Interpretar el intervalo en contexto.
Atención
El intervalo de confianza no dice que la media poblacional sea exactamente igual a la media muestral.
El intervalo entrega un rango de valores razonables para \(\mu\), construido a partir de la muestra y del método utilizado.
Además, en esta página usaremos la aproximación escolar \(ME\approx 2\cdot EE\) para intervalos cercanos al \(95\%\) de confianza.
Ejemplo 1: construir un intervalo para una media
Una muestra aleatoria de \(36\) estudiantes tiene una media de \(72\) puntos en una prueba.
La desviación estándar muestral es \(s=12\).
Queremos construir un intervalo de confianza aproximado del \(95\%\) para la media poblacional.
Identificamos los datos:
\[ \bar{x}=72,\qquad s=12,\qquad n=36 \]
Calculamos el error estándar:
\[ EE=\frac{s}{\sqrt{n}}=\frac{12}{\sqrt{36}} \]
Como \(\sqrt{36}=6\), entonces:
\[ EE=\frac{12}{6}=2 \]
Calculamos el margen de error aproximado:
\[ ME\approx 2\cdot EE=2\cdot 2=4 \]
Construimos el intervalo:
\[ 72\pm 4 \]
\[ [68,\ 76] \]
Una interpretación cuidadosa sería:
“Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(68\) y \(76\) puntos son razonables para la media poblacional de puntaje en la prueba”.
Ejemplo 2: intervalo en contexto
Una municipalidad quiere estimar el tiempo promedio de traslado al trabajo de los habitantes de una comuna.
Se selecciona una muestra aleatoria de \(81\) personas y se obtiene:
\[ \bar{x}=42 \text{ minutos},\qquad s=18 \text{ minutos} \]
Calculamos el error estándar:
\[ EE=\frac{18}{\sqrt{81}}=\frac{18}{9}=2 \]
Calculamos el margen de error aproximado:
\[ ME\approx 2\cdot 2=4 \]
Construimos el intervalo:
\[ 42\pm 4=[38,\ 46] \]
Por lo tanto, un intervalo de confianza aproximado del \(95\%\) para la media poblacional es:
\[ [38,\ 46] \]
Esto significa que, según la muestra y el método utilizado, el promedio real de tiempo de traslado podría estar razonablemente entre \(38\) y \(46\) minutos.
Ejemplo 3: efecto del tamaño muestral
Dos estudios tienen la misma media muestral y la misma desviación estándar, pero distinto tamaño muestral.
| Estudio | \(\bar{x}\) | \(s\) | \(n\) | \(EE=\frac{s}{\sqrt{n}}\) | Intervalo aproximado |
|---|---|---|---|---|---|
| A | \(50\) | \(20\) | \(25\) | \(\frac{20}{5}=4\) | \(50\pm 8=[42,\ 58]\) |
| B | \(50\) | \(20\) | \(100\) | \(\frac{20}{10}=2\) | \(50\pm 4=[46,\ 54]\) |
El estudio B tiene mayor tamaño muestral, por eso su error estándar es menor.
Al disminuir el error estándar, también disminuye el margen de error y el intervalo queda más estrecho.
Idea clave
Para construir un intervalo de confianza para una media, no basta con conocer \(\bar{x}\).
También se necesita considerar la variabilidad de los datos y el tamaño muestral.
El error estándar permite transformar esa información en un margen de error para construir el intervalo.
Ejercicios progresivos a desafiantes
Ejercicio 1: calcular error estándar y margen de error
Una muestra tiene desviación estándar \(s=15\) y tamaño muestral \(n=25\).
- Calcula el error estándar.
- Calcula el margen de error aproximado para un intervalo del \(95\%\), usando \(ME\approx 2\cdot EE\).
Calculamos el error estándar:
\[ EE=\frac{s}{\sqrt{n}}=\frac{15}{\sqrt{25}} \]
Como \(\sqrt{25}=5\), entonces:
\[ EE=\frac{15}{5}=3 \]
Ahora calculamos el margen de error aproximado:
\[ ME\approx 2\cdot EE=2\cdot 3=6 \]
El error estándar es \(EE=3\) y el margen de error aproximado es \(ME=6\).
Ejercicio 2: construir un intervalo
Una muestra aleatoria entrega:
\[ \bar{x}=64,\qquad s=10,\qquad n=25 \]
Construye un intervalo de confianza aproximado del \(95\%\) para la media poblacional.
Calculamos el error estándar:
\[ EE=\frac{s}{\sqrt{n}}=\frac{10}{\sqrt{25}} \]
Como \(\sqrt{25}=5\), entonces:
\[ EE=\frac{10}{5}=2 \]
Calculamos el margen de error aproximado:
\[ ME\approx 2\cdot EE=2\cdot 2=4 \]
Construimos el intervalo:
\[ 64\pm 4 \]
\[ [60,\ 68] \]
El intervalo de confianza aproximado es \([60,\ 68]\).
Ejercicio 3: interpretar un intervalo para una media
Un estudio entrega el siguiente intervalo de confianza aproximado para la media de horas de sueño de una población:
\[ [6{,}6,\ 7{,}4] \]
Escribe una interpretación cuidadosa del intervalo en contexto.
El intervalo va desde \(6{,}6\) hasta \(7{,}4\) horas.
Una interpretación cuidadosa sería:
“Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(6{,}6\) y \(7{,}4\) horas son razonables para la media poblacional de horas de sueño”.
No se debe afirmar que la media real sea exactamente el centro del intervalo.
El intervalo entrega un rango razonable para \(\mu\), no un valor exacto obligatorio.
Ejercicio 4: completar el procedimiento
Una muestra tiene:
\[ \bar{x}=28,\qquad s=12,\qquad n=36 \]
- Calcula el error estándar.
- Calcula el margen de error aproximado.
- Construye el intervalo de confianza aproximado.
Calculamos el error estándar:
\[ EE=\frac{12}{\sqrt{36}} \]
Como \(\sqrt{36}=6\):
\[ EE=\frac{12}{6}=2 \]
Calculamos el margen de error aproximado:
\[ ME\approx 2\cdot EE=2\cdot 2=4 \]
Construimos el intervalo:
\[ 28\pm 4 \]
\[ [24,\ 32] \]
\(EE=2\), \(ME=4\), intervalo \([24,\ 32]\).
Ejercicio 5: comparar dos intervalos
Dos estudios tienen la misma media muestral \(\bar{x}=80\) y la misma desviación estándar \(s=16\), pero distinto tamaño muestral.
| Estudio | Tamaño muestral |
|---|---|
| A | \(n=16\) |
| B | \(n=64\) |
- Construye el intervalo aproximado del \(95\%\) para cada estudio.
- Indica cuál intervalo es más estrecho.
- Explica por qué ocurre eso.
Para el estudio A:
\[ EE_A=\frac{16}{\sqrt{16}}=\frac{16}{4}=4 \]
\[ ME_A\approx 2\cdot 4=8 \]
\[ 80\pm 8=[72,\ 88] \]
Para el estudio B:
\[ EE_B=\frac{16}{\sqrt{64}}=\frac{16}{8}=2 \]
\[ ME_B\approx 2\cdot 2=4 \]
\[ 80\pm 4=[76,\ 84] \]
El intervalo B es más estrecho.
Esto ocurre porque el tamaño muestral es mayor, lo que disminuye el error estándar y el margen de error.
A: \([72,\ 88]\). B: \([76,\ 84]\). El intervalo B es más estrecho.
Ejercicio 6: detectar una interpretación incorrecta
Un intervalo de confianza aproximado para una media poblacional es:
\[ [48,\ 56] \]
Un estudiante afirma:
“La media poblacional es exactamente \(52\), porque \(52\) está al centro del intervalo”.
Explica el error y escribe una interpretación más adecuada.
El centro del intervalo es:
\[ \frac{48+56}{2}=52 \]
Pero eso no significa que la media poblacional sea exactamente \(52\).
El intervalo indica un rango de valores razonables para la media poblacional, no un valor exacto obligatorio.
Una interpretación más adecuada sería:
“Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(48\) y \(56\) son razonables para la media poblacional”.
El error es interpretar el centro del intervalo como si fuera necesariamente el valor exacto de \(\mu\).
Ejercicio 7: caso desafiante
Una empresa quiere estimar la masa promedio real de sus envases.
Selecciona una muestra aleatoria de \(100\) envases y obtiene:
\[ \bar{x}=502 \text{ g},\qquad s=15 \text{ g} \]
- Calcula el error estándar.
- Calcula el margen de error aproximado para un intervalo del \(95\%\).
- Construye el intervalo de confianza aproximado.
- Interpreta el intervalo en contexto.
- Explica por qué no se debe afirmar que la media real es exactamente \(502\) g.
Calculamos el error estándar:
\[ EE=\frac{s}{\sqrt{n}}=\frac{15}{\sqrt{100}} \]
Como \(\sqrt{100}=10\):
\[ EE=\frac{15}{10}=1{,}5 \]
Calculamos el margen de error aproximado:
\[ ME\approx 2\cdot EE=2\cdot 1{,}5=3 \]
Construimos el intervalo:
\[ 502\pm 3 \]
\[ [499,\ 505] \]
Una interpretación cuidadosa sería:
“Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(499\) g y \(505\) g son razonables para la masa promedio real de los envases”.
No se debe afirmar que la media real sea exactamente \(502\) g porque ese valor es una estimación puntual obtenida desde una muestra.
El intervalo expresa la incertidumbre alrededor de esa estimación.
\(EE=1{,}5\), \(ME=3\), intervalo aproximado \([499,\ 505]\).
10. Interpretación correcta de un intervalo
Objetivo de aprendizaje
- Interpretar correctamente intervalos de confianza para una media o una proporción poblacional.
- Distinguir entre el parámetro poblacional, la estimación puntual y los datos individuales.
- Reconocer interpretaciones incorrectas frecuentes de los intervalos de confianza.
¿Qué representa un intervalo de confianza?
Un intervalo de confianza entrega un rango de valores razonables para un parámetro poblacional.
Si se estudia una media, el intervalo se refiere a la media poblacional \(\mu\).
Si se estudia una proporción, el intervalo se refiere a la proporción poblacional \(p\).
El intervalo no describe directamente a cada individuo de la población, sino al parámetro que se quiere estimar.
Forma de una interpretación cuidadosa
Una interpretación adecuada debe mencionar el contexto, el parámetro y el alcance del método utilizado.
| Tipo de intervalo | Interpretación cuidadosa |
|---|---|
| Intervalo para una media \(\mu\) | Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(L\) y \(U\) son razonables para la media poblacional. |
| Intervalo para una proporción \(p\) | Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(L\) y \(U\) son razonables para la proporción poblacional. |
Errores frecuentes
No se debe interpretar un intervalo de confianza como si fuera una certeza absoluta.
