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UNIDAD




2                Estimación
OBJETIVO EDUCACIONAL

        Al término de esta unidad el alumno:
            Aplicará los fundamentos de la teoría de estimación en problemas que
            requieran el cálculo del tamaño de la muestra, con los diferentes
            intervalos de confianza de la media, proporción y varianza.
            Determinará el tamaño de la muestra representativa.


Introducción
La teoría de la inferencia estadística consiste en aquellos métodos con los cuales se pueden
realizar generalizaciones acerca de una población. La tendencia actual es distinguir entre el
método clásico para estimar un parámetro poblacional, por medio del cual las inferencias se
basan en la información obtenida de una muestra aleatoria seleccionada de la población, y el
método bayesiano, el cual utiliza el conocimiento subjetivo previo acerca de la distribución de
probabilidad con los parámetros desconocidos, junto con la información proporcionada por los
datos muestrales. La inferencia estadística puede dividirse en dos áreas principales: estimación
y pruebas de hipótesis.

Necesidad de la Estimación
Las fábricas a menudo deben evaluar las características de desempeño de un producto tomando
en cuenta aspectos como la resistencia promedio, el peso o el tiempo de vida. Las grandes
tiendas de departamentos deben predecir la demanda de diversos artículos. Así, la estimación
comprende: la valoración de inventarios, la estimación de costos de proyectos, la evaluación de
nuevas fuentes energéticas, la predicción del desempeño en el trabajo y la estimación de
tiempos estándar de tareas asignadas.



                                               13
SPC Nivel Intermedio ____________________________________________________________________________


Características de un buen estimador. Propiedades de los Estimadores

  Un estimador es una regla que establece cómo calcular una estimación basada en las
   mediciones contenidas en una muestra.



  Estimador Insesgado. Un estadístico es un estimador insesgado del parámetro, sí E ( ˆ )


  Eficiencia Relativa. Si se consideran todos los estimadores insesgados posibles de algún
   parámetro , aquel con la varianza más pequeña es el estimador más eficiente.

  Estimador Consistente. El estimador insesgado ˆ para                            es un estimador consistente de
   si limn E( ˆ )        y límn V ( ˆ ) 0

  Estimador suficiente. Sea X 1 , X 2 ,  , X n una muestra aleatoria de una distribución de
   probabilidad con un parámetro desconocido                . Se dice que el estadístico
   U g( X 1 , X 2 , X n ) es suficiente para sí la distribución condicional de X 1 , X 2 ,  , X n
   dado U no depende de .

2.1 Estimación de medias

Intervalo de confianza para , conociendo . Si x es la media de una muestra aleatoria de
                                                                    2
tamaño n de una población con varianza conocida                         , el intervalo de confianza del (1         ) 100%
para        es

                                   x   z    / 2                     x        z   / 2
                                                      n                                    n
donde z      /2   es el valor de z a la derecha del cual se tiene un área de                     /2

Teorema 2.1 Sí se utiliza x como una estimación de                               , se puede tener una confianza del

                  (1    )100% de que el error no excederá de E                         z   /2   / n

Teorema 2.2 Sí se utiliza x como una estimación de                               , se puede tener una confianza del
                  (1    )100% de que el error no excederá de una cantidad específica E cuando el
                                                                         2
                  tamaño de la muestra es         n       z   /2   /E




       14                                                                                  José Armando Rodríguez Romo
_____________________________________________________________________________________ Estimación


Intervalo de confianza para , con                                  desconocida ( n                           30 ). Si x y s son la media y la
desviación estándar de una muestra aleatoria de tamaño n de una población normal con
                             2
varianza desconocida         , el intervalo de confianza del (1                                              )100% para                es

                                                                   s                                               s
                                  x       z       / 2                                       x       z    / 2
                                                                   n                                               n

donde z    /2   es el valor de z a la derecha del cual se tiene un área de                                                   /2

Intervalo de confianza para , con                              desconocida ( n < 30 ). Si x y s son la media y la
desviación estándar de una muestra aleatoria de tamaño n de una población normal con
                             2
varianza desconocida         , el intervalo de confianza del (1                                              )100% para                es
                                                                   s                                           s
                                      x       t       / 2 ,v                               x    t   / 2 ,v
                                                                       n                                       n
donde t    /2,v   es el valor de t con v = n – 1 grados de libertad, a la derecha del cual se tiene un
área de     /2

Ejemplo 1 Se registraron las siguientes mediciones del tiempo de secado, en horas, de una
      marca de pintura látex:
                            3.4               2.5                               4.8                 2.9                    3.6
                            2.8               3.3                               5.6                 3.7                    2.8
                            4.4               4.0                               5.2                 3.0                    4.8
Suponiendo que las mediciones representan una muestra aleatoria de una población normal,
encuentre un intervalo de confianza del 99% para el tiempo promedio de secado de esta marca
de pintura látex.
Solución
                                                                       n
                                                                           xi
                                                                   i 1                    3.4   2.5          4.8                4.8
La media muestral de los datos es                 x                                                                                         3.7867
                                                                           n                                 15

                                                  n                            n           2
                                                               2
                                                         x     i                     xi
                                              i 1                              i 1                      228.28           (56.8 ) 2
y su desviación estándar          s                                                                                                         0.9709
                                                                   n           1                                       14




     José Armando Rodríguez Romo                                                                                                                     15
SPC Nivel Intermedio ____________________________________________________________________________


De la Tabla T.3 del apéndice encontramos el valor de t 0.995 , 14            2.98 , entonces un intervalo de

confianza del 99% para la media     está dado por
                                                 s                       s
                                x   t   / 2 ,v         x   t   / 2 ,v
                                                 n                       n

                                        0.9709                                   0.9709
                   3.7867    2.98                      3.7867           2.98
                                            15                                      15
que se reduce a
                                         3.0396        4.5337




 EJERCICIOS 2.1
1. Un fabricante produce focos que tienen un            b) ¿Qué se puede afirmar con un 98% de
   promedio de vida con distribución                       confianza acerca del posible tamaño
   aproximadamente normal y una desviación                 del error si se estima que la estatura
   estándar de 40 horas. Si una muestra de 30              promedio de todos los estudiantes es
   focos tiene una vida promedio de 780                    174.5 centímetros?
   horas, encuentre un intervalo de confianza        4. Una muestra aleatoria de 100 propietarios
   del 96% para la media poblacional de todos           de automóvil indica que, en el estado de
   los focos que produce esta empresa.                  Virginia, un automóvil recorre un
2. Una máquina de refrescos está ajustada de            promedio de 23500 kilómetros por año
   tal manera que la cantidad de líquido                con una desviación estándar de 3900
   despachada            se         distribuye          kilómetros.
   aproximadamente en forma normal con                  a) Determine un intervalo de confianza del
   una desviación estándar igual que 0.15                   99% para la cantidad promedio de
   decilitros. Encuentre un intervalo de                    kilómetros que un automóvil recorre
   confianza del 95% para la media de todos                 anualmente en Virginia.
   los refrescos que sirve esta máquina si una
   muestra aleatoria de 36 refrescos tiene un           b) ¿Qué se puede afirmar con una
   contenido promedio de 2.25 decilitros.                  confianza del 99% respecto al posible
                                                           tamaño del error si se estima que la
3. Las estaturas de una muestra aleatoria de               cantidad promedio de kilómetros
    50 estudiantes mostraron una medía de                  recorridos por los propietarios de
    174.5 centímetros y una desviación                     vehículos en Virginia es de 23500
    estándar de 6.9 centímetros.                           kilómetros al año?
   a) Determine un intervalo de confianza del        5. ¿Qué tan grande se requiere que sea una
       98% para la estatura promedio de                  muestra en el ejercicio 1 si se desea tener
       todos los estudiantes.                            una confianza del 96% de que la media


