Autor Tema: Problema de variable aleatoria continua

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26 Febrero, 2008, 12:19 pm
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mh

  • $$\Large \color{#5372a0}\pi\,\pi$$
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Hola,

Tengo dudas para realizar el último apartado del siguiente problema.

Sea \( X \) una variable aleatoria continua con función de densidad:

\( f_{X}(x)=\begin {Bmatrix}
a + bx& \mbox{ si } -1 \leq x \leq 1\\
\\
0& \mbox{ en otro caso }\\
\end{matrix} \)

Sabemos además que \( E(X) = 2/3 \).

- Calcular \( a \) y \( b \) para que \( f \) sea una función de densidad.
- Calcular la función de distribución de \( X \).
- Calcular \( E(X) \) y \( Var(X) \).
- Utilizando las fórmulas de transformación de variables, calcular la función de densidad de \( Y = X^2 \), y \( E(Y) \).



Voy a escribir los apartados que he realizado del problema:

- Calcular \( a \) y \( b \) para que \( f \) sea una función de densidad.

\( \displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} f_{X}(x)\,dx = 1 \Rightarrow \int_{-1}^{1} f_{X}(x)\,dx = \int_{-1}^{1} (a + bx)\,dx = \left. \left(ax + \displaystyle\frac{bx^2}{2}\right) \right|_{-1}^1 = \)

\( = \left(a + \displaystyle\frac{b}{2}\right) - \left(-a + \displaystyle\frac{b}{2}\right) = 2a = 1 \Rightarrow a = \displaystyle\frac{1}{2} \)

\( \displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} E(X)\,dx = \int_{-\infty}^{\infty} x \cdot f_{X}(x)\,dx = \displaystyle\frac{2}{3} \Rightarrow \int_{-1}^{1} x \cdot (a + bx)\,dx = \)

\( = \displaystyle\int_{-1}^{1} (ax + bx^2)\,dx = \left. \left(\displaystyle\frac{ax^2}{2} + \displaystyle\frac{bx^3}{3}\right) \right|_{-1}^1 = \left(\displaystyle\frac{a}{2} + \displaystyle\frac{b}{3}\right) - \left(\displaystyle\frac{a}{2} + \displaystyle\frac{b}{3}\right) = \)

\( = \displaystyle\frac{2b}{3} = \displaystyle\frac{2}{3} \Rightarrow b = 1 \)

Por lo tanto, tenemos la siguiente función de densidad para \( X \):

\( f_{X}(x)=\begin {Bmatrix}
\displaystyle\frac{1}{2} + x& \mbox{ si } -1 \leq x \leq 1\\
\\
0& \mbox{ en otro caso }\\
\end{matrix} \)


- Calcular la función de distribución de \( X \).

\( F_{X}(x) = \displaystyle\int_{-\infty}^{x} f_{X}(t)\,dt = \int_{-1}^{x} \left(\displaystyle\frac{1}{2} + t\right)\,dt = \left. \left(\displaystyle\frac{t}{2} + \displaystyle\frac{t^2}{2}\right) \right|_{-1}^x = \)

\( = \left(\displaystyle\frac{x}{2} + \displaystyle\frac{x^2}{2}\right) - \left(-\displaystyle\frac{1}{2} + \displaystyle\frac{1}{2}\right) = \displaystyle\frac{x}{2} + \displaystyle\frac{x^2}{2} = \displaystyle\frac{1}{2}x \cdot (1 + x) \)

\( F_{X}(x)=\begin {Bmatrix}
\displaystyle\frac{1}{2}x \cdot (1 + x)& \mbox{ si } -1 \leq x \leq 1\\
\\
0& \mbox{ en otro caso }\\
\end{matrix} \)


- Calcular \( E(X) \) y \( Var(X) \).