Tampoco se debe decir que el intervalo contiene necesariamente al parámetro, ni que el centro del intervalo es exactamente el valor real de la población.
Otro error común es pensar que el intervalo describe a todos los datos individuales. Por ejemplo, un intervalo para la media de horas de sueño no significa que todos los estudiantes duerman dentro de ese rango.
Ejemplo 1: interpretar un intervalo para una media
Un estudio sobre horas de sueño entrega el siguiente intervalo de confianza aproximado para la media poblacional:
\[ [6{,}7,\ 7{,}5] \]
Una interpretación correcta sería:
“Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(6{,}7\) y \(7{,}5\) horas son razonables para la media poblacional de horas de sueño”.
Una interpretación incorrecta sería:
“Todos los estudiantes duermen entre \(6{,}7\) y \(7{,}5\) horas”.
El error está en confundir un intervalo para la media poblacional con un rango para los datos individuales.
Ejemplo 2: interpretar un intervalo para una proporción
Una encuesta entrega el siguiente intervalo de confianza para la proporción de hogares que separan residuos reciclables:
\[ [0{,}58,\ 0{,}70] \]
Como porcentaje:
\[ [58\%,\ 70\%] \]
Una interpretación correcta sería:
“Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(58\%\) y \(70\%\) son razonables para la proporción poblacional de hogares que separan residuos reciclables”.
No significa que exactamente el \(64\%\), el centro del intervalo, sea necesariamente la proporción real de la población.
Ejemplo 3: comparar interpretaciones
Un intervalo de confianza del \(95\%\) para la media de tiempo de traslado al colegio es:
\[ [24,\ 32] \]
| Interpretación | Evaluación |
|---|---|
| “La media poblacional podría estar razonablemente entre \(24\) y \(32\) minutos, según la muestra y el método usado”. | Correcta. |
| “Todos los estudiantes tardan entre \(24\) y \(32\) minutos”. | Incorrecta: confunde media con datos individuales. |
| “La media poblacional es exactamente \(28\) minutos”. | Incorrecta: el centro del intervalo no es necesariamente el valor exacto del parámetro. |
Idea clave
Un intervalo de confianza debe interpretarse como un rango razonable para un parámetro poblacional.
No describe obligatoriamente a cada individuo, no entrega certeza absoluta y no garantiza que el centro sea el valor exacto del parámetro.
Ejercicios progresivos a desafiantes
Ejercicio 1: interpretar un intervalo para una media
Un estudio entrega el siguiente intervalo de confianza para la media de horas de estudio semanal de una población de estudiantes:
\[ [5{,}4,\ 6{,}8] \]
Escribe una interpretación correcta del intervalo.
El intervalo va desde \(5{,}4\) hasta \(6{,}8\) horas.
Una interpretación correcta sería:
“Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(5{,}4\) y \(6{,}8\) horas son razonables para la media poblacional de horas de estudio semanal”.
No se debe afirmar que todos los estudiantes estudian entre \(5{,}4\) y \(6{,}8\) horas.
El intervalo se refiere a la media poblacional \(\mu\), no a cada estudiante individual.
Ejercicio 2: interpretar un intervalo para una proporción
Una encuesta entrega el siguiente intervalo para la proporción de estudiantes que usan bicicleta para llegar al colegio:
\[ [0{,}18,\ 0{,}30] \]
- Exprésalo como porcentaje.
- Interpreta el intervalo en contexto.
Convertimos cada extremo a porcentaje:
\[ 0{,}18=18\% \]
\[ 0{,}30=30\% \]
Entonces, el intervalo es:
\[ [18\%,\ 30\%] \]
Una interpretación correcta sería:
“Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(18\%\) y \(30\%\) son razonables para la proporción poblacional de estudiantes que usan bicicleta para llegar al colegio”.
El intervalo corresponde a \([18\%,\ 30\%]\) y se refiere a la proporción poblacional \(p\).
Ejercicio 3: detectar una interpretación incorrecta
Un intervalo de confianza para la media de edad de una población es:
\[ [15{,}8,\ 16{,}6] \]
Un estudiante afirma:
“Esto significa que todas las personas de la población tienen entre \(15{,}8\) y \(16{,}6\) años”.
Explica el error de interpretación.
El error está en interpretar el intervalo como si describiera a todos los individuos de la población.
El intervalo \([15{,}8,\ 16{,}6]\) se refiere a la media poblacional de edad, no a la edad de cada persona.
Puede haber personas con edades menores o mayores que esos valores.
Una interpretación correcta sería:
“Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(15{,}8\) y \(16{,}6\) años son razonables para la media poblacional de edad”.
El intervalo habla de la media \(\mu\), no de todos los datos individuales.
Ejercicio 4: centro del intervalo
Un intervalo de confianza para una media poblacional es:
\[ [38,\ 46] \]
Un estudiante afirma:
“La media real es exactamente \(42\), porque \(42\) está en el centro del intervalo”.
- Verifica que \(42\) es el centro del intervalo.
- Explica por qué la interpretación del estudiante es incorrecta.
Calculamos el centro del intervalo:
\[ \frac{38+46}{2}=\frac{84}{2}=42 \]
Entonces, sí, \(42\) es el centro del intervalo.
Sin embargo, eso no significa que la media real sea exactamente \(42\).
El intervalo entrega un rango de valores razonables para la media poblacional, no un valor exacto obligatorio.
El centro es \(42\), pero no necesariamente es el valor exacto de \(\mu\).
Ejercicio 5: elegir la interpretación adecuada
Un intervalo de confianza para la proporción de hogares con internet fijo es:
\[ [0{,}72,\ 0{,}84] \]
Elige la interpretación más adecuada y justifica:
- “Entre el \(72\%\) y el \(84\%\) de los hogares de la muestra tiene internet fijo”.
- “Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(72\%\) y \(84\%\) son razonables para la proporción poblacional de hogares con internet fijo”.
- “El \(78\%\) de todos los hogares tiene internet fijo, porque \(78\%\) es el centro del intervalo”.
La interpretación más adecuada es la segunda.
La primera no interpreta el intervalo como estimación de un parámetro poblacional, sino como si describiera solo la muestra.
La tercera trata el centro del intervalo como si fuera necesariamente el valor exacto de la proporción poblacional.
La segunda reconoce que el intervalo entrega valores razonables para la proporción poblacional.
La opción 2 es la interpretación correcta.
Ejercicio 6: corregir una conclusión
Un estudio entrega el intervalo:
\[ [47,\ 53] \]
para la media de puntajes de una población.
Un informe concluye:
“La media poblacional es exactamente \(50\), y todos los puntajes están entre \(47\) y \(53\)”.
Reescribe la conclusión de forma correcta.
La conclusión original tiene dos problemas.
Primero, afirma que la media poblacional es exactamente \(50\), solo porque \(50\) es el centro del intervalo.
Segundo, afirma que todos los puntajes están entre \(47\) y \(53\), pero el intervalo se refiere a la media poblacional, no a los puntajes individuales.
Una conclusión correcta sería:
“Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(47\) y \(53\) son razonables para la media poblacional de puntajes”.
El intervalo debe interpretarse como un rango razonable para \(\mu\), no como descripción de todos los datos.
Ejercicio 7: caso desafiante
Una municipalidad realiza una encuesta para estimar el promedio de minutos diarios de actividad física de sus habitantes.
El intervalo de confianza obtenido es:
\[ [36,\ 48] \]
- Identifica el parámetro al que se refiere el intervalo.
- Interpreta correctamente el intervalo en contexto.
- Explica por qué no se puede concluir que todos los habitantes realizan entre \(36\) y \(48\) minutos diarios de actividad física.
- Explica por qué no se debe afirmar que la media poblacional es exactamente \(42\) minutos.
El parámetro al que se refiere el intervalo es la media poblacional de minutos diarios de actividad física de los habitantes de la comuna:
\[ \mu \]
Una interpretación correcta sería:
“Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(36\) y \(48\) minutos son razonables para la media poblacional de minutos diarios de actividad física”.
No se puede concluir que todos los habitantes realizan entre \(36\) y \(48\) minutos diarios, porque el intervalo se refiere a la media poblacional, no a cada dato individual.
El centro del intervalo es:
\[ \frac{36+48}{2}=42 \]
Pero eso no significa que la media poblacional sea exactamente \(42\) minutos. El intervalo entrega un rango razonable, no un valor exacto obligatorio.
El intervalo se refiere a \(\mu\), se interpreta como rango razonable y no como certeza absoluta.
11. Hipótesis estadística
Objetivo de aprendizaje
- Comprender una hipótesis estadística como una afirmación sobre un parámetro poblacional.
- Distinguir entre una afirmación sobre una muestra y una hipótesis sobre una población.
- Reconocer que una hipótesis estadística se evalúa con evidencia muestral, no se demuestra con certeza absoluta.
¿Qué es una hipótesis estadística?
Una hipótesis estadística es una afirmación sobre una característica de una población.
Normalmente se refiere a un parámetro poblacional, como una media \(\mu\) o una proporción \(p\).
Por ejemplo, una empresa puede afirmar que la masa promedio de sus envases es \(500\) g. Esa afirmación habla de una media poblacional, porque se refiere a todos los envases producidos por el proceso.
Hipótesis y parámetro
Una hipótesis estadística debe referirse a una población, no solo a los datos observados en una muestra.
| Tipo de parámetro | Ejemplo de hipótesis estadística | Parámetro involucrado |
|---|---|---|
| Media poblacional | “El promedio real de masa de los envases es \(500\) g”. | \(\mu\) |
| Proporción poblacional | “La proporción real de estudiantes que usa transporte público es mayor que \(60\%\)”. | \(p\) |
De la afirmación a la evidencia
Una hipótesis estadística se plantea antes de analizar la evidencia muestral.
Luego se toma una muestra y se estudia si los datos observados apoyan o cuestionan esa afirmación.
La inferencia estadística no entrega certezas absolutas: permite decidir si la muestra entrega evidencia suficiente para considerar razonable o dudosa una afirmación sobre la población.
Ejemplo 1: hipótesis sobre una media
Una fábrica afirma que la masa promedio de sus envases es \(500\) g.
La hipótesis estadística se refiere a la media poblacional:
\[ \mu=\text{masa promedio real de todos los envases producidos} \]
La afirmación puede expresarse como:
“La media poblacional de masa de los envases es \(500\) g”.
Para evaluar esta hipótesis, se puede seleccionar una muestra de envases y calcular una media muestral \(\bar{x}\).
Si la muestra entrega \(\bar{x}=498\), ese resultado no demuestra por sí solo que la hipótesis sea falsa. Se debe analizar si la diferencia observada puede explicarse por variabilidad muestral o si es suficientemente importante para cuestionar la afirmación.
Ejemplo 2: hipótesis sobre una proporción
Una municipalidad afirma que más del \(50\%\) de los hogares de una comuna separa residuos reciclables.