    16                                                                       José Armando Rodríguez Romo
_____________________________________________________________________________________ Estimación


    muestral esté dentro de las 10 horas del                gramos. Suponiendo que los contenidos de
    promedio real?                                          azúcar están distribuidos normalmente,
                                                            determine un intervalo de confianza del 95%
6. ¿Qué tan grande se requiere que sea una
                                                            para el contenido promedio de azúcar de
   muestra en el ejercicio 2 si se desea tener
                                                            porciones sencillas de dicho cereal.
   una confianza del 95% de que la media
   muestral estará dentro de 0.09 decilitros             10. Una máquina produce piezas metálicas de
   del promedio real?                                       forma cilíndrica. Se toma una muestra de piezas
                                                            cuyos diámetros son 1.01, 0.97, 1.03, 1.04, 0.99,
7. Un experto en eficiencia desea determinar
                                                            0.98, 0.99, 1.01 y 1.03 centímetros. Encuentre
   el tiempo promedio que toma el hacer tres
                                                            un intervalo de confianza del 99% para el
   perforaciones en una cierta pieza metálica.
                                                            diámetro promedio de piezas de esta máquina,
   ¿Qué tan grande se requiere que sea la
                                                            si supone una distribución aproximadamente
   muestra si se necesita una confianza del
                                                            normal.
   95% de que su media muestral estará
   dentro de 15 segundos del promedio real?              11. Una muestra aleatoria de 8 cigarros de una
   Asuma que, por estudios previos se sabe                   marca determinada tiene un contenido
   que = 40 segundos.                                        promedio de nicotina de 2.6 miligramos y
                                                             una desviación estándar de 0.9 miligramos.
8. Un investigador de la Universidad UCLA afirma
                                                             Determine un intervalo del 99% de
    que el ciclo de vida de los ratones puede
                                                             confianza para el contenido promedio real
    prolongarse hasta en 25% cuando las calorías
                                                             de nicotina de esta marca de cigarros en
    en      su     alimentación      se     reducen
                                                             particular, asumiendo que la distribución
    aproximadamente un 40% desde el momento
                                                             de los contenidos de nicotina son
    en que se les desteta. Las dietas con
                                                             aproximadamente normales.
    restricciones son enriquecidas a niveles
    normales con vitaminas y proteínas.                  12. Se toma una muestra aleatoria de 12
    Suponiendo que, por estudios previos, se sabe           agujas de tejer en un estudio de la dureza
    que = 5.8 meses, ¿cuántos ratones deben                 Rockwell de la cabeza las agujas. Se
    incluirse en la muestra si se desea tener una           realizan las mediciones de la dureza para
    confianza del 99% de que el ciclo promedio de           cada una de las 12 piezas, de lo que se
    vida de la muestra estará dentro de los 2 meses         obtiene un valor promedio de 48.50 con
    del promedio poblacional para todos los ra-             una desviación estándar de 1.5.
    tones sujetos a esta dieta reducida?                    Suponiendo que las mediciones están
                                                            normalmente distribuidas, determine un
9. El consumo regular de cereales preendulzados
                                                            intervalo de confianza del 90% para la
    contribuye a la caída de los dientes,
                                                            dureza Rockwell promedio.
    enfermedades del corazón y otros procesos
    degenerativos de acuerdo con estudios del Dr.        13. Una muestra aleatoria de 12 alumnas
    W. H. Bowen del National Institutes of Health           graduadas de una escuela secretarial
    (Instituto Nacional de Salud) y el. Dr. J. Yudbcn.      mecanografío un promedio de 79.3
    profesor de nutrici6n y dietética en la                 palabras por minuto con una desviación
    Universidad de Londres. En una muestra alea-            estándar de 7.8 palabras por minuto.
    toria de 20 porciones sencillas de un cereal el         Suponiendo una distribución normal para
    contenido promedio de azúcar fue de 11.3                la cantidad de palabras mecanografiadas
    gramos con una desviación estándar de 2.45              por minuto, encuentre un intervalo de


     José Armando Rodríguez Romo                                                                    17
SPC Nivel Intermedio ____________________________________________________________________________


     confianza del 95% para el número                        15. Se registraron las siguientes mediciones
     promedio de palabras mecanografiadas                       del tiempo de secado, en horas, de una
     por todas las graduadas de esta escuela.                   marca de pintura látex:
14. Una muestra aleatoria de 25 cigarros de                          3.4        2.5        4.8             2.9   3.6
   una marca determinada tiene un                                    2.8        3.3        5.6             3.7   2.8
   contenido promedio de nicotina de 1.3                             4.4        4.0        5.2             3.0   4.8
   miligramos y una desviación estándar de
                                                                Suponiendo       que    las    mediciones
   0.17 miligramos. Encuentre los límites de
                                                                representan una muestra aleatoria de una
   confianza del 95% para el contenido
                                                                población normal, encuentre los límites de
   promedio contenidos de nicotina para esta
                                                                confianza del 99% para la media
   marca de cigarros, suponiendo que las
                                                                poblacional de los tiempos de secado.
   mediciones       están      normalmente
   distribuidas.
2.2 Estimación proporciones, P, (muestras grandes). Si ˆ
                                                       p                   x / n , es la proporción de éxitos
                                        ˆ
en una muestra aleatoria de tamaño n, y q                1    ˆ , un intervalo de confianza aproximado del
                                                              p

(1     ) 100% para el parámetro binomial P es:

                                                    ˆq
                                                    pˆ                     ˆq
                                                                           pˆ
                                        ˆ z
                                        p      /2        P     ˆ z
                                                               p      /2
                                                    n                      n

donde z    /2   es el valor de z a la derecha del cual se tiene un área de            /2


Teorema 2.3 Sí se utiliza          ˆ como una estimación de P, se puede tener una confianza del
                                   p

                  (1     )100% de que el error E no excederá de z               /2    ˆ q / n.
                                                                                      pˆ


Teorema 2.4 Sí se utiliza          ˆ
                                   p como una estimación de P, se puede tener una confianza del

                  (1     )100% de que el error no excederá de una cantidad específica E cuando
                  el tamaño de la muestra es

                                   2                                                                         2
                         z                                                                 1     z
                   n         / 2       ˆˆ
                                       pq     si no se tiene ˆ entonces
                                                             p              nmax                     / 2
                             E                                                             4         E

Ejemplo 2 En una muestra aleatoria de de n               500 familias que tienen televisores en la ciudad
de Hamilton, Canadá, se encuentra que x                      340 están suscritas a HBO. a) Encuentre un
intervalo de confianza del 95% para la proporción real de familias en esta ciudad que están



      18                                                                        José Armando Rodríguez Romo
________________________________________________________________________ Estimación de Parámetros


suscritas a HBO; b) ¿Qué tan grande se requiere que sea una muestra si queremos tener el 95%
de confianza de que nuestra estimación de P esté dentro de 0.02?

