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Azar y probabilidad · Probabilidad

Teorema de Bayes

Te conviene dominar: Probabilidad condicionada (2° año de preparatoria (semestres 3 y 4))
Te conviene dominar: Árboles (1er año de preparatoria (semestres 1 y 2))

Una prueba de laboratorio sale positiva: ¿cuál es la probabilidad de que la persona realmente tenga la condición? No se responde mirando el árbol hacia adelante, como en probabilidad total, sino invirtiéndolo: ya sabes que ocurrió el efecto y preguntas por la causa. Esa inversión es el teorema de Bayes, y sirve igual para saber de qué fábrica salió una pieza defectuosa, por qué canal llegó un cliente o si un filtro de correo se equivocó.

El teorema de Bayes

En un árbol, cada camino completo se calcula multiplicando sus ramas. Cuando ya sabes que ocurrió el efecto, solo te interesan los caminos que terminan en él. La pregunta es: de todos esos caminos, ¿qué parte pasa por la causa que te interesa?

El denominador es la probabilidad total del efecto: las ramas de todas las causas, no solo la de la causa que preguntas. La idea es la de la probabilidad condicionada: una parte entre el total de los casos que cumplen lo que ya sabes.

Diagrama de árbol que ilustra cómo el teorema de Bayes invierte el sentido para calcular la probabilidad de la causa a partir del efecto observado. P(causa 1)P(causa 2) P(efecto | causa 1)P(efecto | causa 2) pregunta Bayes: ← desde el efecto, ¿qué rama es más probable que haya pasado?
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Para llegar al centro, un estudiante puede ir en camión ($80\,\%$ de las veces) o en bicicleta ($20\,\%$). Cuando va en camión, llega tarde el $10\,\%$ de los días…

Para llegar al centro, un estudiante puede ir en camión ($80\,\%$ de las veces) o en bicicleta ($20\,\%$). Cuando va en camión, llega tarde el $10\,\%$ de los días debido al tráfico. Cuando va en bicicleta, solo llega tarde el $5\,\%$ de las veces. Si un día el estudiante llega tarde a clase, calcula la probabilidad de que haya ido en camión.

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Una marca de tenis fabrica sus modelos en dos fábricas diferentes: el $70\,\%$ en la fábrica $A$ y el $30\,\%$ en la fábrica $B$. El control de calidad ha detectado que…

Una marca de tenis fabrica sus modelos en dos fábricas diferentes: el $70\,\%$ en la fábrica $A$ y el $30\,\%$ en la fábrica $B$. El control de calidad ha detectado que el $2\,\%$ de los tenis de la fábrica $A$ tienen algún defecto de costura, mientras que en la fábrica $B$ los defectos aparecen en el $5\,\%$ de la producción. Un cliente compra unos tenis y descubre que tienen un defecto de costura. Calcula la probabilidad de que hayan sido fabricados en la fábrica $B$.

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En una empresa de desarrollo de software, el $70\,\%$ de los programadores utiliza el lenguaje Python y el $30\,\%$ utiliza Java. Se estima que el $10\,\%$ de los…

En una empresa de desarrollo de software, el $70\,\%$ de los programadores utiliza el lenguaje Python y el $30\,\%$ utiliza Java. Se estima que el $10\,\%$ de los códigos escritos en Python contienen errores de sintaxis críticos, mientras que en Java este porcentaje es del $15\,\%$. Si se detecta un error de sintaxis crítico en un fragmento de código, ¿cuál es la probabilidad de que haya sido programado en Python?

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Estrategia: los cuatro pasos

Esquema de los cuatro pasos para resolver problemas de Bayes: causas, efecto, árbol con probabilidad total y cociente final. 1. causas 2. efecto 3. árbol → total 4. Bayes
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Un filtro de correo electrónico clasifica automáticamente los mensajes como spam*. El filtro marca correctamente como spam* el $98\,\%$ de los correos que realmente lo…

Un filtro de correo electrónico clasifica automáticamente los mensajes como spam. El filtro marca correctamente como spam el $98\,\%$ de los correos que realmente lo son. Sin embargo, también envía a la carpeta de spam el $4\,\%$ de los correos legítimos. Se estima que el $10\,\%$ del correo que llega a un buzón es spam. Si un correo elegido al azar ha sido marcado como spam, calcula la probabilidad de que realmente lo sea.