La hipótesis se refiere a una proporción poblacional:
\[ p=\text{proporción real de hogares de la comuna que separan residuos reciclables} \]
La afirmación puede expresarse como:
“La proporción poblacional de hogares que separan residuos reciclables es mayor que \(50\%\)”.
Para evaluarla, se puede tomar una muestra aleatoria de hogares y calcular la proporción muestral \(\hat{p}\).
La muestra entrega evidencia, pero no una demostración absoluta.
Ejemplo 3: afirmación muestral versus hipótesis estadística
Observa estas dos afirmaciones:
| Afirmación | ¿Es hipótesis estadística? | Justificación |
|---|---|---|
| “En la muestra, \(42\) de \(60\) estudiantes usan internet para estudiar”. | No | Describe un resultado observado en la muestra. |
| “La proporción real de estudiantes del colegio que usan internet para estudiar es mayor que \(60\%\)”. | Sí | Es una afirmación sobre una proporción poblacional \(p\). |
Una hipótesis estadística habla de la población. La muestra se usa después para evaluarla.
Error frecuente
No se debe confundir una hipótesis estadística con el resultado de una muestra.
Una hipótesis plantea algo sobre la población. Un estadístico muestral entrega evidencia para analizar esa hipótesis.
Por ejemplo, \(\bar{x}=72\) es un resultado muestral; en cambio, “la media poblacional es \(70\)” es una hipótesis sobre \(\mu\).
Ejercicios progresivos a desafiantes
Ejercicio 1: reconocer una hipótesis estadística
Indica cuál de las siguientes afirmaciones corresponde a una hipótesis estadística:
- “En la muestra, la media de horas de sueño fue \(7{,}1\)”.
- “La media real de horas de sueño de los estudiantes del colegio es \(7\) horas”.
La primera afirmación describe un resultado obtenido en una muestra.
La segunda afirmación habla de la media real de toda la población de estudiantes del colegio.
Como se refiere a un parámetro poblacional, corresponde a una hipótesis estadística.
La afirmación 2 corresponde a una hipótesis estadística.
Ejercicio 2: identificar el parámetro involucrado
Una empresa afirma:
“La masa promedio real de sus paquetes es \(1000\) g”.
- ¿La afirmación se refiere a una media o a una proporción?
- ¿Qué parámetro está involucrado?
- ¿Qué estadístico muestral podría usarse para evaluarla?
La afirmación se refiere a una media, porque habla de la masa promedio real.
El parámetro involucrado es la media poblacional:
\[ \mu \]
Para evaluarla, se podría seleccionar una muestra de paquetes y calcular la media muestral:
\[ \bar{x} \]
La hipótesis se refiere a \(\mu\), y se puede evaluar usando \(\bar{x}\).
Ejercicio 3: hipótesis sobre una proporción
Un colegio afirma:
“Más del \(70\%\) de sus estudiantes usa una plataforma digital para estudiar”.
- ¿La afirmación se refiere a una media o a una proporción?
- Escribe el parámetro poblacional involucrado.
- Indica qué estadístico muestral podría usarse para evaluar la afirmación.
La afirmación se refiere a una proporción, porque habla del porcentaje de estudiantes que usa una plataforma digital.
El parámetro poblacional involucrado es:
\[ p=\text{proporción real de estudiantes del colegio que usa una plataforma digital para estudiar} \]
Para evaluar la afirmación, se puede tomar una muestra aleatoria y calcular la proporción muestral:
\[ \hat{p} \]
La hipótesis se refiere a \(p\), y puede evaluarse usando \(\hat{p}\).
Ejercicio 4: distinguir muestra y población
Una encuesta a \(120\) estudiantes entrega que \(78\) prefieren evaluaciones con proyectos.
Clasifica cada afirmación como resultado muestral o hipótesis estadística:
- “En la muestra, \(78\) de \(120\) estudiantes prefieren evaluaciones con proyectos”.
- “La proporción real de estudiantes del colegio que prefieren evaluaciones con proyectos es mayor que \(60\%\)”.
- “La proporción muestral observada es \(\hat{p}=\frac{78}{120}\)”.
La afirmación 1 es un resultado muestral, porque describe lo observado en la muestra.
La afirmación 2 es una hipótesis estadística, porque habla de una proporción real de la población.
La afirmación 3 también es un resultado muestral, porque calcula un estadístico desde la muestra.
Resultados muestrales: 1 y 3. Hipótesis estadística: 2.
Ejercicio 5: transformar una afirmación vaga
La siguiente afirmación es poco precisa:
“Los estudiantes duermen poco”.
Reescríbela como una hipótesis estadística sobre una media poblacional.
Para transformar la afirmación en una hipótesis estadística, se debe indicar una población, una variable y un parámetro.
Una posible redacción sería:
“La media real de horas de sueño de los estudiantes del colegio es menor que \(7\) horas diarias”.
Esta afirmación es más precisa porque se refiere a una media poblacional \(\mu\) y establece un valor de comparación.
Una hipótesis posible es: “\(\mu\) es menor que \(7\) horas diarias”.
Ejercicio 6: evaluar evidencia sin certeza absoluta
Una fábrica afirma que la masa promedio real de sus envases es \(500\) g.
Una muestra aleatoria entrega una media muestral de \(\bar{x}=497\) g.
Un estudiante concluye:
“La hipótesis de la fábrica es falsa, porque \(497\neq 500\)”.
Explica por qué esa conclusión es apresurada.
La conclusión es apresurada porque una media muestral puede diferir del valor poblacional por variabilidad muestral.
El hecho de que \(\bar{x}=497\) no coincida exactamente con \(500\) no demuestra automáticamente que la media poblacional sea distinta de \(500\).
Para evaluar la hipótesis, se necesita analizar si la diferencia observada es pequeña o suficientemente importante considerando la variabilidad de los datos y el tamaño muestral.
No basta comparar \(497\) con \(500\); se debe considerar la incertidumbre muestral.
Ejercicio 7: caso desafiante
Una municipalidad afirma que la proporción real de hogares que separan residuos reciclables es mayor que \(60\%\).
Se toma una muestra aleatoria de \(200\) hogares y \(132\) declaran separar residuos.
- Identifica la hipótesis estadística en palabras.
- Identifica el parámetro poblacional involucrado.
- Calcula la proporción muestral.
- Explica por qué la muestra entrega evidencia, pero no una certeza absoluta.
La hipótesis estadística es:
“La proporción real de hogares de la comuna que separan residuos reciclables es mayor que \(60\%\)”.
El parámetro involucrado es:
\[ p=\text{proporción real de hogares de la comuna que separan residuos reciclables} \]
Calculamos la proporción muestral:
\[ \hat{p}=\frac{132}{200}=0{,}66 \]
Como porcentaje:
\[ 0{,}66=66\% \]
La muestra entrega evidencia a favor de la afirmación, porque el \(66\%\) observado está por sobre el \(60\%\).
Sin embargo, no entrega certeza absoluta, porque otra muestra podría producir una proporción distinta. Para decidir formalmente se necesitarán criterios inferenciales que se estudiarán en las siguientes páginas.
La hipótesis se refiere a \(p\); la muestra entrega \(\hat{p}=0{,}66\), que es evidencia, no certeza absoluta.
12. Hipótesis nula y alternativa
Objetivo de aprendizaje
- Distinguir entre hipótesis nula e hipótesis alternativa en una situación estadística.
- Formular hipótesis usando parámetros poblacionales como \(\mu\) y \(p\).
- Reconocer si una hipótesis alternativa plantea diferencia, aumento o disminución respecto de un valor de referencia.
Dos hipótesis para comparar
En una prueba de hipótesis se plantean dos afirmaciones sobre un parámetro poblacional.
La primera se llama hipótesis nula y se representa por \(H_0\).
La segunda se llama hipótesis alternativa y se representa por \(H_1\) o \(H_a\).
Luego se usa evidencia muestral para decidir si hay razones suficientes para cuestionar la hipótesis nula.
Hipótesis nula e hipótesis alternativa
| Hipótesis | Representación | Idea central |
|---|---|---|
| Hipótesis nula | \(H_0\) | Plantea un valor de referencia, igualdad o situación inicial que se evalúa con los datos. |
| Hipótesis alternativa | \(H_1\) o \(H_a\) | Plantea la afirmación que se busca apoyar si la evidencia muestral es suficientemente fuerte. |
Siempre se formulan sobre parámetros
Las hipótesis estadísticas deben referirse a parámetros poblacionales, no a estadísticos muestrales.
Por ejemplo, se escribe:
\[ H_0:\mu=500 \]
No se escribe:
\[ H_0:\bar{x}=500 \]
La media muestral \(\bar{x}\) se usa como evidencia, pero la hipótesis se plantea sobre la media poblacional \(\mu\).
Tipos frecuentes de hipótesis alternativa
| Tipo de afirmación | Forma de \(H_1\) | Interpretación |
|---|---|---|
| Diferente de un valor | \(\mu \ne 500\) | La media poblacional no es \(500\). |
| Mayor que un valor | \(\mu > 500\) | La media poblacional es mayor que \(500\). |
| Menor que un valor | \(\mu < 500\) | La media poblacional es menor que \(500\). |
Ejemplo 1: hipótesis sobre una media
Una fábrica afirma que la masa promedio real de sus envases es \(500\) g.
El parámetro involucrado es:
\[ \mu=\text{masa promedio real de todos los envases} \]
Si se quiere evaluar si la media poblacional es distinta de \(500\) g, se pueden plantear las hipótesis:
\[ H_0:\mu=500 \]
\[ H_1:\mu\ne 500 \]
La hipótesis nula representa el valor declarado por la fábrica.
La hipótesis alternativa plantea que la media real no es \(500\) g.
Ejemplo 2: hipótesis sobre una proporción
Una municipalidad quiere evaluar si más del \(60\%\) de los hogares separa residuos reciclables.
El parámetro involucrado es:
\[ p=\text{proporción real de hogares que separan residuos reciclables} \]
En una versión escolar, se pueden plantear las hipótesis usando \(60\%\) como valor de referencia:
\[ H_0:p=0{,}60 \]
\[ H_1:p>0{,}60 \]
La hipótesis alternativa usa el signo \(>\), porque la afirmación que se quiere evaluar es que la proporción real sea mayor que \(60\%\).
Ejemplo 3: alternativa menor que un valor
Una orientadora sospecha que los estudiantes de enseñanza media duermen en promedio menos de \(7\) horas diarias.
El parámetro involucrado es:
\[ \mu=\text{media real de horas de sueño de los estudiantes} \]
Como la sospecha es “menos de \(7\) horas”, la hipótesis alternativa debe usar el signo \(<\):
\[ H_0:\mu=7 \]
\[ H_1:\mu<7 \]
La muestra se usará después para evaluar si hay evidencia suficiente a favor de la alternativa.
Error frecuente
No se debe formular la hipótesis usando el resultado de la muestra.