Solución

a) Dado que se tienen una muestras aleatorias grande ( n                                500 ), de una población grande,

   utilizaremos el caso 4; con x                       ˆ
                                                 340 , p         340         y 1             0.95 .
                                                                       500

                                                                                               ˆq
                                                                                               pˆ                           ˆq
                                                                                                                            pˆ
4) Intervalo de confianza para P (muestras grandes).                           ˆ
                                                                               p z      /2             P     ˆ
                                                                                                             p z   /2
                                                                                               n                            n

Sustituyendo los valores de las muestras y el valor de z                           /2   1.96 obtenido de la Tabla 1 del

apéndice para un área a la izquierda de 0.9750

                                       (0.68)(0.32)                                      (0.68)(0.32)
                         0.68   1.96                             P      0.68    1.96
                                           500                                               500

encontramos

                                                          0.64   P      0.72

b) Tratando las 500 familias como una muestra preliminar que proporciona una estimación

    ˆ
    p        340         0.68 , y E    0.02 Entonces, por el teorema 2.4
                   500

                                                 2                                                                               2
                                  z                                                                           1    z
         Teorema 2.4 n                 / 2           ˆˆ
                                                     pq     si no se tiene ˆ entonces
                                                                           p                          nmax              / 2
                                       E                                                                      4         E

         Sustituyendo

                                             2
                                  1.96
                            n                    (0.68)(0.32)        2090 Familias
                                  0.02




        19                                                                               José Armando Rodríguez Romo
SPC Nivel Intermedio ____________________________________________________________________________



 EJERCICIOS 2.2
1.a) Se selecciona una muestra aleatoria de            experimentales se realiza con el nuevo
     200 votantes y se encuentra que 114               sistema y 34 de ellos tienen éxito.
     respaldan un convenio de anexión.                a) Determine un intervalo de confianza de
     Encuentre el intervalo de confianza del             95% para P.
     96% para la fracción de la población de
                                                      b) ¿Consideraría usted que el nuevo
     votantes que favorece el convenio.
                                                          sistema es mejor?
 b) ¿Qué se puede afirmar con una confianza
                                                   6.      Un especialista en genética está
     de 96% acerca de la posible magnitud
                                                       interesado en la proporción de hombres
     del error si se estima que la fracción de
                                                       africanos que presentan un desorden
     votantes que favorecen el convenio de
                                                       sanguíneo leve. En una muestra aleatoria
     anexión es 0.57?
                                                       de 100 de ellos. se encontró que 24
2.a) Se selecciona una muestra aleatoria de            presentaban dicho desorden.
     500 fumadores de cigarro y se
                                                     a) Calcule un intervalo de confianza de 99%
     encuentra que 86 de ellos prefieren la
                                                        para la proporción de hombres
     marca X. Encuentre el intervalo de
                                                        africanos que tienen este desorden
     confianza de 90% para la fracción de la
                                                        sanguíneo.
     población de fumadores que prefieren
     la marca X.                                     b) ¿Qué se puede afirmar con una
  b) ¿Qué se puede afirmar con una                     confianza del 99% acerca de la posible
     confianza de 90% acerca de la posible             magnitud del error si se estima que la
     magnitud del error si se estima que la            proporción de personas con este
     fracción de fumadores que prefieren la            desorden sanguíneo es 0.24?
     marca X es 0.1721?                            7.a) De acuerdo con un informe que se
3. En una muestra aleatoria de 1000 casas en           publicó en el Roanoke Times & Wor/d.
   una determinada ciudad, se encuentra                News, el 20 de agosto de 1981,
   que 228 de ellas tiene calefacción de               aproximadamente 2/3 de los 1600 adul-
   petróleo. Encuentre el intervalo de                 tos investigados por teléfono dijeron que
   confianza de 99% para la proporción de              piensan que el programa espacial es una
   hogares en esta ciudad que tiene este tipo          buena inversión del país. Encuentre un
   de calefacción.                                     intervalo de confianza del 95% para la
4. Calcule un intervalo de confianza del 98%           proporción de adultos en los Estados
   para la proporción de artículos                     Unidos que piensa que el programa
   defectuosos en un proceso cuando se                 espacial es Una buena inversión para el
   encuentra que en una muestra de tamaño              país.
   100, ocho tienen fallas.                          b) ¿Qué se puede afirmar con una
5. Se está considerando un nuevo sistema de             confianza del 95% acerca de la posible
   lanzamiento de cohetes para el                       magnitud del error si se estima que la
   despliegue de cohetes pequeños de corto              proporción de estos adultos que
   alcance. El sistema actual tiene una P =             consideran al programa espacial como
   0.8 como probabilidad de un lanzamiento              una buena inversión es 2/3?
   exitoso. Una muestra de 40 lanzamientos         8. El artículo de periódico al que se hizo


    20                                                            José Armando Rodríguez Romo
________________________________________________________________________ Estimación de Parámetros


    referencia en el ejercicio 7, 32% de los          estará dentro del 1% del porcentaje real
    1600 adultos interrogados dijeron que el       13. De acuerdo con el doctor Memory Elvin-
    programa espacial de los Estados Unidos            Lewis, jefe del departamento de
    debe hacer hincapié en la exploración              microbiología     de    la    Washington
    científica. ¿Qué tan grande se requiere            University School Dental Medicine en San
    que sea la muestra de adultos si se desea          Luis, un par de tasas diarias de té,
    tener una confianza de 95% de que el               proporciona suficiente flúor para evitar la
    porcentaje estimado estará dentro del              caída de los dientes. A las personas a las
    2% del porcentaje real?                            que no les gusta el té y viven en áreas
9. ¿Qué tan grande debe ser una muestra en             carentes de flúor deben pedir a las
   el ejercicio 1 si se desea obtener una              autoridades locales que consideren la
   confianza de 96% de que la proporción               posibilidad de tratar sus aguas con flúor.
   muestral estará dentro del 0.02 de la               ¿Qué tan grande debe ser una muestra
   fracción real de la población de votantes?          para estimar el porcentaje de ciudadanos
10. ¿Qué tan grande debe ser una muestra               en un cierto pueblo que están a favor de
   en el ejercicio 3 si se desea tener una             que sus aguas se traten con flúor si se
   confianza del 99% de que la proporción              desea tener una confianza de al menos
   muestral estará dentro del 0.05 de la               99% de que la estimación estará dentro
   proporción real de hogares en esta ciudad           del 1 % del porcentaje real?
   que utilizan calefacción de petróleo?           14. Se realiza un estudio para estimar la
11. ¿Qué tan grande debe ser una muestra              proporción de residentes en una ciudad y
   en el ejercicio 4 si se desea tener una            en sus suburbios que están a favor de la
   confianza del 98% de que la proporción             construcción de una planta de energía
   muestral estará dentro del 0.05 de la              nuclear. ¿Qué tan grande debe ser una
   proporción real de partes defectuosas?             muestra si se requiere una confianza al
12. Se realiza un estudio para estimar el             menos del 95% de que la estimación
   porcentaje de ciudadanos de un pueblo              estará dentro del 0.04 de la proporción
   que están a favor de que su agua se trate          real de residentes de esta ciudad y sus
   con flúor. ¿Qué tan grande debe ser una            suburbios que están a favor de la
   muestra si se desea tener una confianza al         construcción de la planta de energía
   menos del 95% de que la estimación                 nuclear?




     José Armando Rodríguez Romo                                                          21
SPC Nivel Intermedio ____________________________________________________________________________


                                         2
2.3 Estimación de varianzas,                 . Si es la varianza de una muestra aleatoria de tamaño n de
una población normal, un intervalo de confianza del (1                                               )100% para es:

                                             ( n 1 )s 2                           2       ( n 1 )s 2
                                                  2                                          2
                                                  1           / 2 ,v                             / 2 ,v


           2                        2                                                            2
donde      1   / 2, v   y               / 2, v        son valores de                                 con v = n – 1 grados de libertad, con

áreas de 1         /2       y           / 2 , respectivamente, a la izquierda.

