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Probabilidad · La distribución normal o de Gauss

Aproximación a la binomial mediante la normal

Una máquina fabrica $600$ piezas y el $5\,\%$ sale defectuoso: ¿cuál es la probabilidad de que haya entre $25$ y $35$ piezas defectuosas? Es una binomial $B(600,\ 0{,}05)$, pero calcular esa probabilidad sumando a mano cada caso con $\binom{600}{k}$ sería una locura. Cuando $n$ es grande, la binomial se puede aproximar por una normal, y el problema se resuelve con la tabla que ya conoces.

Por qué aproximar una binomial por una normal

Cuando $n$ crece, el histograma de una binomial $B(n,p)$ se va pareciendo cada vez más a una campana de Gauss: las barras se vuelven estrechas y su contorno dibuja la misma forma simétrica que la normal.

B(n,p) con n grande ≈ campana de N(np, √(npq))
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Un lanzador de tiros libres de baloncesto tiene una probabilidad de acierto de $p = 0,8$. Si realiza $n = 100$ lanzamientos, queremos saber si podemos aproximar la…

Un lanzador de tiros libres de baloncesto tiene una probabilidad de acierto de $p = 0,8$. Si realiza $n = 100$ lanzamientos, queremos saber si podemos aproximar la variable binomial $X$ (número de aciertos) por una distribución normal.

  1. a) Comprueba si se cumplen las condiciones $n \cdot p \ge 5$ y $n \cdot q \ge 5$.
  2. b) En caso afirmativo, indica cuáles serían los parámetros $\mu$ y $\sigma$ de la nueva distribución normal $X'$.
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Condiciones y parámetros de la aproximación

No siempre se puede aproximar: si $p$ está muy cerca de $0$ o de $1$ y $n$ no es muy grande, el histograma queda muy asimétrico y la campana no se ajusta bien.

X ≡ B(n,p) X' ≡ N(np, √(npq)) condición: np≥5 y nq≥5 si no se cumple, NO se puede aproximar: hay que usar la binomial directamente
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Se lanza una moneda equilibrada ($p = 0,5$) al aire $400$ veces. Calcula la probabilidad de obtener menos de $190$ caras utilizando la aproximación de la binomial a la…

Se lanza una moneda equilibrada ($p = 0,5$) al aire $400$ veces. Calcula la probabilidad de obtener menos de $190$ caras utilizando la aproximación de la binomial a la normal (sin aplicar todavía la corrección de continuidad).

Paso 1: Calcula la media $\mu$ y la desviación típica $\sigma$.

Paso 2: Tipifica el valor $X = 190$ y busca en la tabla.

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La corrección de continuidad de Yates

La binomial solo toma valores enteros ($0,1,2,3,\dots$), pero la normal es continua: para un valor exacto, $P[X'=65]$ valdría $0$ en la normal (el área de una sola línea es nula). Por eso, antes de tipificar, cada valor entero $k$ se "ensancha" en un intervalo $[k-0{,}5,\ k+0{,}5]$.

k [k−0,5, k+0,5] la barra entera de la binomial se convierte en este tramo continuo
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En una plataforma de streaming, el $15\%$ de los usuarios cancela su suscripción antes de terminar el mes de prueba. Si este mes se han apuntado $400$ nuevos usuarios,…

En una plataforma de streaming, el $15\%$ de los usuarios cancela su suscripción antes de terminar el mes de prueba. Si este mes se han apuntado $400$ nuevos usuarios, calcula, utilizando la aproximación normal con corrección de continuidad, la probabilidad de que se den de baja exactamente $65$ usuarios.

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Resolver problemas completos: "menos de", "más de", "entre"

El procedimiento completo encadena todo lo anterior: comprobar las condiciones, hallar $\mu$ y $\sigma$, aplicar la corrección de continuidad según lo que se pida, tipificar y leer la tabla.

Reciclaje: p=0,35, n=120. ¿P[40≤X≤50]? P[39,5≤X'≤50,5] con μ=42, σ≈5,23
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Un estudio sobre hábitos de reciclaje afirma que el $35\%$ de los hogares de una ciudad separa correctamente el plástico. Si se selecciona una muestra aleatoria de $120$…

Un estudio sobre hábitos de reciclaje afirma que el $35\%$ de los hogares de una ciudad separa correctamente el plástico. Si se selecciona una muestra aleatoria de $120$ hogares:

  1. a) Justifica por qué se puede aproximar este experimento por una distribución normal.
  2. b) Calcula la probabilidad de que, en esa muestra, separen el plástico entre $40$ y $50$ hogares (ambos inclusive).
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Un estudio sobre hábitos de lectura en adolescentes revela que el 70 % de los jóvenes de entre 15 y 16 años prefiere el formato digital sobre el papel. Si seleccionamos…

Un estudio sobre hábitos de lectura en adolescentes revela que el 70 % de los jóvenes de entre 15 y 16 años prefiere el formato digital sobre el papel. Si seleccionamos una muestra aleatoria de 400 adolescentes:

  1. a) Justifica si es posible aproximar la distribución de la variable "número de adolescentes que prefieren el formato digital" mediante una distribución normal.
  2. b) Calcula, utilizando la aproximación anterior y realizando la corrección de continuidad, la probabilidad de que prefieran el formato digital entre 270 y 290 adolescentes (ambos inclusive).
HÁBITOS DE LECTURA EN ADOLESCENTES p = 0,70 (Digital) q = ? (Papel) Muestra aleatoria: n = 400 a) ¿Es posible aproximar a la Normal? n · p = ? (≥ 5) n · q = ? (≥ 5) X ~ B(400, 0,7) ➔ N(μ = ?, σ = ?) b) Probabilidad con corrección por continuidad Tipificación: Z = (X - μ) / σ μ = ? σ = ? 270 290 269,5 290,5 P ( 269,5 ≤ X' ≤ 290,5 ) = ?
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El 5 % de las piezas fabricadas por una máquina de alta precisión resultan defectuosas. Si se empaquetan en cajas de 200 unidades, calcula la probabilidad de que en una…

El 5 % de las piezas fabricadas por una máquina de alta precisión resultan defectuosas. Si se empaquetan en cajas de 200 unidades, calcula la probabilidad de que en una caja:

  1. a) Haya exactamente 10 piezas defectuosas.
  2. b) Haya más de 15 piezas defectuosas.
  3. c) El número de piezas defectuosas sea menor o igual a 5.

Argumenta si los resultados serían significativamente distintos si no se aplicara la corrección de continuidad.

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Problemas más exigentes: extremos y percentiles

Algunos problemas combinan la aproximación con ideas de la sección anterior sobre la normal: la regla empírica $\mu\pm2\sigma$, o un percentil (hallar el valor que deja una probabilidad dada a un lado).

np−2σ    np    np+2σ   (≈95% de los resultados esperados)
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En un examen de tipo test con 100 preguntas, cada una con 4 opciones de respuesta (solo una correcta), un alumno contesta a todas las preguntas al azar. a) ¿Cuál es la…

En un examen de tipo test con 100 preguntas, cada una con 4 opciones de respuesta (solo una correcta), un alumno contesta a todas las preguntas al azar.

  1. a) ¿Cuál es la probabilidad de que acierte más de 30 preguntas?
  2. b) Si para aprobar el examen se necesita obtener al menos 40 aciertos, ¿cuál es la probabilidad de que el alumno apruebe por puro azar?
  3. c) Determina el intervalo $(np - 2\sigma, np + 2\sigma)$ e interpreta su significado en este contexto.
10 15 20 25 30 35 40 X ~ B(100, 0,25) ≈ N(25, 4,33) μ = 25 a) P(X > 30) b) P(X ≥ 40) 16,34 33,66 c) μ ± 2σ Contiene el ~95,4% de la probabilidad
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Una cadena de gimnasios sabe que el 20 % de sus clientes inscritos no acude nunca a las instalaciones. Si en un gimnasio concreto hay 600 inscritos: a) Calcula la…

Una cadena de gimnasios sabe que el 20 % de sus clientes inscritos no acude nunca a las instalaciones. Si en un gimnasio concreto hay 600 inscritos:

  1. a) Calcula la probabilidad de que el número de clientes que nunca acuden esté entre 110 y 135 inclusive.
  2. b) Si el gimnasio decide lanzar una campaña de motivación para estos clientes si el número de "inactivos" supera los 140, ¿qué probabilidad hay de que tengan que lanzar dicha campaña?
  3. c) ¿Cuál es el número máximo de clientes inactivos que se espera encontrar con una probabilidad del 90 %?
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Laboratorio digital: cálculo exacto frente a aproximación

En Python 3, con biblioteca estándar, compara la probabilidad exacta de entre 40 y 50 éxitos en 120 ensayos independientes de probabilidad 0,35 con su aproximación normal. Predice el orden de magnitud antes de ejecutar:

from math import comb, sqrt

from statistics import NormalDist

n, p = 120, 0.35

masa = [comb(n,k)*p**k*(1-p)**(n-k) for k in range(n+1)]

modelo = NormalDist(n*p, sqrt(n*p*(1-p)))

exacta = sum(masa[40:51])

aprox = modelo.cdf(50.5)-modelo.cdf(39.5)

print(exacta, aprox, abs(exacta-aprox))

print('Control:', sum(masa))

print('Puntual en 42:', masa[42])

print('Acumulada hasta 42:', sum(masa[:43]))

print('Percentil normal 90:', modelo.inv_cdf(0.90))

Contrasta la aproximación con la tabla del ejemplo anterior: el pequeño cambio se debe a que el programa no redondea z antes de calcular. La suma de todas las masas debe aproximarse a 1. El percentil de la normal no tiene por qué ser entero: para hallar el percentil binomial busca el menor entero k con acumulada al menos 0,90.

Registra exacta, aproximación y error absoluto; cambia p a 0,02 y vuelve a comparar. Explica por qué n grande por sí solo no basta. Para estimar una probabilidad desconocida por frecuencias, repite un experimento o simulación a 100 y 1 000 ensayos: más datos suelen estabilizar la estimación, pero no garantizan acercarse en cada paso.

Resumen

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