Por ejemplo, si una muestra entrega \(\bar{x}=497\), no corresponde escribir \(H_0:\bar{x}=497\).
La hipótesis debe hablar del parámetro poblacional, como \(\mu\) o \(p\). El estadístico muestral se usa después como evidencia.
Ejercicios progresivos a desafiantes
Ejercicio 1: identificar hipótesis nula y alternativa
Una empresa afirma que la duración promedio real de sus ampolletas es \(800\) horas.
Se quiere evaluar si la duración promedio real es distinta de \(800\) horas.
- Identifica el parámetro involucrado.
- Escribe \(H_0\).
- Escribe \(H_1\).
El parámetro involucrado es la media poblacional de duración de las ampolletas:
\[ \mu \]
La hipótesis nula plantea el valor de referencia:
\[ H_0:\mu=800 \]
Como se quiere evaluar si la duración real es distinta de \(800\), la hipótesis alternativa es:
\[ H_1:\mu\ne 800 \]
\(H_0:\mu=800\) y \(H_1:\mu\ne 800\).
Ejercicio 2: hipótesis alternativa mayor que un valor
Un colegio quiere evaluar si más del \(70\%\) de sus estudiantes usa una plataforma digital para estudiar.
- Identifica el parámetro involucrado.
- Escribe una hipótesis nula usando \(70\%\) como valor de referencia.
- Escribe la hipótesis alternativa.
El parámetro involucrado es la proporción real de estudiantes del colegio que usa una plataforma digital para estudiar:
\[ p \]
Como valor de referencia se usa \(70\%=0{,}70\):
\[ H_0:p=0{,}70 \]
La afirmación “más del \(70\%\)” se representa con el signo \(>\):
\[ H_1:p>0{,}70 \]
\(H_0:p=0{,}70\) y \(H_1:p>0{,}70\).
Ejercicio 3: hipótesis alternativa menor que un valor
Una aplicación afirma que el tiempo promedio para completar una actividad es menor que \(12\) minutos.
Formula las hipótesis usando \(\mu\) como media poblacional del tiempo de resolución.
El parámetro es:
\[ \mu=\text{tiempo promedio real para completar la actividad} \]
Como el valor de referencia es \(12\) minutos, la hipótesis nula puede escribirse como:
\[ H_0:\mu=12 \]
La afirmación que se quiere evaluar es que el promedio sea menor que \(12\), por lo tanto:
\[ H_1:\mu<12 \]
\(H_0:\mu=12\) y \(H_1:\mu<12\).
Ejercicio 4: elegir el signo correcto
Indica si la hipótesis alternativa debe usar \(>\), \(<\) o \(\ne\):
- Se quiere evaluar si la media poblacional es mayor que \(50\).
- Se quiere evaluar si la proporción poblacional es menor que \(0{,}30\).
- Se quiere evaluar si la media poblacional es distinta de \(100\).
- Se quiere evaluar si la proporción poblacional es mayor que \(0{,}65\).
Analizamos cada afirmación:
- “Mayor que \(50\)” se representa con \(>\).
- “Menor que \(0{,}30\)” se representa con \(<\).
- “Distinta de \(100\)” se representa con \(\ne\).
- “Mayor que \(0{,}65\)” se representa con \(>\).
Los signos son: \(>\), \(<\), \(\ne\), \(>\).
Ejercicio 5: detectar un error de formulación
Una muestra de \(64\) paquetes entrega una media muestral de \(\bar{x}=497\) g.
Un estudiante escribe:
\[ H_0:\bar{x}=497 \]
Explica por qué esta formulación es incorrecta y corrígela si se quiere evaluar la afirmación de que la media poblacional es \(500\) g.
La formulación es incorrecta porque usa \(\bar{x}\), que es una media muestral.
Las hipótesis estadísticas deben formularse sobre parámetros poblacionales, no sobre estadísticos muestrales.
Si se quiere evaluar la afirmación de que la media poblacional es \(500\) g, debe usarse \(\mu\):
\[ H_0:\mu=500 \]
Si se quiere evaluar si es distinta, la alternativa sería:
\[ H_1:\mu\ne 500 \]
La hipótesis debe usar \(\mu\), no \(\bar{x}\).
Ejercicio 6: formular hipótesis desde un contexto
Una municipalidad afirma que la proporción real de hogares con acceso a internet fijo es al menos cercana al \(80\%\).
Un equipo quiere evaluar si esa proporción es menor que \(80\%\).
- Identifica el parámetro poblacional.
- Escribe \(H_0\) usando \(80\%\) como valor de referencia.
- Escribe \(H_1\) según lo que el equipo quiere evaluar.
El parámetro es:
\[ p=\text{proporción real de hogares con acceso a internet fijo} \]
El valor de referencia es \(80\%=0{,}80\):
\[ H_0:p=0{,}80 \]
Como el equipo quiere evaluar si la proporción es menor que \(80\%\), la hipótesis alternativa es:
\[ H_1:p<0{,}80 \]
\(H_0:p=0{,}80\) y \(H_1:p<0{,}80\).
Ejercicio 7: caso desafiante
Una empresa declara que el promedio real de tiempo de espera de sus clientes es \(10\) minutos.
Un grupo de usuarios sospecha que el tiempo promedio real es mayor que \(10\) minutos.
Se toma una muestra y se obtiene una media muestral de \(11{,}2\) minutos.
- Identifica el parámetro poblacional.
- Formula \(H_0\).
- Formula \(H_1\).
- Explica por qué \(11{,}2\) no debe aparecer en la formulación de las hipótesis.
- Explica qué papel cumple la media muestral \(11{,}2\).
El parámetro poblacional es:
\[ \mu=\text{tiempo promedio real de espera de todos los clientes} \]
La hipótesis nula usa el valor declarado por la empresa:
\[ H_0:\mu=10 \]
Como el grupo sospecha que el tiempo promedio real es mayor que \(10\) minutos, la alternativa es:
\[ H_1:\mu>10 \]
El valor \(11{,}2\) no debe aparecer en las hipótesis porque es un resultado muestral, no un parámetro poblacional.
La media muestral \(11{,}2\) cumple el papel de evidencia para evaluar si hay razones suficientes para cuestionar \(H_0\) y apoyar \(H_1\).
\(H_0:\mu=10\), \(H_1:\mu>10\), y \(\bar{x}=11{,}2\) se usa como evidencia muestral.
13. Nivel de significancia
Objetivo de aprendizaje
- Comprender el nivel de significancia como un criterio previo para evaluar evidencia contra una hipótesis nula.
- Interpretar valores frecuentes de significancia como \(\alpha=0{,}10\), \(\alpha=0{,}05\) y \(\alpha=0{,}01\).
- Reconocer que rechazar o no rechazar una hipótesis nula no equivale a demostrar una verdad absoluta.
¿Por qué se necesita un criterio?
En una prueba de hipótesis, una muestra puede entregar evidencia a favor o en contra de una hipótesis nula \(H_0\).
Sin embargo, los resultados muestrales pueden variar de una muestra a otra. Por eso, no basta con observar una diferencia: se necesita un criterio para decidir si esa diferencia es suficientemente importante.
Ese criterio se relaciona con el nivel de significancia.
Nivel de significancia
El nivel de significancia se representa por la letra griega \(\alpha\).
Indica el nivel de exigencia que se usará para decidir si la evidencia muestral es suficientemente fuerte contra la hipótesis nula.
| Nivel de significancia | Como porcentaje | Interpretación general |
|---|---|---|
| \(\alpha=0{,}10\) | \(10\%\) | Criterio menos exigente para rechazar \(H_0\). |
| \(\alpha=0{,}05\) | \(5\%\) | Criterio frecuente en muchos estudios escolares e introductorios. |
| \(\alpha=0{,}01\) | \(1\%\) | Criterio más exigente para rechazar \(H_0\). |
Idea de decisión
El nivel de significancia se fija antes de analizar la evidencia final.
Luego se compara la evidencia muestral con ese criterio.
Si la evidencia contra \(H_0\) es suficientemente fuerte según el nivel de significancia elegido, se rechaza \(H_0\).
Si la evidencia no es suficientemente fuerte, no se rechaza \(H_0\).
Error frecuente
No rechazar \(H_0\) no significa demostrar que \(H_0\) sea verdadera.
Solo significa que, con la evidencia disponible y el nivel de significancia elegido, no hay razones suficientes para rechazarla.
Del mismo modo, rechazar \(H_0\) no entrega certeza absoluta: indica que la muestra entrega evidencia suficientemente fuerte contra \(H_0\) bajo el criterio usado.
Ejemplo 1: nivel de significancia en una media
Una fábrica declara que la masa promedio real de sus envases es \(500\) g.
Se plantean las hipótesis:
\[ H_0:\mu=500 \]
\[ H_1:\mu\ne 500 \]
Antes de analizar la muestra, se decide usar un nivel de significancia de:
\[ \alpha=0{,}05 \]
Esto significa que se usará un criterio del \(5\%\) para decidir si la evidencia muestral es suficientemente fuerte para rechazar la afirmación inicial de la fábrica.
No significa que haya \(5\%\) de probabilidad de que \(H_0\) sea verdadera o falsa.
Ejemplo 2: comparar dos niveles de significancia
Supongamos que dos equipos estudian la misma afirmación:
\[ H_0:\mu=100 \]
El Equipo A usa:
\[ \alpha=0{,}10 \]
El Equipo B usa:
\[ \alpha=0{,}01 \]
El Equipo A usa un criterio menos exigente para rechazar \(H_0\).
El Equipo B usa un criterio más exigente: necesitará evidencia más fuerte para rechazar \(H_0\).
Por eso, mientras menor es \(\alpha\), más difícil suele ser rechazar la hipótesis nula.
Ejemplo 3: conclusión con significancia
Un colegio quiere evaluar si la media real de horas de sueño de sus estudiantes es menor que \(7\) horas.
Se plantean:
\[ H_0:\mu=7 \]
\[ H_1:\mu<7 \]
Se fija un nivel de significancia:
\[ \alpha=0{,}05 \]
Después de analizar la muestra, se decide rechazar \(H_0\).
Una conclusión cuidadosa sería:
“Con un nivel de significancia del \(5\%\), la muestra entrega evidencia suficiente para rechazar \(H_0\) y apoyar que la media poblacional de horas de sueño es menor que \(7\) horas”.
La conclusión habla de evidencia suficiente, no de certeza absoluta.
Idea clave
El nivel de significancia es un criterio de decisión.
Un valor menor de \(\alpha\) exige evidencia más fuerte para rechazar \(H_0\).
En las próximas páginas, este criterio se usará junto con resultados muestrales para tomar decisiones en pruebas de hipótesis.
Ejercicios progresivos a desafiantes
Ejercicio 1: interpretar \(\alpha=0{,}05\)
En una prueba de hipótesis se fija un nivel de significancia de:
\[ \alpha=0{,}05 \]
Explica qué significa este valor como criterio de decisión.