Ejemplo 3. Un fabricante de baterías para automóvil asegura que sus baterías duran, en
     promedio, 3 años con una variancia de 1 año. Si 5 de estas baterías tienen duraciones de
                                                                                                                                                   2
     1.9, 2.4, 3.0, 3.5 y 4.2 años determine un intervalo de confianza del 95% para                                                                    e
                                                                                                            2
     indique si es válida la afirmación del fabricante de que                                                         1 . Suponga que la población
     de las duraciones de las baterías se distribuye aproximadamente en forma normal.

Solución
                                                                 n
                                                                       xi
                                                               i 1                1.9 2.4 3.0 4.2
La media muestral de los datos es                 x                                                                      3.000
                                                                     n                   15
                                                                                      2
                                              n                          n
                                                          2
                                                      x   i                  xi
                                             i 1                       i 1                    228.28 ( 15 )2
y su desviación estándar        s                                                                                           0.902774
                                                              n 1                                   4


                                                                                                          2                         2
De la Tabla T.2 del apéndice encontramos el valor de                                                      0.025 , 4    0.484 y      0.975 , 4   11.14 ,
                                                                                                           2
entonces un intervalo de confianza del 95% para la varianza,                                                    está dado por

                                             ( n 1 )s 2                           2       ( n 1 )s 2
                                                  2                                          2
                                                  1           / 2 ,v                             / 2 ,v


                        ( 5 1 )( 0.902774 )2                                      2       ( 5 1 )( 0.902774 )2
                               11.14                                                             0.484
que se reduce a
                                                                                  2
                                              0.29255                                     6.72972

                                              0.540882                                    2.59417


    22                                                                                                           José Armando Rodríguez Romo
_____________________________________________________________________________________ Estimación


Determinación del tamaño de muestra

     i.     Basado en la media de la Población

Teorema 3.2 Sí se utiliza x como una estimación de                               , se puede tener una confianza del
(1         )100% de que el error no excederá de una cantidad específica E cuando el tamaño de la
                                                     2
muestra es        n     z       /2       /E

 ii.        Basado en la proporción de la Población

Teorema 3.4 Sí se utiliza                        ˆ
                                                 p como una estimación de P, se puede tener una confianza del

(1         )100% de que el error no excederá de una cantidad específica E cuando el tamaño de la
muestra es
                                                 2                                                         2
                                z                                                            1   z
                    n                  / 2           ˆˆ
                                                     pq   si no se tiene ˆ entonces
                                                                         p            nmax           / 2
                                     E                                                       4       E

 iii.       Basado en la diferencia entre las medias de la Población

Teorema 3.5 Sí se utiliza x como una estimación de                               , se puede tener una confianza del
(1         )100% de que el error no excederá de una cantidad específica E cuando el tamaño de la
                                         2
                            z    / 2                 2    2
muestra es        n                          (       1    2   )
                                E




          José Armando Rodríguez Romo                                                                          23
SPC Nivel Intermedio ____________________________________________________________________________



EJERCICIOS 3.8
1. Un fabricante de baterías para automóvil          centímetros. Encuentre un intervalo de
   asegura que sus baterías duran, en                confianza del 99% para el diámetro prome-
   promedio, 3 años con una variancia de 1           dio de piezas de esta máquina, si supone
   año. Si 5 de estas baterías tienen                una     distribución    aproximadamente
   duraciones de 1.9, 2.4, 3.0, 3.5 y 4.2 años       normal. Determine un intervalo de
   determine un intervalo de confianza del           confianza del 99% para 2.
   95% para 2 e indique si es válida la           4. Una muestra aleatoria de 10 barras de
   afirmación del fabricante de que 2 1 .            chocolate de cierta clase tiene, en
   Suponga que la población de las                   promedio, 230 calorías con una desviación
   duraciones de las baterías se distribuye          estándar de 15 calorías. Determine un
   aproximadamente en forma normal.                  intervalo de confianza del 99%. Suponga
2. Se obtiene una muestra aleatoria de 20            que la distribución de las calorías es
   estudiantes con una media de x 72 y               normal.
   una variancia de s 2 16 en un examen           5. Se toma una muestra de 12 agujas de tejer
   de ubicación de matemáticas. Suponga              en un estudio de prueba de dureza por el
   que las calificaciones tienen una                 método de Rockwell para cada una de las
   distribución normal y determine un                12, lo que dio un valor promedio de 48.50
   intervalo de confianza del 98% para 2 .           con una desviación estándar de 1.5.
                                                     Suponga que las mediciones se distribuyen
3. Una máquina produce piezas metálicas de           de forma normal. Determine un intervalo
   forma cilíndrica. Se toma una muestra de          de confianza del 90% para .
   piezas cuyos diámetros son 1.01, 0.97,
   1.03, 1.04, 0.99, 0.98, 0.99, 1.01 y 1.03




    24                                                            José Armando Rodríguez Romo
_____________________________________________________________________________________ Estimación



                                                     Formulario de Estimación

1) Intervalo de confianza para , conociendo .                                                   x      z    / 2                                   x        z    / 2
                                                                                                                        n                                                   n

                                                                                                                            s                                                    s
2) Intervalo de confianza para ,                      desconocida ( n 30 ). x                               z     / 2                                  x        z     / 2
                                                                                                                            n                                                    n

                                                                                                                                    s                                           s
3) Intervalo de confianza para ,                              desconocida ( n < 30 ). x                            t     /2                                x     t    /2
                                                                                                                                     n                                           n

                                                                                                                                                                 2          2
4) Intervalos de Confianza para la Diferencia de Dos Medias,                                                                                                          y
                                                                                                                   1-       2;    conociendo                     1          2    .

                                                          2         2                                                                         2            2
                                                          1         2                                                                         1            2
                 ( x1      x2 ) z               /2                              1           2       ( x1    x2 ) z              /2
                                                      n1           n2                                                                     n1           n2

                                                                        2               2
5) Intervalo de confianza para                        1-      2;        1   y           2   desconocidas (n1 y n2 30)

                                                      2         2                                                                                  2             2
                                                     s1        s2                                                                                 s1            s2
          ( x1      x2 )           z       / 2                                  1           2        ( x1         x2 )          z       / 2
                                                     n1        n2                                                                                 n1            n2

                                                                        2           2
6) Intervalo de confianza para                        1-      2;        1           2   pero desconocidas (n1 y n2 < 30)

                                                      1        1                                                                                   1            1
          ( x1      x2 )       t       / 2 ,v   sp                              1           2       ( x1        x2 )        t    / 2 ,v   sp
                                                      n1       n2                                                                                  n1           n2


donde sp es la estimación común de la desviación estándar poblacional dada por

                                                         2                              2
                                       ( n1          1 )s1          ( n2            1 )s2
                    sp                                                                          ;     y     v      n1           n2            2 gl
                                                     n1        n2           2

                                                                        2           2
7) Intervalo de confianza para                        1-      2;        1           2   y desconocidas (n1 y n2 < 30).