\( E(X) = \displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} x \cdot f_{X}(x)\,dx = \int_{-1}^{1} x \cdot \left(\displaystyle\frac{1}{2} + x\right)\,dx = \int_{-1}^{1} \left(\displaystyle\frac{x}{2} + x^2\right)\,dx = \)

\( = \left. \left(\displaystyle\frac{x^2}{4} + \displaystyle\frac{x^3}{3}\right) \right|_{-1}^1 = \left(\displaystyle\frac{1}{4} + \displaystyle\frac{1}{3}\right) - \left(\displaystyle\frac{1}{4} - \displaystyle\frac{1}{3}\right) = \displaystyle\frac{2}{3} \)

\( Var(X) = \displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} \left(x - \displaystyle\frac{2}{3}\right)^2 \cdot f_{X}(x)\,dx = \int_{-1}^{1} \left(x^2 - \displaystyle\frac{4}{3}x + \displaystyle\frac{4}{9}\right) \cdot \left(\displaystyle\frac{1}{2} + x\right)\,dx = \)

\( = \displaystyle\int_{-1}^{1} \left(\displaystyle\frac{x^2}{2} + x^3 - \displaystyle\frac{2}{3}x - \displaystyle\frac{4}{3}x^2 + \displaystyle\frac{2}{9} + \displaystyle\frac{4}{9}x\right) \,dx = \int_{-1}^{1} \left(x^3 - \displaystyle\frac{5}{6}x^2 - \displaystyle\frac{2}{9}x + \displaystyle\frac{2}{9}\right) \,dx = \)

\( = \left. \left(\displaystyle\frac{x^4}{4} - \displaystyle\frac{5}{18}x^3 - \displaystyle\frac{2}{18}x^2 + \displaystyle\frac{2}{9}x\right) \right|_{-1}^1 = \left(\displaystyle\frac{1}{4} - \displaystyle\frac{5}{18} - \displaystyle\frac{2}{18} + \displaystyle\frac{2}{9}\right) -  \left(\displaystyle\frac{1}{4} + \displaystyle\frac{5}{18} - \displaystyle\frac{2}{18} - \displaystyle\frac{2}{9}\right) = \)

\( = -\displaystyle\frac{10}{18} + \displaystyle\frac{4}{9} = -\displaystyle\frac{5}{9} + \displaystyle\frac{4}{9} = -\displaystyle\frac{1}{9} \)


- Utilizando las fórmulas de transformación de variables, calcular la función de densidad de \( Y = X^2 \), y \( E(Y) \).

\( f_{Y}(y) = f_{X}(\sqrt{y}) \cdot \displaystyle\frac{1}{2\sqrt{y}} + f_{X}(-\sqrt{y}) \cdot \displaystyle\frac{1}{2\sqrt{y}} = \)

\( = \left(\displaystyle\frac{1}{2} + \sqrt{y}\right) \cdot \displaystyle\frac{1}{2\sqrt{y}} + \left(\displaystyle\frac{1}{2} -\sqrt{y}\right) \cdot \displaystyle\frac{1}{2\sqrt{y}} = \displaystyle\frac{1}{4\sqrt{y}} + \displaystyle\frac{1}{\sqrt{y}} + \displaystyle\frac{1}{4\sqrt{y}} - \displaystyle\frac{1}{\sqrt{y}} = \displaystyle\frac{1}{2\sqrt{y}} \)

\( E(Y) = \displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} f_{Y}(y)\,dy = \displaystyle\int_{-1}^{1} \displaystyle\frac{1}{2\sqrt{y}}\,dy = \left. \left(\displaystyle\frac{1}{2} \cdot 2\sqrt{y}\right) \right|_{-1}^1 = \left. (\sqrt{y}) \right|_{-1}^1 = \)

\( = \sqrt{1} - \sqrt{-1} \Rightarrow ? \)

¿Es esto correcto? Porque la última expresión que me sale no está definida para los reales.


Muchas gracias por adelantado.

26 Febrero, 2008, 12:27 pm
Respuesta #1

Luis Fuentes

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Hola

 El enunciado de tu problema tiene que estar mal. No existe ninguna función de densidad en esas condiciones. Fíjate que con los valores que has obtenido (que son correctos) la función de densidad tomaría valores negativos en el intervalo \( (-1,-1/2) \).

 Pero una función de densidad ha de ser siempre no negativa.

Saludos.