Población Estado Real Resultado Probabilidad Conjunta 0.10 0.90 0.98 0.02 0.04 0.96 Spam (S) Normal (N) Marcado (+) Limpio (-) Marcado (+) Limpio (-) P(S ∩ +) = 0.10 × 0.98 P(S ∩ -) = 0.10 × 0.02 P(N ∩ +) = 0.90 × 0.04 P(N ∩ -) = 0.90 × 0.96 P(Spam | Marcado) = ? Teorema de Bayes
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En un centro de salud se está realizando un estudio sobre la eficacia de un test de diagnóstico para una alergia alimentaria que afecta al $8\,\%$ de la población…

En un centro de salud se está realizando un estudio sobre la eficacia de un test de diagnóstico para una alergia alimentaria que afecta al $8\,\%$ de la población juvenil. Los datos clínicos indican que, si una persona padece la alergia, el test da positivo en el $95\,\%$ de los casos. Por otro lado, si la persona no padece la alergia, el test da un "falso positivo" (resultado positivo sin estar enfermo) en el $4\,\%$ de las ocasiones. Si se elige a un joven al azar y su resultado en el test es positivo, calcula la probabilidad de que realmente padezca dicha alergia.

Alergia (A) Sano (A') Test + Test - Test + Test - 0.08 0.92 0.95 0.05 0.04 0.96 0.08 × 0.95 = 0.076 0.92 × 0.04 = 0.0368
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En una ciudad, el $70\,\%$ de los ciudadanos utiliza una aplicación móvil para pagar el transporte público, mientras que el resto usa tarjeta física. Se observa que el…

En una ciudad, el $70\,\%$ de los ciudadanos utiliza una aplicación móvil para pagar el transporte público, mientras que el resto usa tarjeta física. Se observa que el $15\,\%$ de los que usan la aplicación tienen problemas de lectura en el validador, frente al $5\,\%$ de los que usan tarjeta física. Si un validador emite una señal de error de lectura, ¿cuál es la probabilidad de que el usuario esté intentando pagar con la aplicación móvil?

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Tres o más causas: ¿cuál es la más probable?

Esquema que muestra cómo el cálculo de Bayes para varias causas comparte una única probabilidad total en el denominador. P(efecto) (una sola vez, suma de todos los caminos) causa 1 | efecto causa 2 | efecto causa 3 | efecto mismo denominador en los tres; solo cambia el numerador
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Un fabricante de componentes electrónicos para smartphones tiene tres líneas de producción: A, B y C. La línea A produce el $45\,\%$ de los componentes, la B el $30\,\%$…

Un fabricante de componentes electrónicos para smartphones tiene tres líneas de producción: A, B y C. La línea A produce el $45\,\%$ de los componentes, la B el $30\,\%$ y la C el $25\,\%$. Se sabe que la probabilidad de que un componente sea defectuoso es del $1\,\%$ en la línea A, del $2\,\%$ en la línea B y del $3\,\%$ en la línea C. Si se selecciona un componente al azar y resulta ser defectuoso, determina razonadamente qué línea de producción es más probable que lo haya fabricado.

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Una empresa de logística de última milla distribuye paquetes en una ciudad utilizando tres tipos de vehículos: furgonetas eléctricas ($60\,\%$), motocicletas ($30\,\%$)…

Una empresa de logística de última milla distribuye paquetes en una ciudad utilizando tres tipos de vehículos: furgonetas eléctricas ($60\,\%$), motocicletas ($30\,\%$) y bicicletas de carga ($10\,\%$). La probabilidad de que un paquete llegue con retraso es del $2\,\%$ si se entrega en furgoneta, del $5\,\%$ si es en motocicleta y del $8\,\%$ si es en bicicleta. Si un cliente llama para quejarse porque su paquete ha llegado tarde, ¿cuál es la probabilidad de que el repartidor fuera en bicicleta de carga?