                                                       2        2                                                                              2            2
                                                      s1       s2                                                                             s1           s2
             ( x1       x2 )           t    / 2 ,v                              1           2       ( x1        x2 )        t    / 2 ,v
                                                      n1       n2                                                                             n1           n2




     José Armando Rodríguez Romo                                                                                                                                            25
SPC Nivel Intermedio ____________________________________________________________________________


                                                                                                              2                           2                   2
                                                                                                             s1 / n1                     s2 / n2
      donde t     /2, v   es el valor de t con v
                                                                                 ( s1 / n1 )2 /( n1
                                                                                    2
                                                                                                                           1)             ( s2 / n2 )2 /( n2
                                                                                                                                             2
                                                                                                                                                                                          1)


8) Intervalo de confianza para observaciones pareadas (                                                       D       =    1   -        2).


                                                                    sd                                                             sd
                                               d   t   / 2 ,v                     1           2         d         t   / 2 ,v
                                                                     n                                                              n


                                                                                                                                         ˆˆ
                                                                                                                                         pq                                               ˆˆ
                                                                                                                                                                                          pq
9) Intervalo de confianza para P (muestras grandes).                                                        ˆ
                                                                                                            p z             /2                        P            ˆ
                                                                                                                                                                   p z           /2
                                                                                                                                         n                                                n

10) Intervalo de confianza para P1 P2 (muestras grandes).

                                           ˆ ˆ
                                           p1q1          ˆ ˆ
                                                         p2 q2                                                                                                    ˆ ˆ
                                                                                                                                                                  p1q1            ˆ ˆ
                                                                                                                                                                                  p2 q2
         ˆ
       ( p1       ˆ
                  p2 )        z     / 2                                          P1        P2             ˆ
                                                                                                        ( p1               ˆ
                                                                                                                           p2 )             z       / 2
                                            n1            n2                                                                                                       n1              n2




                                                          2                      ( n 1 )s 2                  2            ( n 1 )s 2
11) Intervalo de confianza para                                 .                  2                                           2
                                                                                   1       / 2 ,v                                  / 2 ,v




                                                                                   2                                           2               2
                                                                                  s1                1                                         s1
12) Intervalo de confianza para                           2
                                                          1     /        2
                                                                         2
                                                                                   2
                                                                                                                               1
                                                                                                                                                      fvv2, 1              / 2
                                                                                  s2       fvv1, 1          / 2
                                                                                                                               2
                                                                                                                               2
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                                                                                                                                              s2          1

                                                                                             2




Determinación del tamaño de muestra

                                                                                                        2
                                                                                       z    /2
13) Basado en la media de la Población                                       n
                                                                                           E

14)   Basado en la proporción de la Población

                                      2                                                                                                                            2
                          z                                                                                                                 1 z /2
           a) n               / 2         ˆˆ
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                                                                  p
                              E                                                                                                             4 E

                                                                                                                                                          2
                                                                                                                                          z     / 2                    2         2
15) Basado en la diferencia entre las medias de la Población                                                               n                                  (        1         2    )
                                                                                                                                                E


      26                                                                                                                           José Armando Rodríguez Romo