26 Febrero, 2008, 12:33 pm
Respuesta #2

mh

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Hola,

¡Tienes toda la razón! Me acabo de dar cuenta de que el que se ha equivocado soy yo al copiar el enunciado, la esperanza dada es 1/3 y no 2/3. O sea que voy a volver a hacerlo a ver cuáles son los resultados en esta ocasión.

26 Febrero, 2008, 02:02 pm
Respuesta #3

mh

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Hola de nuevo,

He hecho el problema otra vez, y mi duda en el último apartado se repite.

Sea \( X \) una variable aleatoria continua con función de densidad:

\( f_{X}(x)=\begin {Bmatrix}
a + bx& \mbox{ si } -1 < x < 1\\
\\
0& \mbox{ en otro caso }\\
\end{matrix} \)

Sabemos además que \( E(X) = 1/3 \).

- Calcular \( a \) y \( b \) para que \( f \) sea una función de densidad.
- Calcular la función de distribución de \( X \).
- Calcular \( E(X) \) y \( Var(X) \).
- Utilizando las fórmulas de transformación de variables, calcular la función de densidad de \( Y = X^2 \), y \( E(Y) \).



De nuevo voy a escribir los apartados que he realizado del problema:

- Calcular \( a \) y \( b \) para que \( f \) sea una función de densidad.

\( \displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} f_{X}(x)\,dx = 1 \Rightarrow \int_{-1}^{1} f_{X}(x)\,dx = \int_{-1}^{1} (a + bx)\,dx = \left. \left(ax + \displaystyle\frac{bx^2}{2}\right) \right|_{-1}^1 = \)

\( = \left(a + \displaystyle\frac{b}{2}\right) - \left(-a + \displaystyle\frac{b}{2}\right) = 2a = 1 \Rightarrow a = \displaystyle\frac{1}{2} \)

\( \displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} E(X)\,dx = \int_{-\infty}^{\infty} x \cdot f_{X}(x)\,dx = \displaystyle\frac{1}{3} \Rightarrow \int_{-1}^{1} x \cdot (a + bx)\,dx = \)

\( = \displaystyle\int_{-1}^{1} (ax + bx^2)\,dx = \left. \left(\displaystyle\frac{ax^2}{2} + \displaystyle\frac{bx^3}{3}\right) \right|_{-1}^1 = \left(\displaystyle\frac{a}{2} + \displaystyle\frac{b}{3}\right) - \left(\displaystyle\frac{a}{2} + \displaystyle\frac{b}{3}\right) = \)

\( = \displaystyle\frac{2b}{3} = \displaystyle\frac{1}{3} \Rightarrow b = \displaystyle\frac{1}{2} \)

Por lo tanto, tenemos la siguiente función de densidad para \( X \):

\( f_{X}(x)=\begin {Bmatrix}
\displaystyle\frac{1}{2} \cdot (1 + x)& \mbox{ si } -1 < x < 1\\
\\
0& \mbox{ en otro caso }\\
\end{matrix} \)


- Calcular la función de distribución de \( X \).

\( F_{X}(x) = \displaystyle\int_{-\infty}^{x} f_{X}(t)\,dt = \int_{-1}^{x} \left(\displaystyle\frac{1}{2} + \displaystyle\frac{1}{2}t\right)\,dt = \left. \left(\displaystyle\frac{t}{2} + \displaystyle\frac{t^2}{4}\right) \right|_{-1}^x = \)

\( = \left(\displaystyle\frac{x}{2} + \displaystyle\frac{x^2}{4}\right) - \left(-\displaystyle\frac{1}{2} + \displaystyle\frac{1}{4}\right) = \displaystyle\frac{x}{2} + \displaystyle\frac{x^2}{4} + \displaystyle\frac{1}{4} = \displaystyle\frac{1}{4} \cdot (2x + x^2 + 1) = \displaystyle\frac{1}{4} \cdot (x + 1)^2 \)

\( F_{X}(x)=\begin {Bmatrix}
\displaystyle\frac{1}{4} \cdot (x + 1)^2& \mbox{ si } -1 < x <1\\
\\
0& \mbox{ en otro caso }\\
\end{matrix} \)


- Calcular \( E(X) \) y \( Var(X) \).