El valor \(\alpha=0{,}05\) corresponde a un nivel de significancia del \(5\%\).
Significa que se usará un criterio del \(5\%\) para decidir si la evidencia muestral es suficientemente fuerte contra la hipótesis nula.
No significa que \(H_0\) tenga \(5\%\) de probabilidad de ser verdadera o falsa.
\(\alpha=0{,}05\) es un criterio del \(5\%\) para evaluar evidencia contra \(H_0\).
Ejercicio 2: comparar niveles de significancia
Se consideran dos niveles de significancia:
\[ \alpha=0{,}10 \]
\[ \alpha=0{,}01 \]
- ¿Cuál corresponde a un criterio más exigente?
- ¿Cuál permite rechazar \(H_0\) con menor exigencia?
El nivel \(\alpha=0{,}01\) corresponde a un criterio más exigente, porque exige evidencia más fuerte para rechazar \(H_0\).
El nivel \(\alpha=0{,}10\) es menos exigente, porque permite rechazar \(H_0\) con evidencia menos fuerte.
Más exigente: \(\alpha=0{,}01\). Menos exigente: \(\alpha=0{,}10\).
Ejercicio 3: identificar el nivel de significancia
En un estudio se indica:
“Se evaluó la hipótesis con un nivel de significancia del \(1\%\)”.
- Escribe el valor de \(\alpha\) en forma decimal.
- Indica si este criterio es más o menos exigente que \(\alpha=0{,}05\).
Un nivel de significancia del \(1\%\) corresponde a:
\[ \alpha=0{,}01 \]
Este criterio es más exigente que \(\alpha=0{,}05\), porque \(0{,}01\) es menor que \(0{,}05\).
Al usar \(\alpha=0{,}01\), se necesita evidencia más fuerte para rechazar \(H_0\).
\(\alpha=0{,}01\), y es más exigente que \(\alpha=0{,}05\).
Ejercicio 4: detectar una mala interpretación
Un estudiante afirma:
“Si usamos \(\alpha=0{,}05\), entonces hay \(5\%\) de probabilidad de que la hipótesis nula sea verdadera”.
Explica por qué esta interpretación es incorrecta.
La interpretación es incorrecta porque \(\alpha\) no indica la probabilidad de que la hipótesis nula sea verdadera.
El nivel de significancia es un criterio para decidir si la evidencia muestral es suficientemente fuerte contra \(H_0\).
Por lo tanto, \(\alpha=0{,}05\) se interpreta como un criterio del \(5\%\), no como una probabilidad de verdad de la hipótesis.
\(\alpha\) no mide la probabilidad de que \(H_0\) sea verdadera.
Ejercicio 5: conclusión al rechazar \(H_0\)
En una prueba de hipótesis se plantea:
\[ H_0:\mu=50 \]
\[ H_1:\mu>50 \]
Con nivel de significancia \(\alpha=0{,}05\), se decide rechazar \(H_0\).
Escribe una conclusión cuidadosa.
Como se rechazó \(H_0\), la muestra entrega evidencia suficiente contra la hipótesis nula bajo el criterio elegido.
Una conclusión cuidadosa sería:
“Con un nivel de significancia del \(5\%\), la muestra entrega evidencia suficiente para rechazar \(H_0\) y apoyar que la media poblacional es mayor que \(50\)”.
No se debe decir que se demostró con certeza absoluta que \(\mu>50\).
La conclusión debe hablar de evidencia suficiente, no de demostración absoluta.
Ejercicio 6: conclusión al no rechazar \(H_0\)
En una prueba de hipótesis se plantea:
\[ H_0:p=0{,}60 \]
\[ H_1:p\ne 0{,}60 \]
Con nivel de significancia \(\alpha=0{,}05\), se decide no rechazar \(H_0\).
Explica qué significa esta decisión.
No rechazar \(H_0\) significa que la muestra no entregó evidencia suficientemente fuerte contra la hipótesis nula, usando el nivel de significancia del \(5\%\).
No significa que se haya demostrado que \(p=0{,}60\).
Una redacción cuidadosa sería:
“Con un nivel de significancia del \(5\%\), no hay evidencia suficiente para rechazar que la proporción poblacional sea \(0{,}60\)”.
No rechazar \(H_0\) no significa demostrar que \(H_0\) sea verdadera.
Ejercicio 7: caso desafiante
Una empresa declara que el tiempo promedio real de espera de sus clientes es \(10\) minutos.
Un equipo quiere evaluar si el tiempo promedio real es mayor que \(10\) minutos.
Se fija un nivel de significancia de \(5\%\).
- Formula \(H_0\).
- Formula \(H_1\).
- Escribe el valor de \(\alpha\) en forma decimal.
- Explica qué significa usar ese nivel de significancia.
- Si se rechaza \(H_0\), escribe una conclusión cuidadosa.
El parámetro involucrado es la media poblacional de tiempo de espera:
\[ \mu \]
La hipótesis nula es:
\[ H_0:\mu=10 \]
Como se quiere evaluar si el tiempo promedio real es mayor que \(10\), la hipótesis alternativa es:
\[ H_1:\mu>10 \]
Un nivel de significancia de \(5\%\) corresponde a:
\[ \alpha=0{,}05 \]
Usar este nivel significa que se aplicará un criterio del \(5\%\) para decidir si la evidencia muestral es suficientemente fuerte contra \(H_0\).
Si se rechaza \(H_0\), una conclusión cuidadosa sería:
“Con un nivel de significancia del \(5\%\), la muestra entrega evidencia suficiente para rechazar \(H_0\) y apoyar que el tiempo promedio real de espera es mayor que \(10\) minutos”.
\(H_0:\mu=10\), \(H_1:\mu>10\), \(\alpha=0{,}05\).
14. Prueba de hipótesis para una media: versión escolar
Objetivo de aprendizaje
- Aplicar una prueba de hipótesis para una media poblacional en una versión escolar.
- Calcular el error estándar y la distancia entre una media muestral y un valor hipotético.
- Tomar una decisión estadística cuidadosa: rechazar o no rechazar \(H_0\), sin afirmar certezas absolutas.
¿Qué se evalúa en una prueba para una media?
Una prueba de hipótesis para una media permite evaluar si los datos de una muestra entregan evidencia suficiente para cuestionar una afirmación sobre una media poblacional \(\mu\).
Por ejemplo, una empresa puede afirmar que la masa promedio real de sus envases es \(500\) g. Esa afirmación se puede representar como:
\[ H_0:\mu=500 \]
Luego se toma una muestra y se analiza si la media muestral observada está suficientemente lejos de \(500\), considerando la variabilidad muestral.
Distancia estandarizada
Para evaluar qué tan lejos está la media muestral del valor planteado en \(H_0\), usamos la distancia estandarizada:
\[ Z_{\text{obs}}=\frac{\bar{x}-\mu_0}{EE} \]
donde:
- \(\bar{x}\) es la media muestral.
- \(\mu_0\) es el valor planteado en la hipótesis nula.
- \(EE\) es el error estándar.
El error estándar se calcula como:
\[ EE=\frac{s}{\sqrt{n}} \]
Criterio escolar aproximado
En esta versión escolar, usaremos el siguiente criterio aproximado:
| Hipótesis alternativa | Criterio aproximado para rechazar \(H_0\) |
|---|---|
| \(H_1:\mu\ne\mu_0\) | Rechazar \(H_0\) si \(|Z_{\text{obs}}|\ge 2\). |
| \(H_1:\mu>\mu_0\) | Rechazar \(H_0\) si \(Z_{\text{obs}}\ge 2\). |
| \(H_1:\mu<\mu_0\) | Rechazar \(H_0\) si \(Z_{\text{obs}}\le -2\). |
Este criterio permite decidir si la media muestral está suficientemente lejos del valor planteado en \(H_0\).
Atención
Rechazar \(H_0\) no significa demostrar con certeza absoluta que \(H_0\) sea falsa.
No rechazar \(H_0\) tampoco significa demostrar que \(H_0\) sea verdadera.
La conclusión siempre debe hablar de evidencia suficiente o insuficiente, según la muestra y el criterio utilizado.
Ejemplo 1: no hay evidencia suficiente para rechazar \(H_0\)
Una fábrica declara que la masa promedio real de sus envases es \(500\) g.
Se quiere evaluar si la media real es distinta de \(500\) g.
Las hipótesis son:
\[ H_0:\mu=500 \]
\[ H_1:\mu\ne 500 \]
Una muestra aleatoria de \(36\) envases entrega:
\[ \bar{x}=497,\qquad s=12 \]
Calculamos el error estándar:
\[ EE=\frac{s}{\sqrt{n}}=\frac{12}{\sqrt{36}}=\frac{12}{6}=2 \]
Calculamos la distancia estandarizada:
\[ Z_{\text{obs}}=\frac{497-500}{2}=\frac{-3}{2}=-1{,}5 \]
Como la hipótesis alternativa es \(\mu\ne 500\), usamos \(|Z_{\text{obs}}|\):
\[ |Z_{\text{obs}}|=|-1{,}5|=1{,}5 \]
Como \(1{,}5<2\), no se rechaza \(H_0\).
Conclusión cuidadosa:
“Con este criterio aproximado, la muestra no entrega evidencia suficiente para rechazar que la masa promedio real sea \(500\) g”.
Ejemplo 2: evidencia suficiente para rechazar \(H_0\)
Un colegio afirma que la media real de puntaje en una prueba es \(50\) puntos.
Un equipo quiere evaluar si la media real es mayor que \(50\).
Las hipótesis son:
\[ H_0:\mu=50 \]
\[ H_1:\mu>50 \]
Una muestra aleatoria de \(25\) estudiantes entrega:
\[ \bar{x}=55,\qquad s=10 \]
Calculamos el error estándar:
\[ EE=\frac{10}{\sqrt{25}}=\frac{10}{5}=2 \]
Calculamos la distancia estandarizada:
\[ Z_{\text{obs}}=\frac{55-50}{2}=\frac{5}{2}=2{,}5 \]
Como la hipótesis alternativa es \(\mu>50\), rechazamos \(H_0\) si \(Z_{\text{obs}}\ge 2\).
Como \(2{,}5\ge 2\), se rechaza \(H_0\).
Conclusión cuidadosa:
“Con este criterio aproximado, la muestra entrega evidencia suficiente para rechazar \(H_0\) y apoyar que la media poblacional es mayor que \(50\) puntos”.
Ejemplo 3: interpretar correctamente la decisión
Supongamos que en una prueba se decide no rechazar \(H_0:\mu=100\).
Una interpretación incorrecta sería:
“Se demostró que \(\mu=100\)”.
Una interpretación correcta sería:
“Con la muestra disponible y el criterio utilizado, no hay evidencia suficiente para rechazar que \(\mu=100\)”.