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2 estimación

  • 1. UNIDAD 2 Estimación OBJETIVO EDUCACIONAL Al término de esta unidad el alumno: Aplicará los fundamentos de la teoría de estimación en problemas que requieran el cálculo del tamaño de la muestra, con los diferentes intervalos de confianza de la media, proporción y varianza. Determinará el tamaño de la muestra representativa. Introducción La teoría de la inferencia estadística consiste en aquellos métodos con los cuales se pueden realizar generalizaciones acerca de una población. La tendencia actual es distinguir entre el método clásico para estimar un parámetro poblacional, por medio del cual las inferencias se basan en la información obtenida de una muestra aleatoria seleccionada de la población, y el método bayesiano, el cual utiliza el conocimiento subjetivo previo acerca de la distribución de probabilidad con los parámetros desconocidos, junto con la información proporcionada por los datos muestrales. La inferencia estadística puede dividirse en dos áreas principales: estimación y pruebas de hipótesis. Necesidad de la Estimación Las fábricas a menudo deben evaluar las características de desempeño de un producto tomando en cuenta aspectos como la resistencia promedio, el peso o el tiempo de vida. Las grandes tiendas de departamentos deben predecir la demanda de diversos artículos. Así, la estimación comprende: la valoración de inventarios, la estimación de costos de proyectos, la evaluación de nuevas fuentes energéticas, la predicción del desempeño en el trabajo y la estimación de tiempos estándar de tareas asignadas. 13
  • 2. SPC Nivel Intermedio ____________________________________________________________________________ Características de un buen estimador. Propiedades de los Estimadores Un estimador es una regla que establece cómo calcular una estimación basada en las mediciones contenidas en una muestra. Estimador Insesgado. Un estadístico es un estimador insesgado del parámetro, sí E ( ˆ ) Eficiencia Relativa. Si se consideran todos los estimadores insesgados posibles de algún parámetro , aquel con la varianza más pequeña es el estimador más eficiente. Estimador Consistente. El estimador insesgado ˆ para es un estimador consistente de si limn E( ˆ ) y límn V ( ˆ ) 0 Estimador suficiente. Sea X 1 , X 2 ,  , X n una muestra aleatoria de una distribución de probabilidad con un parámetro desconocido . Se dice que el estadístico U g( X 1 , X 2 , X n ) es suficiente para sí la distribución condicional de X 1 , X 2 ,  , X n dado U no depende de . 2.1 Estimación de medias Intervalo de confianza para , conociendo . Si x es la media de una muestra aleatoria de 2 tamaño n de una población con varianza conocida , el intervalo de confianza del (1 ) 100% para es x z / 2 x z / 2 n n donde z /2 es el valor de z a la derecha del cual se tiene un área de /2 Teorema 2.1 Sí se utiliza x como una estimación de , se puede tener una confianza del (1 )100% de que el error no excederá de E z /2 / n Teorema 2.2 Sí se utiliza x como una estimación de , se puede tener una confianza del (1 )100% de que el error no excederá de una cantidad específica E cuando el 2 tamaño de la muestra es n z /2 /E 14 José Armando Rodríguez Romo
  • 3. _____________________________________________________________________________________ Estimación Intervalo de confianza para , con desconocida ( n 30 ). Si x y s son la media y la desviación estándar de una muestra aleatoria de tamaño n de una población normal con 2 varianza desconocida , el intervalo de confianza del (1 )100% para es s s x z / 2 x z / 2 n n donde z /2 es el valor de z a la derecha del cual se tiene un área de /2 Intervalo de confianza para , con desconocida ( n < 30 ). Si x y s son la media y la desviación estándar de una muestra aleatoria de tamaño n de una población normal con 2 varianza desconocida , el intervalo de confianza del (1 )100% para es s s x t / 2 ,v x t / 2 ,v n n donde t /2,v es el valor de t con v = n – 1 grados de libertad, a la derecha del cual se tiene un área de /2 Ejemplo 1 Se registraron las siguientes mediciones del tiempo de secado, en horas, de una marca de pintura látex: 3.4 2.5 4.8 2.9 3.6 2.8 3.3 5.6 3.7 2.8 4.4 4.0 5.2 3.0 4.8 Suponiendo que las mediciones representan una muestra aleatoria de una población normal, encuentre un intervalo de confianza del 99% para el tiempo promedio de secado de esta marca de pintura látex. Solución n xi i 1 3.4 2.5 4.8  4.8 La media muestral de los datos es x 3.7867 n 15 n n 2 2 x i xi i 1 i 1 228.28 (56.8 ) 2 y su desviación estándar s 0.9709 n 1 14 José Armando Rodríguez Romo 15
  • 4. SPC Nivel Intermedio ____________________________________________________________________________ De la Tabla T.3 del apéndice encontramos el valor de t 0.995 , 14 2.98 , entonces un intervalo de confianza del 99% para la media está dado por s s x t / 2 ,v x t / 2 ,v n n 0.9709 0.9709 3.7867 2.98 3.7867 2.98 15 15 que se reduce a 3.0396 4.5337 EJERCICIOS 2.1 1. Un fabricante produce focos que tienen un b) ¿Qué se puede afirmar con un 98% de promedio de vida con distribución confianza acerca del posible tamaño aproximadamente normal y una desviación del error si se estima que la estatura estándar de 40 horas. Si una muestra de 30 promedio de todos los estudiantes es focos tiene una vida promedio de 780 174.5 centímetros? horas, encuentre un intervalo de confianza 4. Una muestra aleatoria de 100 propietarios del 96% para la media poblacional de todos de automóvil indica que, en el estado de los focos que produce esta empresa. Virginia, un automóvil recorre un 2. Una máquina de refrescos está ajustada de promedio de 23500 kilómetros por año tal manera que la cantidad de líquido con una desviación estándar de 3900 despachada se distribuye kilómetros. aproximadamente en forma normal con a) Determine un intervalo de confianza del una desviación estándar igual que 0.15 99% para la cantidad promedio de decilitros. Encuentre un intervalo de kilómetros que un automóvil recorre confianza del 95% para la media de todos anualmente en Virginia. los refrescos que sirve esta máquina si una muestra aleatoria de 36 refrescos tiene un b) ¿Qué se puede afirmar con una contenido promedio de 2.25 decilitros. confianza del 99% respecto al posible tamaño del error si se estima que la 3. Las estaturas de una muestra aleatoria de cantidad promedio de kilómetros 50 estudiantes mostraron una medía de recorridos por los propietarios de 174.5 centímetros y una desviación vehículos en Virginia es de 23500 estándar de 6.9 centímetros. kilómetros al año? a) Determine un intervalo de confianza del 5. ¿Qué tan grande se requiere que sea una 98% para la estatura promedio de muestra en el ejercicio 1 si se desea tener todos los estudiantes. una confianza del 96% de que la media 16 José Armando Rodríguez Romo
  • 5. _____________________________________________________________________________________ Estimación muestral esté dentro de las 10 horas del gramos. Suponiendo que los contenidos de promedio real? azúcar están distribuidos normalmente, determine un intervalo de confianza del 95% 6. ¿Qué tan grande se requiere que sea una para el contenido promedio de azúcar de muestra en el ejercicio 2 si se desea tener porciones sencillas de dicho cereal. una confianza del 95% de que la media muestral estará dentro de 0.09 decilitros 10. Una máquina produce piezas metálicas de del promedio real? forma cilíndrica. Se toma una muestra de piezas cuyos diámetros son 1.01, 0.97, 1.03, 1.04, 0.99, 7. Un experto en eficiencia desea determinar 0.98, 0.99, 1.01 y 1.03 centímetros. Encuentre el tiempo promedio que toma el hacer tres un intervalo de confianza del 99% para el perforaciones en una cierta pieza metálica. diámetro promedio de piezas de esta máquina, ¿Qué tan grande se requiere que sea la si supone una distribución aproximadamente muestra si se necesita una confianza del normal. 95% de que su media muestral estará dentro de 15 segundos del promedio real? 11. Una muestra aleatoria de 8 cigarros de una Asuma que, por estudios previos se sabe marca determinada tiene un contenido que = 40 segundos. promedio de nicotina de 2.6 miligramos y una desviación estándar de 0.9 miligramos. 