\( E(X) = \displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} x \cdot f_{X}(x)\,dx = \int_{-1}^{1} \displaystyle\frac{1}{2}x \cdot \left(1 + x\right)\,dx = \int_{-1}^{1} \left(\dysplaystyle\frac{x}{2} + \dysplaystyle\frac{x^2}{2}\right)\,dx \)

\( = \left. \left(\displaystyle\frac{x^2}{4} + \displaystyle\frac{x^3}{6}\right) \right|_{-1}^1 = \left(\displaystyle\frac{1}{4} + \displaystyle\frac{1}{6}\right) - \left(\displaystyle\frac{1}{4} - \displaystyle\frac{1}{6}\right) = \displaystyle\frac{2}{6} = \displaystyle\frac{1}{3} \)

\( Var(X) = \displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} \left(x - \displaystyle\frac{1}{3}\right)^2 \cdot f_{X}(x)\,dx = \int_{-1}^{1} \left(x^2 - \displaystyle\frac{2}{3}x + \displaystyle\frac{1}{9}\right) \cdot \left(\displaystyle\frac{1}{2} + \dysplaystyle\frac{x}{2}\right)\,dx = \)

\( = \displaystyle\int_{-1}^{1} \left(\displaystyle\frac{x^2}{2} + \displaystyle\frac{x^3}{2} - \displaystyle\frac{2}{6}x - \displaystyle\frac{2}{6}x^2 + \displaystyle\frac{1}{18} + \displaystyle\frac{x}{18}\right) \,dx = \int_{-1}^{1} \left(\displaystyle\frac{x^3}{2} + \displaystyle\frac{x^2}{6} - \displaystyle\frac{5}{18}x + \displaystyle\frac{1}{18}\right) \,dx = \)

\( = \left. \left(\displaystyle\frac{x^4}{8} + \displaystyle\frac{x^3}{18} - \displaystyle\frac{5}{36}x^2 + \displaystyle\frac{x}{18}\right) \right|_{-1}^1 = \left(\displaystyle\frac{1}{8} + \displaystyle\frac{1}{18} - \displaystyle\frac{5}{36} + \displaystyle\frac{1}{18}\right) - \left(\displaystyle\frac{1}{8} - \displaystyle\frac{1}{18} - \displaystyle\frac{5}{36} - \displaystyle\frac{1}{18}\right) = \)

\( = \displaystyle\frac{2}{18} + \displaystyle\frac{2}{18} = \displaystyle\frac{4}{18} = \displaystyle\frac{2}{9} \)


- Utilizando las fórmulas de transformación de variables, calcular la función de densidad de \( Y = X^2 \), y \( E(Y) \).

\( f_{Y}(y) = f_{X}(\sqrt{y}) \cdot \displaystyle\frac{1}{2\sqrt{y}} + f_{X}(-\sqrt{y}) \cdot \displaystyle\frac{1}{2\sqrt{y}} = \)

\( = \left(\displaystyle\frac{1}{2} + \displaystyle\frac{\sqrt{y}}{2}\right) \cdot \displaystyle\frac{1}{2\sqrt{y}} + \left(\displaystyle\frac{1}{2} -\displaystyle\frac{\sqrt{y}}{2}\right) \cdot \displaystyle\frac{1}{2\sqrt{y}} = \displaystyle\frac{1}{4\sqrt{y}} + \displaystyle\frac{\sqrt{y}}{4\sqrt{y}} + \displaystyle\frac{1}{4\sqrt{y}} - \displaystyle\frac{\sqrt{y}}{4\sqrt{y}} = \)

\( = \displaystyle\frac{1}{2\sqrt{y}} \)

\( E(Y) = \displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} f_{Y}(y)\,dy = \displaystyle\int_{-1}^{1} \displaystyle\frac{1}{2\sqrt{y}}\,dy = \left. \left(\displaystyle\frac{1}{2} \cdot 2\sqrt{y}\right) \right|_{-1}^1 = \left. (\sqrt{y}) \right|_{-1}^1 = \)

\( = \sqrt{1} - \sqrt{-1} \Rightarrow ? \)

No sé si esto es correcto o me he equivocado en algún paso, porque la última expresión que me sale no está definida para los reales.