La diferencia es importante: una prueba de hipótesis no demuestra verdades absolutas, sino que permite tomar decisiones razonables con evidencia.
Pasos para una prueba de hipótesis para una media
- Formular \(H_0\) y \(H_1\).
- Identificar \(\bar{x}\), \(s\), \(n\) y \(\mu_0\).
- Calcular el error estándar \(EE=\frac{s}{\sqrt{n}}\).
- Calcular \(Z_{\text{obs}}=\frac{\bar{x}-\mu_0}{EE}\).
- Comparar con el criterio correspondiente.
- Escribir una conclusión cuidadosa en contexto.
Ejercicios progresivos a desafiantes
Ejercicio 1: identificar elementos de la prueba
Una empresa afirma que el tiempo promedio real de atención es \(12\) minutos.
Se quiere evaluar si el tiempo promedio real es distinto de \(12\) minutos.
Una muestra entrega:
\[ \bar{x}=13{,}1,\qquad s=4,\qquad n=64 \]
- Formula \(H_0\).
- Formula \(H_1\).
- Identifica \(\mu_0\), \(\bar{x}\), \(s\) y \(n\).
La hipótesis nula usa el valor declarado:
\[ H_0:\mu=12 \]
Como se quiere evaluar si el tiempo promedio real es distinto de \(12\), la hipótesis alternativa es:
\[ H_1:\mu\ne 12 \]
Los datos son:
\[ \mu_0=12,\qquad \bar{x}=13{,}1,\qquad s=4,\qquad n=64 \]
\(H_0:\mu=12\), \(H_1:\mu\ne 12\).
Ejercicio 2: calcular error estándar y distancia estandarizada
Una muestra aleatoria entrega:
\[ \bar{x}=82,\qquad s=15,\qquad n=25 \]
Se quiere evaluar la hipótesis:
\[ H_0:\mu=80 \]
- Calcula el error estándar.
- Calcula \(Z_{\text{obs}}\).
Calculamos el error estándar:
\[ EE=\frac{s}{\sqrt{n}}=\frac{15}{\sqrt{25}} \]
Como \(\sqrt{25}=5\):
\[ EE=\frac{15}{5}=3 \]
Ahora calculamos la distancia estandarizada:
\[ Z_{\text{obs}}=\frac{\bar{x}-\mu_0}{EE}=\frac{82-80}{3} \]
\[ Z_{\text{obs}}=\frac{2}{3}\approx 0{,}67 \]
\(EE=3\) y \(Z_{\text{obs}}\approx 0{,}67\).
Ejercicio 3: prueba con alternativa distinta
Una fábrica declara que la masa promedio real de sus productos es \(200\) g.
Se quiere evaluar si la media real es distinta de \(200\) g.
Una muestra de \(36\) productos entrega:
\[ \bar{x}=196,\qquad s=12 \]
- Formula \(H_0\) y \(H_1\).
- Calcula el error estándar.
- Calcula \(Z_{\text{obs}}\).
- Decide si se rechaza \(H_0\) usando el criterio aproximado \(|Z_{\text{obs}}|\ge 2\).
- Escribe una conclusión cuidadosa.
Las hipótesis son:
\[ H_0:\mu=200 \]
\[ H_1:\mu\ne 200 \]
Calculamos el error estándar:
\[ EE=\frac{12}{\sqrt{36}}=\frac{12}{6}=2 \]
Calculamos \(Z_{\text{obs}}\):
\[ Z_{\text{obs}}=\frac{196-200}{2}=\frac{-4}{2}=-2 \]
Como la alternativa es distinta, usamos el valor absoluto:
\[ |Z_{\text{obs}}|=|-2|=2 \]
Como \(|Z_{\text{obs}}|\ge 2\), se rechaza \(H_0\).
Conclusión cuidadosa:
“Con este criterio aproximado, la muestra entrega evidencia suficiente para rechazar que la masa promedio real sea \(200\) g”.
Se rechaza \(H_0\), porque \(|Z_{\text{obs}}|=2\).
Ejercicio 4: prueba con alternativa mayor
Una aplicación afirma que el tiempo promedio real para completar una actividad es \(20\) minutos.
Un equipo sospecha que el tiempo promedio real es mayor que \(20\) minutos.
Una muestra de \(49\) usuarios entrega:
\[ \bar{x}=23,\qquad s=10{,}5 \]
- Formula \(H_0\) y \(H_1\).
- Calcula el error estándar.
- Calcula \(Z_{\text{obs}}\).
- Decide si se rechaza \(H_0\) usando el criterio \(Z_{\text{obs}}\ge 2\).
- Escribe una conclusión en contexto.
Las hipótesis son:
\[ H_0:\mu=20 \]
\[ H_1:\mu>20 \]
Calculamos el error estándar:
\[ EE=\frac{10{,}5}{\sqrt{49}}=\frac{10{,}5}{7}=1{,}5 \]
Calculamos \(Z_{\text{obs}}\):
\[ Z_{\text{obs}}=\frac{23-20}{1{,}5}=\frac{3}{1{,}5}=2 \]
Como \(Z_{\text{obs}}\ge 2\), se rechaza \(H_0\).
Conclusión cuidadosa:
“Con este criterio aproximado, la muestra entrega evidencia suficiente para rechazar \(H_0\) y apoyar que el tiempo promedio real para completar la actividad es mayor que \(20\) minutos”.
Se rechaza \(H_0\), porque \(Z_{\text{obs}}=2\).
Ejercicio 5: prueba con alternativa menor
Un colegio afirma que sus estudiantes duermen en promedio \(7\) horas diarias.
Una orientadora sospecha que la media real es menor que \(7\) horas.
Una muestra de \(64\) estudiantes entrega:
\[ \bar{x}=6{,}6,\qquad s=1{,}6 \]
- Formula \(H_0\) y \(H_1\).
- Calcula el error estándar.
- Calcula \(Z_{\text{obs}}\).
- Decide si se rechaza \(H_0\) usando el criterio \(Z_{\text{obs}}\le -2\).
- Escribe una conclusión cuidadosa.
Las hipótesis son:
\[ H_0:\mu=7 \]
\[ H_1:\mu<7 \]
Calculamos el error estándar:
\[ EE=\frac{1{,}6}{\sqrt{64}}=\frac{1{,}6}{8}=0{,}2 \]
Calculamos \(Z_{\text{obs}}\):
\[ Z_{\text{obs}}=\frac{6{,}6-7}{0{,}2}=\frac{-0{,}4}{0{,}2}=-2 \]
Como \(Z_{\text{obs}}\le -2\), se rechaza \(H_0\).
Conclusión cuidadosa:
“Con este criterio aproximado, la muestra entrega evidencia suficiente para rechazar \(H_0\) y apoyar que la media real de horas de sueño es menor que \(7\) horas”.
Se rechaza \(H_0\), porque \(Z_{\text{obs}}=-2\).
Ejercicio 6: no rechazar no es demostrar
En una prueba de hipótesis se obtuvo \(Z_{\text{obs}}=1{,}2\) para evaluar:
\[ H_0:\mu=40 \]
\[ H_1:\mu\ne 40 \]
Un estudiante afirma:
“Como no se rechaza \(H_0\), queda demostrado que \(\mu=40\)”.
Explica el error.
Como \(H_1:\mu\ne 40\), se usaría el criterio \(|Z_{\text{obs}}|\ge 2\).
En este caso:
\[ |Z_{\text{obs}}|=|1{,}2|=1{,}2 \]
Como \(1{,}2<2\), no se rechaza \(H_0\).
Pero eso no significa demostrar que \(\mu=40\).
Solo significa que, con la muestra disponible y el criterio utilizado, no hay evidencia suficiente para rechazar \(H_0\).
No rechazar \(H_0\) no demuestra que \(H_0\) sea verdadera.
Ejercicio 7: caso desafiante
Una empresa declara que el tiempo promedio real de espera de sus clientes es \(10\) minutos.
Un grupo de usuarios sospecha que el tiempo promedio real es mayor que \(10\) minutos.
Una muestra aleatoria de \(81\) clientes entrega:
\[ \bar{x}=11,\qquad s=4{,}5 \]
- Formula \(H_0\) y \(H_1\).
- Calcula el error estándar.
- Calcula \(Z_{\text{obs}}\).
- Decide si se rechaza \(H_0\) usando el criterio correspondiente.
- Escribe una conclusión cuidadosa en contexto.
- Explica por qué la conclusión no es una certeza absoluta.
Como se quiere evaluar si el tiempo promedio real es mayor que \(10\) minutos, las hipótesis son:
\[ H_0:\mu=10 \]
\[ H_1:\mu>10 \]
Calculamos el error estándar:
\[ EE=\frac{s}{\sqrt{n}}=\frac{4{,}5}{\sqrt{81}} \]
Como \(\sqrt{81}=9\):
\[ EE=\frac{4{,}5}{9}=0{,}5 \]
Calculamos la distancia estandarizada:
\[ Z_{\text{obs}}=\frac{11-10}{0{,}5}=\frac{1}{0{,}5}=2 \]
Como la alternativa es \(\mu>10\), se rechaza \(H_0\) si \(Z_{\text{obs}}\ge 2\).
Como \(Z_{\text{obs}}=2\), se rechaza \(H_0\).
Conclusión cuidadosa:
“Con este criterio aproximado, la muestra entrega evidencia suficiente para rechazar \(H_0\) y apoyar que el tiempo promedio real de espera es mayor que \(10\) minutos”.
Esta conclusión no es una certeza absoluta porque se basa en una muestra y en un criterio de decisión estadístico.
Se rechaza \(H_0\). La muestra apoya que \(\mu>10\), pero no lo demuestra con certeza absoluta.
15. Valor p: interpretación conceptual
Objetivo de aprendizaje
- Comprender el valor p como una medida de qué tan compatible es la evidencia muestral con la hipótesis nula.
- Comparar el valor p con el nivel de significancia \(\alpha\) para tomar una decisión estadística.
- Interpretar correctamente el valor p sin confundirlo con la probabilidad de que \(H_0\) sea verdadera.
¿Qué es el valor p?
El valor p es una medida que ayuda a decidir si la evidencia muestral es suficientemente fuerte contra la hipótesis nula \(H_0\).
De manera conceptual, el valor p indica qué tan raro sería obtener un resultado como el observado, o más extremo, si la hipótesis nula fuera cierta.
Un valor p pequeño indica que el resultado observado sería poco compatible con \(H_0\). Por eso, entrega evidencia contra la hipótesis nula.
Regla de decisión con valor p
Para tomar una decisión, se compara el valor p con el nivel de significancia \(\alpha\):
| Comparación | Decisión | Interpretación |
|---|---|---|
| \(p\text{-valor}\le \alpha\) | Rechazar \(H_0\) | La evidencia muestral es suficientemente fuerte contra \(H_0\). |
| \(p\text{-valor}>\alpha\) | No rechazar \(H_0\) | La evidencia muestral no es suficientemente fuerte para rechazar \(H_0\). |
Error frecuente
No se debe decir que el valor p es la probabilidad de que \(H_0\) sea verdadera.