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Tres canales de streaming* ($N$, $H$ y $D$) se reparten el mercado de suscriptores en una ciudad en proporciones del $40\%$, $30\%$ y $30\%$, respectivamente. La…

Tres canales de streaming ($N$, $H$ y $D$) se reparten el mercado de suscriptores en una ciudad en proporciones del $40\%$, $30\%$ y $30\%$, respectivamente. La probabilidad de que un suscriptor de $N$ cancele su suscripción este mes es del $0.05$; para $H$ es del $0.08$ y para $D$ es del $0.12$. Si elegimos al azar un ciudadano que acaba de cancelar su suscripción a uno de estos canales, ¿cuál es la probabilidad de que fuera cliente de $D$?

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Pruebas diagnósticas: el caso que más confunde

Una forma muy clara de verlo es una tabla con una población imaginaria de $10{,}000$ jóvenes. Con una alergia que afecta al $8\,\%$, una prueba que da positivo en $95\,\%$ de los alérgicos y falso positivo en $4\,\%$ de los no alérgicos:

Positivo Negativo Total
Con alergia 760 40 800
Sin alergia 368 8,832 9,200
Total 1,128 8,872 10,000

De los $1{,}128$ positivos, $760$ tienen alergia y $368$ no. La probabilidad de tener alergia dado un positivo es $760/1128 \approx 0.674$.

Dos barras: la población con 8 % con la condición y 92 % sin ella, y debajo los positivos de la prueba, repartidos en verdaderos positivos y falsos positivos. Población (10,000 jóvenes) 8 % 92 % sin la condición Positivos de la prueba (1,128) verdaderos 67 % falsos 33 % Los positivos reales salen del 8 % pequeño; los falsos, del 92 % grande.
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Una red social utiliza un algoritmo de inteligencia artificial para detectar comentarios de odio. Se sabe que el $5\,\%$ de los comentarios publicados son realmente…

Una red social utiliza un algoritmo de inteligencia artificial para detectar comentarios de odio. Se sabe que el $5\,\%$ de los comentarios publicados son realmente inapropiados. El algoritmo identifica correctamente como "inapropiado" el $98\,\%$ de los comentarios que realmente lo son. Sin embargo, etiqueta erróneamente como "inapropiado" el $3\,\%$ de los comentarios que son respetuosos. Si el sistema acaba de bloquear un comentario por marcarlo como "inapropiado", ¿cuál es la probabilidad de que el comentario fuera realmente respetuoso?

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Una multinacional tecnológica utiliza tres proveedores distintos para los microchips de sus nuevas laptops para gaming*. El proveedor $A$ suministra el $45\%$ de los…

Una multinacional tecnológica utiliza tres proveedores distintos para los microchips de sus nuevas laptops para gaming. El proveedor $A$ suministra el $45\%$ de los chips, el proveedor $B$ el $35\%$, y el resto proceden del proveedor $C$. Se sabe por controles de calidad previos que el $1\%$ de los chips de $A$ son defectuosos, mientras que para $B$ y $C$ estos porcentajes son del $2\%$ y el $3\%$, respectivamente. Un usuario compra una laptop y, al mes de uso, sufre una falla crítica debido al microchip. Calcula la probabilidad de que el chip defectuoso haya sido suministrado por el proveedor $B$.

A B C Defectuoso Correcto Defectuoso Correcto Defectuoso Correcto 0.45 0.35 0.20 0.01 0.99 0.02 0.98 0.03 0.97
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Una fábrica de piezas de precisión utiliza una máquina de visión artificial para controlar la calidad de su producción. Se sabe que solo el $0.5\%$ de las piezas…

Una fábrica de piezas de precisión utiliza una máquina de visión artificial para controlar la calidad de su producción. Se sabe que solo el $0.5\%$ de las piezas fabricadas presenta algún defecto. La máquina detecta correctamente el $96\%$ de las piezas defectuosas, pero también marca erróneamente como defectuosa el $2\%$ de las piezas correctas. Si la máquina acaba de marcar una pieza como defectuosa, calcula la probabilidad de que la pieza esté realmente en perfecto estado.

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Resumen

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