Muchas gracias por adelantado.

26 Febrero, 2008, 02:29 pm
Respuesta #4

Luis Fuentes

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Hola

 Tres cosas:

 1) La función de distribución de \( X \) vale \( 1 \) si \( x>1 \).

 2) La densidad de \( Y \) está bien hallada. Pero tienes que tener en cuenta que si \( X \) toma valores entre \( -1 \) y \( 1 \) entonces \( Y=X^2 \) toma entre \( 0 \) y \( 1 \) (en lugar de entre \( -1 \) y \( 1 \)).

 3) Cuando calculas la esperanza de Y tienes que integrar \( y\cdot f_Y(y) \) y no sólo \( f_Y(y). \)

 Fíjate que la densidad de Y=X^2 también puedes calcularla como:

\(  E(Y)=E(X^2)=\displaystyle\int x^2f_X(x)dx \)

 O también:

\(  E(X^2)=Var(X)+E(X)^2 \)

 Hazlo de las tres formas para ver que los resultados coinciden.

Saludos.

26 Febrero, 2008, 03:23 pm
Respuesta #5

mh

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Hola,

Muchas gracias por tu ayuda, el_manco. Teniendo en cuenta tus tres puntos, tendríamos que la función de distribución de \( X \) es:

\( F_{X}(x)=\begin {Bmatrix}
0& \mbox{ si } x \leq -1\\
\\
\displaystyle\frac{1}{4} \cdot (x + 1)^2& \mbox{ si } -1 < x < 1\\
\\
1& \mbox{ si } x \geq 1\\
\end{matrix} \)

Y la función de densidad de \( Y \) es:

\( f_{Y}(y)=\begin {Bmatrix}
\displaystyle\frac{1}{2\sqrt{y}}& \mbox{ si } 0 < y < 1\\
\\
0& \mbox{ en otro caso }\\
\end{matrix} \)

Y, por último, la esperanza de \( Y \) es:

\( E(Y) = \displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} y \cdot f_{Y}(y)\,dy = \displaystyle\int_{0}^{1} \displaystyle\frac{y}{2\sqrt{y}}\,dy = \displaystyle\int_{0}^{1} \displaystyle\frac{1}{2} \cdot y \cdot y^{-\frac{1}{2}}\,dy = \)

\( = \displaystyle\int_{0}^{1} \displaystyle\frac{1}{2} \cdot y^{\frac{1}{2}}\,dy = \left. \left(\displaystyle\frac{1}{2} \cdot \displaystyle\frac{2}{3}y^{\frac{3}{2}}\right) \right|_{0}^1 = \left. \left(\displaystyle\frac{y\sqrt{y}}{3}\right) \right|_{0}^1 = \displaystyle\frac{1}{3} \)

\( E(Y) = E(X^2) = \displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} x^2 \cdot f_{X}(x)\,dx = \displaystyle\int_{-1}^{1} x^2 \cdot \left(\displaystyle\frac{1}{2} + \displaystyle\frac{x}{2}\right)\,dx = \displaystyle\int_{-1}^{1} \left(\displaystyle\frac{x^2}{2} + \displaystyle\frac{x^3}{2}\right)\,dx = \)

\( = \left. \left(\displaystyle\frac{x^3}{6} + \displaystyle\frac{x^4}{8}\right) \right|_{-1}^1 = \left(\displaystyle\frac{1}{6} + \displaystyle\frac{1}{8}\right) - \left(-\displaystyle\frac{1}{6} + \displaystyle\frac{1}{8}\right) = \displaystyle\frac{1}{3} \)

\( E(Y) = E(X^2) = Var(X) + E(X)^2 = \displaystyle\frac{2}{9} + \left(\displaystyle\frac{1}{3}\right)^2 = \displaystyle\frac{1}{3} \)

26 Febrero, 2008, 06:54 pm
Respuesta #6

Luis Fuentes

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