El valor p se calcula suponiendo que \(H_0\) es cierta y mide qué tan extremo resulta el dato observado bajo esa suposición.
Por eso, un valor p pequeño no demuestra con certeza absoluta que \(H_0\) sea falsa; indica evidencia estadística contra ella.
Ejemplo 1: interpretar un valor p pequeño
Una empresa declara que el tiempo promedio real de espera es \(10\) minutos.
Se plantea:
\[ H_0:\mu=10 \]
\[ H_1:\mu>10 \]
Luego de analizar una muestra, se obtiene:
\[ p\text{-valor}=0{,}03 \]
Si se usa un nivel de significancia de:
\[ \alpha=0{,}05 \]
comparamos:
\[ 0{,}03\le 0{,}05 \]
Como el valor p es menor que \(\alpha\), se rechaza \(H_0\).
Conclusión cuidadosa:
“Con un nivel de significancia del \(5\%\), la muestra entrega evidencia suficiente para rechazar \(H_0\) y apoyar que el tiempo promedio real de espera es mayor que \(10\) minutos”.
Ejemplo 2: interpretar un valor p grande
Un colegio afirma que la media real de puntaje en una prueba es \(60\) puntos.
Se plantea:
\[ H_0:\mu=60 \]
\[ H_1:\mu\ne 60 \]
Después de analizar una muestra, se obtiene:
\[ p\text{-valor}=0{,}18 \]
Si se usa:
\[ \alpha=0{,}05 \]
comparamos:
\[ 0{,}18>0{,}05 \]
Como el valor p es mayor que \(\alpha\), no se rechaza \(H_0\).
Conclusión cuidadosa:
“Con un nivel de significancia del \(5\%\), la muestra no entrega evidencia suficiente para rechazar que la media poblacional sea \(60\) puntos”.
No se debe decir que quedó demostrado que \(\mu=60\).
Ejemplo 3: valor p y zona extrema
En una prueba con hipótesis alternativa:
\[ H_1:\mu>\mu_0 \]
un resultado muy alto de \(Z_{\text{obs}}\) puede considerarse extremo, porque apunta hacia valores mayores que el planteado en \(H_0\).
El siguiente gráfico representa una zona de cola derecha, asociada a resultados extremos en una prueba con alternativa “mayor que”.
Mientras más pequeña sea esta zona, menor será el valor p.
Un valor p pequeño indica que el resultado observado sería poco frecuente si \(H_0\) fuera cierta.
Idea clave
El valor p ayuda a decidir si la evidencia muestral es suficientemente fuerte para rechazar \(H_0\).
Si \(p\text{-valor}\le \alpha\), se rechaza \(H_0\).
Si \(p\text{-valor}>\alpha\), no se rechaza \(H_0\).
La conclusión siempre debe hablar de evidencia, no de certeza absoluta.
Ejercicios progresivos a desafiantes
Ejercicio 1: comparar valor p y significancia
En una prueba de hipótesis se obtiene:
\[ p\text{-valor}=0{,}04 \]
Se usa un nivel de significancia:
\[ \alpha=0{,}05 \]
¿Se rechaza o no se rechaza \(H_0\)? Justifica.
Comparamos el valor p con \(\alpha\):
\[ 0{,}04\le 0{,}05 \]
Como el valor p es menor que el nivel de significancia, se rechaza \(H_0\).
Esto significa que la muestra entrega evidencia suficiente contra \(H_0\), usando el criterio del \(5\%\).
Se rechaza \(H_0\), porque \(0{,}04\le 0{,}05\).
Ejercicio 2: no rechazar con valor p grande
En una prueba de hipótesis se obtiene:
\[ p\text{-valor}=0{,}12 \]
Se usa:
\[ \alpha=0{,}05 \]
¿Qué decisión se toma? Explica su significado.
Comparamos:
\[ 0{,}12>0{,}05 \]
Como el valor p es mayor que \(\alpha\), no se rechaza \(H_0\).
Esto significa que la muestra no entrega evidencia suficientemente fuerte contra \(H_0\), usando el nivel de significancia del \(5\%\).
No significa que \(H_0\) haya sido demostrada como verdadera.
No se rechaza \(H_0\), porque \(0{,}12>0{,}05\).
Ejercicio 3: decidir con otro nivel de significancia
Una prueba entrega:
\[ p\text{-valor}=0{,}03 \]
- Decide si se rechaza \(H_0\) usando \(\alpha=0{,}05\).
- Decide si se rechaza \(H_0\) usando \(\alpha=0{,}01\).
- Explica por qué la decisión puede cambiar.
Con \(\alpha=0{,}05\):
\[ 0{,}03\le 0{,}05 \]
Por lo tanto, se rechaza \(H_0\).
Con \(\alpha=0{,}01\):
\[ 0{,}03>0{,}01 \]
Por lo tanto, no se rechaza \(H_0\).
La decisión cambia porque \(\alpha=0{,}01\) es un criterio más exigente que \(\alpha=0{,}05\).
Con \(5\%\) se rechaza \(H_0\); con \(1\%\) no se rechaza \(H_0\).
Ejercicio 4: detectar una mala interpretación
Un estudiante afirma:
“Si el valor p es \(0{,}02\), entonces hay \(2\%\) de probabilidad de que \(H_0\) sea verdadera”.
Explica por qué esta interpretación es incorrecta.
La interpretación es incorrecta porque el valor p no es la probabilidad de que \(H_0\) sea verdadera.
El valor p se interpreta suponiendo que \(H_0\) es cierta.
Indica qué tan raro sería obtener un resultado como el observado, o más extremo, bajo esa suposición.
Por eso, \(p\text{-valor}=0{,}02\) indica evidencia fuerte contra \(H_0\) si se usa, por ejemplo, \(\alpha=0{,}05\), pero no significa que \(H_0\) tenga \(2\%\) de probabilidad de ser verdadera.
El valor p no mide la probabilidad de verdad de \(H_0\).
Ejercicio 5: conclusión al rechazar \(H_0\)
Se plantea:
\[ H_0:\mu=20 \]
\[ H_1:\mu>20 \]
Una prueba entrega:
\[ p\text{-valor}=0{,}018 \]
Con \(\alpha=0{,}05\), escribe una conclusión cuidadosa.
Comparamos:
\[ 0{,}018\le 0{,}05 \]
Como el valor p es menor que \(\alpha\), se rechaza \(H_0\).
Una conclusión cuidadosa sería:
“Con un nivel de significancia del \(5\%\), la muestra entrega evidencia suficiente para rechazar \(H_0\) y apoyar que la media poblacional es mayor que \(20\)”.
No se debe afirmar que se demostró con certeza absoluta que \(\mu>20\).
Se rechaza \(H_0\); la conclusión debe hablar de evidencia suficiente.
Ejercicio 6: conclusión al no rechazar \(H_0\)
Se plantea:
\[ H_0:p=0{,}60 \]
\[ H_1:p\ne 0{,}60 \]
Una prueba entrega:
\[ p\text{-valor}=0{,}27 \]
Con \(\alpha=0{,}05\), escribe una conclusión cuidadosa.
Comparamos:
\[ 0{,}27>0{,}05 \]
Como el valor p es mayor que \(\alpha\), no se rechaza \(H_0\).
Una conclusión cuidadosa sería:
“Con un nivel de significancia del \(5\%\), la muestra no entrega evidencia suficiente para rechazar que la proporción poblacional sea \(0{,}60\)”.
No se debe decir que se demostró que \(p=0{,}60\).
No se rechaza \(H_0\); eso no demuestra que \(H_0\) sea verdadera.
Ejercicio 7: caso desafiante
Una empresa declara que el tiempo promedio real de espera de sus clientes es \(10\) minutos.
Un grupo quiere evaluar si el tiempo promedio real es mayor que \(10\) minutos.
Se obtiene:
\[ p\text{-valor}=0{,}041 \]
- Formula \(H_0\) y \(H_1\).
- Decide si se rechaza \(H_0\) usando \(\alpha=0{,}05\).
- Decide si se rechaza \(H_0\) usando \(\alpha=0{,}01\).
- Explica qué muestra este caso sobre el nivel de significancia.
- Escribe una conclusión cuidadosa para \(\alpha=0{,}05\).
Las hipótesis son:
\[ H_0:\mu=10 \]
\[ H_1:\mu>10 \]
Con \(\alpha=0{,}05\):
\[ 0{,}041\le 0{,}05 \]
Por lo tanto, se rechaza \(H_0\).
Con \(\alpha=0{,}01\):
\[ 0{,}041>0{,}01 \]
Por lo tanto, no se rechaza \(H_0\).
Este caso muestra que un nivel de significancia menor es más exigente. La misma evidencia puede ser suficiente para un criterio del \(5\%\), pero no para uno del \(1\%\).
Conclusión cuidadosa para \(\alpha=0{,}05\):
“Con un nivel de significancia del \(5\%\), la muestra entrega evidencia suficiente para rechazar \(H_0\) y apoyar que el tiempo promedio real de espera es mayor que \(10\) minutos”.
Con \(5\%\) se rechaza \(H_0\); con \(1\%\) no se rechaza.
16. Taller: concluir con evidencia, no con certeza absoluta
Objetivo de aprendizaje
- Redactar conclusiones estadísticas cuidadosas usando intervalos de confianza y pruebas de hipótesis.
- Distinguir entre evidencia suficiente, evidencia insuficiente y certeza absoluta.
- Evaluar si una conclusión respeta el alcance de la muestra, el método usado y el contexto del problema.
Propósito del taller
En inferencia estadística, las conclusiones se basan en datos muestrales.
Por eso, una conclusión correcta no debe presentarse como una verdad absoluta, sino como una decisión o interpretación basada en evidencia.
En este taller se integran estimaciones puntuales, intervalos de confianza, hipótesis, nivel de significancia y valor p.
Lenguaje cuidadoso para concluir
| Situación | Conclusión cuidadosa | Evitar decir |
|---|---|---|
| Intervalo de confianza | “Valores entre \(L\) y \(U\) son razonables para el parámetro poblacional, según la muestra y el método utilizado”. | “El parámetro está con certeza dentro del intervalo”. |
| Se rechaza \(H_0\) | “La muestra entrega evidencia suficiente para rechazar \(H_0\)”. | “Se demostró que \(H_0\) es falsa”. |
| No se rechaza \(H_0\) | “La muestra no entrega evidencia suficiente para rechazar \(H_0\)”. | “Se demostró que \(H_0\) es verdadera”. |
Error frecuente
La inferencia estadística permite tomar decisiones razonables con evidencia, pero no demuestra verdades absolutas.