8. Un investigador de la Universidad UCLA afirma Determine un intervalo del 99% de que el ciclo de vida de los ratones puede confianza para el contenido promedio real prolongarse hasta en 25% cuando las calorías de nicotina de esta marca de cigarros en en su alimentación se reducen particular, asumiendo que la distribución aproximadamente un 40% desde el momento de los contenidos de nicotina son en que se les desteta. Las dietas con aproximadamente normales. restricciones son enriquecidas a niveles normales con vitaminas y proteínas. 12. Se toma una muestra aleatoria de 12 Suponiendo que, por estudios previos, se sabe agujas de tejer en un estudio de la dureza que = 5.8 meses, ¿cuántos ratones deben Rockwell de la cabeza las agujas. Se incluirse en la muestra si se desea tener una realizan las mediciones de la dureza para confianza del 99% de que el ciclo promedio de cada una de las 12 piezas, de lo que se vida de la muestra estará dentro de los 2 meses obtiene un valor promedio de 48.50 con del promedio poblacional para todos los ra- una desviación estándar de 1.5. tones sujetos a esta dieta reducida? Suponiendo que las mediciones están normalmente distribuidas, determine un 9. El consumo regular de cereales preendulzados intervalo de confianza del 90% para la contribuye a la caída de los dientes, dureza Rockwell promedio. enfermedades del corazón y otros procesos degenerativos de acuerdo con estudios del Dr. 13. Una muestra aleatoria de 12 alumnas W. H. Bowen del National Institutes of Health graduadas de una escuela secretarial (Instituto Nacional de Salud) y el. Dr. J. Yudbcn. mecanografío un promedio de 79.3 profesor de nutrici6n y dietética en la palabras por minuto con una desviación Universidad de Londres. En una muestra alea- estándar de 7.8 palabras por minuto. toria de 20 porciones sencillas de un cereal el Suponiendo una distribución normal para contenido promedio de azúcar fue de 11.3 la cantidad de palabras mecanografiadas gramos con una desviación estándar de 2.45 por minuto, encuentre un intervalo de José Armando Rodríguez Romo 17
  • 6. SPC Nivel Intermedio ____________________________________________________________________________ confianza del 95% para el número 15. Se registraron las siguientes mediciones promedio de palabras mecanografiadas del tiempo de secado, en horas, de una por todas las graduadas de esta escuela. marca de pintura látex: 14. Una muestra aleatoria de 25 cigarros de 3.4 2.5 4.8 2.9 3.6 una marca determinada tiene un 2.8 3.3 5.6 3.7 2.8 contenido promedio de nicotina de 1.3 4.4 4.0 5.2 3.0 4.8 miligramos y una desviación estándar de Suponiendo que las mediciones 0.17 miligramos. Encuentre los límites de representan una muestra aleatoria de una confianza del 95% para el contenido población normal, encuentre los límites de promedio contenidos de nicotina para esta confianza del 99% para la media marca de cigarros, suponiendo que las poblacional de los tiempos de secado. mediciones están normalmente distribuidas. 2.2 Estimación proporciones, P, (muestras grandes). Si ˆ p x / n , es la proporción de éxitos ˆ en una muestra aleatoria de tamaño n, y q 1 ˆ , un intervalo de confianza aproximado del p (1 ) 100% para el parámetro binomial P es: ˆq pˆ ˆq pˆ ˆ z p /2 P ˆ z p /2 n n donde z /2 es el valor de z a la derecha del cual se tiene un área de /2 Teorema 2.3 Sí se utiliza ˆ como una estimación de P, se puede tener una confianza del p (1 )100% de que el error E no excederá de z /2 ˆ q / n. pˆ Teorema 2.4 Sí se utiliza ˆ p como una estimación de P, se puede tener una confianza del (1 )100% de que el error no excederá de una cantidad específica E cuando el tamaño de la muestra es 2 2 z 1 z n / 2 ˆˆ pq si no se tiene ˆ entonces p nmax / 2 E 4 E Ejemplo 2 En una muestra aleatoria de de n 500 familias que tienen televisores en la ciudad de Hamilton, Canadá, se encuentra que x 340 están suscritas a HBO. a) Encuentre un intervalo de confianza del 95% para la proporción real de familias en esta ciudad que están 18 José Armando Rodríguez Romo
  • 7. ________________________________________________________________________ Estimación de Parámetros suscritas a HBO; b) ¿Qué tan grande se requiere que sea una muestra si queremos tener el 95% de confianza de que nuestra estimación de P esté dentro de 0.02? Solución a) Dado que se tienen una muestras aleatorias grande ( n 500 ), de una población grande, utilizaremos el caso 4; con x ˆ 340 , p 340 y 1 0.95 . 500 ˆq pˆ ˆq pˆ 4) Intervalo de confianza para P (muestras grandes). ˆ p z /2 P ˆ p z /2 n n Sustituyendo los valores de las muestras y el valor de z /2 1.96 obtenido de la Tabla 1 del apéndice para un área a la izquierda de 0.9750 (0.68)(0.32) (0.68)(0.32) 0.68 1.96 P 0.68 1.96 500 500 encontramos 0.64 P 0.72 b) Tratando las 500 familias como una muestra preliminar que proporciona una estimación ˆ p 340 0.68 , y E 0.02 Entonces, por el teorema 2.4 500 2 2 z 1 z Teorema 2.4 n / 2 ˆˆ pq si no se tiene ˆ entonces p nmax / 2 E 4 E Sustituyendo 2 1.96 n (0.68)(0.32) 2090 Familias 0.02 19 José Armando Rodríguez Romo
  • 8. SPC Nivel Intermedio ____________________________________________________________________________ EJERCICIOS 2.2 1.a) Se selecciona una muestra aleatoria de experimentales se realiza con el nuevo 200 votantes y se encuentra que 114 sistema y 34 de ellos tienen éxito. respaldan un convenio de anexión. a) Determine un intervalo de confianza de Encuentre el intervalo de confianza del 95% para P. 96% para la fracción de la población de b) ¿Consideraría usted que el nuevo votantes que favorece el convenio. sistema es mejor? b) ¿Qué se puede afirmar con una confianza 6. Un especialista en genética está de 96% acerca de la posible magnitud interesado en la proporción de hombres del error si se estima que la fracción de africanos que presentan un desorden votantes que favorecen el convenio de sanguíneo leve. En una muestra aleatoria anexión es 0.57? de 100 de ellos. se encontró que 24 2.a) Se selecciona una muestra aleatoria de presentaban dicho desorden. 500 fumadores de cigarro y se a) Calcule un intervalo de confianza de 99% encuentra que 86 de ellos prefieren la para la proporción de hombres marca X. Encuentre el intervalo de africanos que tienen este desorden confianza de 90% para la fracción de la sanguíneo. población de fumadores que prefieren la marca X. b) ¿Qué se puede afirmar con una b) ¿Qué se puede afirmar con una confianza del 99% acerca de la posible confianza de 90% acerca de la posible magnitud del error si se estima que la magnitud del error si se estima que la proporción de personas con este fracción de fumadores que prefieren la desorden sanguíneo es 0.24? marca X es 0.1721? 7.a) De acuerdo con un informe que se 3. En una muestra aleatoria de 1000 casas en publicó en el Roanoke Times & Wor/d. una determinada ciudad, se encuentra News, el 20 de agosto de 1981, que 228 de ellas tiene calefacción de aproximadamente 2/3 de los 1600 adul- petróleo. Encuentre el intervalo de tos investigados por teléfono dijeron que confianza de 99% para la proporción de piensan que el programa espacial es una hogares en esta ciudad que tiene este tipo buena inversión del país. Encuentre un de calefacción. intervalo de confianza del 95% para la 4. Calcule un intervalo de confianza del 98% proporción de adultos en los Estados para la proporción de artículos Unidos que piensa que el programa defectuosos en un proceso cuando se espacial es Una buena inversión para el encuentra que en una muestra de tamaño país. 100, ocho tienen fallas. b) ¿Qué se puede afirmar con una 5. Se está considerando un nuevo sistema de confianza del 95% acerca de la posible lanzamiento de cohetes para el magnitud del error si se estima que la despliegue de cohetes pequeños de corto proporción de estos adultos que alcance. El sistema actual tiene una P = consideran al programa espacial como 0.8 como probabilidad de un lanzamiento una buena inversión es 2/3? exitoso. Una muestra de 40 lanzamientos 8. El artículo de periódico al que se hizo 20 José Armando Rodríguez Romo
