12. Valores extremos y percentiles en la normal

Objetivo de aprendizaje

  • Reconocer valores extremos en una distribución normal mediante probabilidades de cola.
  • Interpretar percentiles como puntos que dejan cierto porcentaje de valores bajo ellos.
  • Calcular valores asociados a percentiles usando puntajes Z.

Valores extremos

En una distribución normal, los valores extremos se ubican en las colas de la campana.

Un valor muy alto se ubica en la cola derecha; un valor muy bajo se ubica en la cola izquierda.

Mientras menor sea el área de la cola, menos frecuente es el valor o conjunto de valores que se está analizando.

Percentiles

El percentil \(p\) es un valor que deja aproximadamente el \(p\%\) de los datos bajo él.

Por ejemplo, el percentil \(90\) es un valor \(x\) tal que:

\[ P(X

Si \(X\sim N(\mu,\sigma)\) y conocemos el puntaje \(z_p\) asociado al percentil, entonces:

\[ x=\mu+z_p\cdot\sigma \]

Valores de referencia útiles

Percentil aproximado Probabilidad acumulada Puntaje Z aproximado
Percentil \(5\) \(P(Z \(z\approx -1{,}65\)
Percentil \(10\) \(P(Z \(z\approx -1{,}28\)
Percentil \(90\) \(P(Z \(z\approx 1{,}28\)
Percentil \(95\) \(P(Z \(z\approx 1{,}65\)
Percentil \(97{,}5\) \(P(Z \(z\approx 1{,}96\)

Ejemplo 1: reconocer un valor extremo alto

Los puntajes de una prueba se modelan como:

\[ X\sim N(70,10) \]

Queremos analizar si obtener más de \(90\) puntos es poco frecuente:

\[ P(X>90) \]

Estandarizamos:

\[ z=\frac{90-70}{10}=2 \]

Entonces:

\[ P(X>90)=P(Z>2) \]

Usando tabla:

\[ P(Z<2)=0{,}9772 \]

Por complemento:

\[ P(Z>2)=1-0{,}9772=0{,}0228 \]

La probabilidad es aproximadamente \(2{,}28\%\), por lo que obtener más de \(90\) puntos es un valor poco frecuente en este modelo.

Ejemplo 2: calcular el percentil 90

La masa de cierto producto se modela como:

\[ X\sim N(500,20) \]

Queremos encontrar el percentil \(90\). Esto significa buscar un valor \(x\) tal que:

\[ P(X

De la tabla normal estándar, para el percentil \(90\):

\[ z\approx 1{,}28 \]

Usamos:

\[ x=\mu+z\cdot\sigma \]

\[ x=500+1{,}28\cdot 20 \]

\[ x=500+25{,}6=525{,}6 \]

El percentil \(90\) es aproximadamente \(525{,}6\) g. Esto significa que cerca del \(90\%\) de los productos tiene masa menor que \(525{,}6\) g.

Ejemplo 3: calcular un percentil bajo

La duración de una batería, en horas, se modela como:

\[ X\sim N(12,2) \]

Queremos calcular el percentil \(5\). Esto significa buscar un valor \(x\) tal que:

\[ P(X

De la tabla normal estándar:

\[ z\approx -1{,}65 \]

Entonces:

\[ x=\mu+z\cdot\sigma \]

\[ x=12+(-1{,}65)\cdot 2 \]

\[ x=12-3{,}3=8{,}7 \]

El percentil \(5\) es aproximadamente \(8{,}7\) horas. Esto significa que cerca del \(5\%\) de las baterías dura menos de \(8{,}7\) horas.

Ejemplo 4: intervalo central del 95%

Los puntajes de un test se modelan como:

\[ X\sim N(100,15) \]

Para encontrar un intervalo central aproximado del \(95\%\), usamos los valores:

\[ z=-1{,}96 \quad \text{y} \quad z=1{,}96 \]

Calculamos el límite inferior:

\[ x_1=100+(-1{,}96)\cdot 15=100-29{,}4=70{,}6 \]

Calculamos el límite superior:

\[ x_2=100+1{,}96\cdot 15=100+29{,}4=129{,}4 \]

Aproximadamente el \(95\%\) central de los puntajes se encuentra entre \(70{,}6\) y \(129{,}4\).

Error frecuente

No se debe confundir un percentil con un porcentaje de probabilidad.

El percentil es un valor de la variable, mientras que el porcentaje indica el área acumulada bajo la curva.

Por ejemplo, si el percentil \(90\) es \(525{,}6\) g, entonces \(525{,}6\) g es un valor de masa, no una probabilidad.

Ejercicios progresivos a desafiantes

Ejercicio 1: interpretar un percentil

En una prueba, el percentil \(90\) corresponde a \(82\) puntos.

Interpreta esta afirmación en palabras.

Ejercicio 2: reconocer una cola derecha

Una variable se distribuye normalmente con media \(50\) y desviación estándar \(5\).

Se quiere analizar el evento \(X>60\).

  1. Estandariza el valor \(60\).
  2. Indica si corresponde a una cola izquierda o derecha.

Ejercicio 3: calcular una probabilidad extrema

Sea:

\[ X\sim N(100,15) \]

Calcula \(P(X>130)\), sabiendo que:

\[ P(Z<2)=0{,}9772 \]

Ejercicio 4: calcular el percentil 90

Una variable se distribuye como:

\[ X\sim N(80,10) \]

Calcula el percentil \(90\), usando:

\[ z_{90}\approx 1{,}28 \]

Ejercicio 5: calcular el percentil 10

El tiempo de duración de una actividad se modela como:

\[ X\sim N(40,6) \]

Calcula el percentil \(10\), usando:

\[ z_{10}\approx -1{,}28 \]

Ejercicio 6: percentil y cola complementaria

En una distribución normal, el percentil \(95\) corresponde a \(73\).

  1. ¿Qué porcentaje de valores está bajo \(73\)?
  2. ¿Qué porcentaje de valores está sobre \(73\)?
  3. ¿El valor \(73\) puede considerarse alto respecto de la distribución? Justifica.

Ejercicio 7: caso desafiante

La duración de cierta batería se modela como:

\[ X\sim N(12,2) \]

Una empresa quiere identificar las baterías de duración muy baja, definiendo como “muy baja” toda duración ubicada bajo el percentil \(5\).

  1. Calcula el valor límite usando \(z_5\approx -1{,}65\).
  2. Interpreta el resultado en contexto.
  3. ¿Qué porcentaje de baterías quedaría clasificado como “muy baja duración”?