Una muestra puede apoyar una conclusión, cuestionar una hipótesis o entregar un intervalo de valores razonables, pero siempre existe incertidumbre asociada al proceso muestral.
Ejemplo 1: conclusión a partir de un intervalo
Una municipalidad estima el promedio de minutos diarios de actividad física de sus habitantes.
El intervalo de confianza obtenido es:
\[ [36,\ 48] \]
Una conclusión cuidadosa sería:
“Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(36\) y \(48\) minutos son razonables para la media poblacional de minutos diarios de actividad física”.
No sería correcto decir:
“Todos los habitantes realizan entre \(36\) y \(48\) minutos de actividad física”.
El intervalo se refiere a la media poblacional, no a cada individuo.
Ejemplo 2: conclusión al rechazar una hipótesis
Una empresa declara que el tiempo promedio real de espera de sus clientes es \(10\) minutos.
Se plantea:
\[ H_0:\mu=10 \]
\[ H_1:\mu>10 \]
Una prueba entrega:
\[ p\text{-valor}=0{,}03 \]
Con nivel de significancia:
\[ \alpha=0{,}05 \]
Como:
\[ 0{,}03\le 0{,}05 \]
se rechaza \(H_0\).
Conclusión cuidadosa:
“Con un nivel de significancia del \(5\%\), la muestra entrega evidencia suficiente para rechazar \(H_0\) y apoyar que el tiempo promedio real de espera es mayor que \(10\) minutos”.
Esta conclusión no demuestra con certeza absoluta que \(\mu>10\), pero sí indica evidencia estadística a favor de esa afirmación.
Ejemplo 3: conclusión al no rechazar una hipótesis
Un colegio afirma que la media real de puntaje en una prueba es \(60\) puntos.
Se plantea:
\[ H_0:\mu=60 \]
\[ H_1:\mu\ne 60 \]
Una prueba entrega:
\[ p\text{-valor}=0{,}18 \]
Con nivel de significancia:
\[ \alpha=0{,}05 \]
Como:
\[ 0{,}18>0{,}05 \]
no se rechaza \(H_0\).
Conclusión cuidadosa:
“Con un nivel de significancia del \(5\%\), la muestra no entrega evidencia suficiente para rechazar que la media poblacional sea \(60\) puntos”.
No sería correcto decir que quedó demostrado que \(\mu=60\).
Idea clave
Una buena conclusión inferencial debe mencionar el contexto, la evidencia usada y el alcance de la decisión.
La frase central de este libro es:
“La inferencia estadística permite concluir con evidencia, no con certeza absoluta”.
Ejercicios progresivos a desafiantes
Ejercicio 1: reconocer una conclusión cuidadosa
Un intervalo de confianza para la media de horas de sueño es:
\[ [6{,}6,\ 7{,}4] \]
Indica cuál conclusión es más adecuada:
- “Todos los estudiantes duermen entre \(6{,}6\) y \(7{,}4\) horas”.
- “Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(6{,}6\) y \(7{,}4\) horas son razonables para la media poblacional de horas de sueño”.
- “La media real es exactamente \(7\) horas”.
La conclusión más adecuada es la segunda.
La primera es incorrecta porque interpreta el intervalo como si describiera a todos los estudiantes individualmente.
La tercera es incorrecta porque trata el centro del intervalo como si fuera necesariamente el valor exacto de la media poblacional.
La segunda conclusión reconoce que el intervalo entrega valores razonables para la media poblacional.
La conclusión correcta es la opción 2.
Ejercicio 2: redactar una conclusión desde un intervalo
Una encuesta estima la proporción de hogares de una comuna que separan residuos reciclables.
El intervalo de confianza obtenido es:
\[ [0{,}58,\ 0{,}70] \]
- Exprésalo como porcentaje.
- Redacta una conclusión cuidadosa en contexto.
Convertimos los extremos a porcentaje:
\[ 0{,}58=58\% \]
\[ 0{,}70=70\% \]
Entonces, el intervalo es:
\[ [58\%,\ 70\%] \]
Una conclusión cuidadosa sería:
“Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(58\%\) y \(70\%\) son razonables para la proporción poblacional de hogares de la comuna que separan residuos reciclables”.
El intervalo corresponde a \([58\%,\ 70\%]\) y se interpreta como rango razonable para \(p\).
Ejercicio 3: decisión con valor p
En una prueba de hipótesis se obtiene:
\[ p\text{-valor}=0{,}042 \]
Se usa:
\[ \alpha=0{,}05 \]
- Decide si se rechaza o no se rechaza \(H_0\).
- Explica la decisión.
Comparamos el valor p con \(\alpha\):
\[ 0{,}042\le 0{,}05 \]
Como el valor p es menor que el nivel de significancia, se rechaza \(H_0\).
Esto significa que la muestra entrega evidencia suficiente contra \(H_0\), usando el criterio del \(5\%\).
Se rechaza \(H_0\), porque \(0{,}042\le 0{,}05\).
Ejercicio 4: conclusión al rechazar \(H_0\)
Una empresa afirma que el tiempo promedio real de espera es \(10\) minutos.
Se plantea:
\[ H_0:\mu=10 \]
\[ H_1:\mu>10 \]
Con \(\alpha=0{,}05\), se obtiene \(p\text{-valor}=0{,}018\).
Escribe una conclusión cuidadosa en contexto.
Primero comparamos:
\[ 0{,}018\le 0{,}05 \]
Como el valor p es menor que \(\alpha\), se rechaza \(H_0\).
Una conclusión cuidadosa sería:
“Con un nivel de significancia del \(5\%\), la muestra entrega evidencia suficiente para rechazar \(H_0\) y apoyar que el tiempo promedio real de espera es mayor que \(10\) minutos”.
No se debe afirmar que esto quedó demostrado con certeza absoluta.
Se rechaza \(H_0\); hay evidencia suficiente para apoyar que \(\mu>10\).
Ejercicio 5: conclusión al no rechazar \(H_0\)
Un colegio afirma que la media real de puntaje en una prueba es \(60\) puntos.
Se plantea:
\[ H_0:\mu=60 \]
\[ H_1:\mu\ne 60 \]
Con \(\alpha=0{,}05\), se obtiene \(p\text{-valor}=0{,}22\).
Escribe una conclusión cuidadosa en contexto.
Comparamos:
\[ 0{,}22>0{,}05 \]
Como el valor p es mayor que \(\alpha\), no se rechaza \(H_0\).
Una conclusión cuidadosa sería:
“Con un nivel de significancia del \(5\%\), la muestra no entrega evidencia suficiente para rechazar que la media poblacional sea \(60\) puntos”.
No se debe decir que se demostró que \(\mu=60\).
No se rechaza \(H_0\); no hay evidencia suficiente contra la afirmación inicial.
Ejercicio 6: corregir una conclusión incorrecta
En una prueba de hipótesis se decide no rechazar \(H_0:\mu=50\).
Un informe concluye:
“Se demostró que la media poblacional es exactamente \(50\)”.
Explica el error y reescribe la conclusión correctamente.
El error está en interpretar “no rechazar \(H_0\)” como si fuera una demostración de que \(H_0\) es verdadera.
En una prueba de hipótesis, no rechazar \(H_0\) significa que la muestra no entregó evidencia suficiente contra esa hipótesis.
Una conclusión correcta sería:
“Con la muestra disponible y el criterio utilizado, no hay evidencia suficiente para rechazar que la media poblacional sea \(50\)”.
No rechazar \(H_0\) no demuestra que \(H_0\) sea verdadera.
Ejercicio 7: integrar intervalo y decisión
Una empresa declara que la masa promedio real de sus envases es \(500\) g.
Una muestra permite construir el intervalo de confianza aproximado:
\[ [496,\ 504] \]
- ¿El valor \(500\) está dentro del intervalo?
- ¿Sería razonable rechazar inmediatamente la afirmación de la empresa solo con este intervalo?
- Redacta una conclusión cuidadosa.
El valor \(500\) sí está dentro del intervalo:
\[ 496\le 500\le 504 \]
Como \(500\) está dentro del rango de valores razonables para la media poblacional, no sería prudente rechazar inmediatamente la afirmación de la empresa solo con este intervalo.
Una conclusión cuidadosa sería:
“Según la muestra y el método utilizado, valores entre \(496\) g y \(504\) g son razonables para la media poblacional. Como \(500\) g pertenece a ese intervalo, la muestra no parece entregar evidencia fuerte contra la afirmación de la empresa”.
El valor \(500\) está dentro del intervalo, por lo que no hay evidencia clara contra esa afirmación.
Ejercicio 8: caso desafiante
Una municipalidad afirma que el promedio real de minutos diarios de actividad física de sus habitantes es \(45\) minutos.
Un equipo sospecha que el promedio real es menor que \(45\) minutos.
Se plantea:
\[ H_0:\mu=45 \]
\[ H_1:\mu<45 \]
Una muestra aleatoria entrega:
\[ \bar{x}=42,\qquad s=12,\qquad n=64 \]
- Calcula el error estándar.
- Calcula \(Z_{\text{obs}}\).
- Usando el criterio escolar \(Z_{\text{obs}}\le -2\), decide si se rechaza \(H_0\).
- Escribe una conclusión cuidadosa en contexto.
- Explica por qué la conclusión no es una certeza absoluta.
Calculamos el error estándar:
\[ EE=\frac{s}{\sqrt{n}}=\frac{12}{\sqrt{64}} \]
Como \(\sqrt{64}=8\), entonces:
\[ EE=\frac{12}{8}=1{,}5 \]
Calculamos la distancia estandarizada:
\[ Z_{\text{obs}}=\frac{\bar{x}-\mu_0}{EE} \]
\[ Z_{\text{obs}}=\frac{42-45}{1{,}5}=\frac{-3}{1{,}5}=-2 \]
Como la alternativa es \(H_1:\mu<45\), usamos el criterio:
\[ Z_{\text{obs}}\le -2 \]
Como \(Z_{\text{obs}}=-2\), se rechaza \(H_0\).
Conclusión cuidadosa:
“Con este criterio aproximado, la muestra entrega evidencia suficiente para rechazar \(H_0\) y apoyar que el promedio real de minutos diarios de actividad física es menor que \(45\) minutos”.
La conclusión no es una certeza absoluta porque se basa en una muestra y en un criterio estadístico de decisión.
\(EE=1{,}5\), \(Z_{\text{obs}}=-2\). Se rechaza \(H_0\).
Cierre del libro
La inferencia estadística permite usar muestras para estimar parámetros y tomar decisiones sobre poblaciones.
Los intervalos de confianza entregan rangos de valores razonables para un parámetro.
Las pruebas de hipótesis permiten evaluar si una muestra entrega evidencia suficiente contra una afirmación inicial.
En ambos casos, la conclusión debe ser cuidadosa: se concluye con evidencia, no con certeza absoluta.