  • 9. ________________________________________________________________________ Estimación de Parámetros referencia en el ejercicio 7, 32% de los estará dentro del 1% del porcentaje real 1600 adultos interrogados dijeron que el 13. De acuerdo con el doctor Memory Elvin- programa espacial de los Estados Unidos Lewis, jefe del departamento de debe hacer hincapié en la exploración microbiología de la Washington científica. ¿Qué tan grande se requiere University School Dental Medicine en San que sea la muestra de adultos si se desea Luis, un par de tasas diarias de té, tener una confianza de 95% de que el proporciona suficiente flúor para evitar la porcentaje estimado estará dentro del caída de los dientes. A las personas a las 2% del porcentaje real? que no les gusta el té y viven en áreas 9. ¿Qué tan grande debe ser una muestra en carentes de flúor deben pedir a las el ejercicio 1 si se desea obtener una autoridades locales que consideren la confianza de 96% de que la proporción posibilidad de tratar sus aguas con flúor. muestral estará dentro del 0.02 de la ¿Qué tan grande debe ser una muestra fracción real de la población de votantes? para estimar el porcentaje de ciudadanos 10. ¿Qué tan grande debe ser una muestra en un cierto pueblo que están a favor de en el ejercicio 3 si se desea tener una que sus aguas se traten con flúor si se confianza del 99% de que la proporción desea tener una confianza de al menos muestral estará dentro del 0.05 de la 99% de que la estimación estará dentro proporción real de hogares en esta ciudad del 1 % del porcentaje real? que utilizan calefacción de petróleo? 14. Se realiza un estudio para estimar la 11. ¿Qué tan grande debe ser una muestra proporción de residentes en una ciudad y en el ejercicio 4 si se desea tener una en sus suburbios que están a favor de la confianza del 98% de que la proporción construcción de una planta de energía muestral estará dentro del 0.05 de la nuclear. ¿Qué tan grande debe ser una proporción real de partes defectuosas? muestra si se requiere una confianza al 12. Se realiza un estudio para estimar el menos del 95% de que la estimación porcentaje de ciudadanos de un pueblo estará dentro del 0.04 de la proporción que están a favor de que su agua se trate real de residentes de esta ciudad y sus con flúor. ¿Qué tan grande debe ser una suburbios que están a favor de la muestra si se desea tener una confianza al construcción de la planta de energía menos del 95% de que la estimación nuclear? José Armando Rodríguez Romo 21
  • 10. SPC Nivel Intermedio ____________________________________________________________________________ 2 2.3 Estimación de varianzas, . Si es la varianza de una muestra aleatoria de tamaño n de una población normal, un intervalo de confianza del (1 )100% para es: ( n 1 )s 2 2 ( n 1 )s 2 2 2 1 / 2 ,v / 2 ,v 2 2 2 donde 1 / 2, v y / 2, v son valores de con v = n – 1 grados de libertad, con áreas de 1 /2 y / 2 , respectivamente, a la izquierda. Ejemplo 3. Un fabricante de baterías para automóvil asegura que sus baterías duran, en promedio, 3 años con una variancia de 1 año. Si 5 de estas baterías tienen duraciones de 2 1.9, 2.4, 3.0, 3.5 y 4.2 años determine un intervalo de confianza del 95% para e 2 indique si es válida la afirmación del fabricante de que 1 . Suponga que la población de las duraciones de las baterías se distribuye aproximadamente en forma normal. Solución n xi i 1 1.9 2.4 3.0 4.2 La media muestral de los datos es x 3.000 n 15 2 n n 2 x i xi i 1 i 1 228.28 ( 15 )2 y su desviación estándar s 0.902774 n 1 4 2 2 De la Tabla T.2 del apéndice encontramos el valor de 0.025 , 4 0.484 y 0.975 , 4 11.14 , 2 entonces un intervalo de confianza del 95% para la varianza, está dado por ( n 1 )s 2 2 ( n 1 )s 2 2 2 1 / 2 ,v / 2 ,v ( 5 1 )( 0.902774 )2 2 ( 5 1 )( 0.902774 )2 11.14 0.484 que se reduce a 2 0.29255 6.72972 0.540882 2.59417 22 José Armando Rodríguez Romo
  • 11. _____________________________________________________________________________________ Estimación Determinación del tamaño de muestra i. Basado en la media de la Población Teorema 3.2 Sí se utiliza x como una estimación de , se puede tener una confianza del (1 )100% de que el error no excederá de una cantidad específica E cuando el tamaño de la 2 muestra es n z /2 /E ii. Basado en la proporción de la Población Teorema 3.4 Sí se utiliza ˆ p como una estimación de P, se puede tener una confianza del (1 )100% de que el error no excederá de una cantidad específica E cuando el tamaño de la muestra es 2 2 z 1 z n / 2 ˆˆ pq si no se tiene ˆ entonces p nmax / 2 E 4 E iii. Basado en la diferencia entre las medias de la Población Teorema 3.5 Sí se utiliza x como una estimación de , se puede tener una confianza del (1 )100% de que el error no excederá de una cantidad específica E cuando el tamaño de la 2 z / 2 2 2 muestra es n ( 1 2 ) E José Armando Rodríguez Romo 23
  • 12. SPC Nivel Intermedio ____________________________________________________________________________ EJERCICIOS 3.8 1. Un fabricante de baterías para automóvil centímetros. Encuentre un intervalo de asegura que sus baterías duran, en confianza del 99% para el diámetro prome- promedio, 3 años con una variancia de 1 dio de piezas de esta máquina, si supone año. Si 5 de estas baterías tienen una distribución aproximadamente duraciones de 1.9, 2.4, 3.0, 3.5 y 4.2 años normal. Determine un intervalo de determine un intervalo de confianza del confianza del 99% para 2. 95% para 2 e indique si es válida la 4. Una muestra aleatoria de 10 barras de afirmación del fabricante de que 2 1 . chocolate de cierta clase tiene, en Suponga que la población de las promedio, 230 calorías con una desviación duraciones de las baterías se distribuye estándar de 15 calorías. Determine un aproximadamente en forma normal. intervalo de confianza del 99%. Suponga 2. Se obtiene una muestra aleatoria de 20 que la distribución de las calorías es estudiantes con una media de x 72 y normal. una variancia de s 2 16 en un examen 5. Se toma una muestra de 12 agujas de tejer de ubicación de matemáticas. Suponga en un estudio de prueba de dureza por el que las calificaciones tienen una método de Rockwell para cada una de las distribución normal y determine un 12, lo que dio un valor promedio de 48.50 intervalo de confianza del 98% para 2 . con una desviación estándar de 1.5. Suponga que las mediciones se distribuyen 3. Una máquina produce piezas metálicas de de forma normal. Determine un intervalo forma cilíndrica. Se toma una muestra de de confianza del 90% para . piezas cuyos diámetros son 1.01, 0.97, 1.03, 1.04, 0.99, 0.98, 0.99, 1.01 y 1.03 24 José Armando Rodríguez Romo
  • 13. _____________________________________________________________________________________ Estimación Formulario de Estimación 1) Intervalo de confianza para , conociendo . x z / 2 x z / 2 n n s s 2) Intervalo de confianza para , desconocida ( n 30 ). x z / 2 x z / 2 n n s s 3) Intervalo de confianza para , desconocida ( n < 30 ). x t /2 x t /2 n n 2 2 4) Intervalos de Confianza para la Diferencia de Dos Medias, y 1- 2; conociendo 1 2 . 2 2 2 2 1 2 1 2 ( x1 x2 ) z /2 1 2 ( x1 x2 ) z /2 n1 n2 n1 n2 2 2 5) Intervalo de confianza para 1- 2; 1 y 2 desconocidas (n1 y n2 30) 2 2 2 2 s1 s2 s1 s2 ( x1 x2 ) z / 2 1 2 ( x1 x2 ) z / 2 n1 n2 n1 n2 2 2 6) Intervalo de confianza para 1- 2; 1 2 pero desconocidas (n1 y n2 < 30) 1 1 1 1 ( x1 x2 ) t / 2 ,v sp 1 2 ( x1 x2 ) t / 2 ,v sp n1 n2 n1 n2 donde sp es la estimación común de la desviación estándar poblacional dada por 2 2 ( n1 1 )s1 ( n2 1 )s2 sp ; y v n1 n2 2 gl n1 n2 2 2 2 7) Intervalo de confianza para 1- 2; 1 2 y desconocidas (n1 y n2 < 30). 2 2 2 2 s1 s2 s1 s2 ( x1 x2 ) t / 2 ,v 1 2 ( x1 x2 ) t / 2 ,v n1 n2 n1 n2 José Armando Rodríguez Romo 25
  • 14. SPC Nivel Intermedio ____________________________________________________________________________ 2 2 2 s1 / n1 s2 / n2 donde t /2, v es el valor de t con v ( s1 / n1 )2 /( n1 2 1) ( s2 / n2 )2 /( n2 2 1) 8) Intervalo de confianza para observaciones pareadas ( D = 1 - 2). sd sd d t / 2 ,v 1 2 d t / 2 ,v n n ˆˆ pq ˆˆ pq 9) Intervalo de confianza para P (muestras grandes). ˆ p z /2 P ˆ p z /2 n n 10) Intervalo de confianza para P1 P2 (muestras grandes). ˆ ˆ p1q1 ˆ ˆ p2 q2 ˆ ˆ p1q1 ˆ ˆ p2 q2 ˆ ( p1 ˆ p2 ) z / 2 P1 P2 ˆ ( p1 ˆ p2 ) z / 2 n1 n2 n1 n2 2 ( n 1 )s 2 2 ( n 1 )s 2 11) Intervalo de confianza para . 2 2 1 / 2 ,v / 2 ,v 2 2 2 s1 1 s1 12) Intervalo de confianza para 2 1 / 2 2 2 1 fvv2, 1 / 2 s2 fvv1, 1 / 2 2 2 2 s2 1 2 Determinación del tamaño de muestra 2 z /2 13) Basado en la media de la Población n E 14) Basado en la proporción de la Población 2 2 z 1 z /2 a) n / 2 ˆˆ pq si no se tiene ˆ entonces b) nmax p E 4 E 2 z / 2 2 2 15) Basado en la diferencia entre las medias de la Población n ( 1 2 ) E 26 José Armando Rodríguez Romo