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Inicio · Parte 09 — Probabilidad y procesos aleatorios

187 — Variables aleatorias discretas

universitario clase 7 de 20 4 horas demostración discrete_rv

Una variable aleatoria discreta se describe por su masa de probabilidad y su acumulada.

Fórmulas

pmf: p(x) = P(X = x),  Σ p(x) = 1
cdf: F(x) = P(X ≤ x)
P(a < X ≤ b) = F(b) − F(a)

Desarrollo

Una variable aleatoria es una función que asigna un número a cada resultado del espacio muestral. El nombre es histórico y engañoso: ni es una variable en el sentido del álgebra, ni es aleatoria —la función es perfectamente determinista; lo aleatorio es su argumento—. Verla como función es lo que permite sumarlas, componerlas y tomar esperanzas.

Cuando el conjunto de valores es finito o numerable, la variable es discreta y queda descrita por su función de masa p(x) = P(X = x). Las dos condiciones que debe cumplir son las heredadas de los axiomas: valores no negativos y suma total igual a 1. Cualquier vector de números que cumpla eso es una distribución discreta válida, y una salida softmax lo es por construcción.

La función de distribución acumulada F(x) = P(X ≤ x) recoge la misma información en otra forma. Es no decreciente, empieza en 0 y termina en 1, y sirve para calcular probabilidades de intervalos restando. En la práctica, la cdf es también el mecanismo para generar muestras: aplicar su inversa a un uniforme produce muestras de la distribución, técnica que la clase 198 usa.

El paso de un espacio muestral a una variable aleatoria es una simplificación deliberada: se pierde información sobre qué resultado ocurrió y se conserva solo el número de interés. Esa pérdida es justamente lo que hace manejable el modelado.

Ejemplo trabajado

Una variable con cinco valores: masa, acumulada y esperanza.

x        0     1     2     3     4
p(x)    0,1   0,2   0,4   0,2   0,1     suma = 1,0    ✓
F(x)    0,1   0,3   0,7   0,9   1,0     no decreciente ✓

P(X ≤ 2) = F(2) = 0,7
P(X > 2) = 1 − 0,7 = 0,3
P(1 < X ≤ 3) = F(3) − F(1) = 0,9 − 0,3 = 0,6

E[X] = 0(0,1) + 1(0,2) + 2(0,4) + 3(0,2) + 4(0,1) = 2,0

La distribución es simétrica en torno a 2, y la esperanza lo confirma.

Qué calcula el laboratorio

Variable aleatoria discreta: pmf, cdf y coherencia.

python classes/part-09-probabilidad-y-procesos-aleatorios/187-variables-aleatorias-discretas/lab.py
compmath run 187

Salidas del laboratorio (8)

Muestra de la ejecución real

{
  "pmf": {
    "0": 0.1,
    "1": 0.2,
    "2": 0.4,
    "3": 0.2,
    "4": 0.1
  },
  "suma_pmf": 1.0,
  "cdf": {
    "0": 0.1,
    "1": 0.3,
    "2": 0.7,
    "3": 0.9,
    "4": 1.0
  },
  "P(X<=2)": 0.7,
  "P(X>2)": 0.3,
  "esperanza": 2.0
}

Errores comunes

Dónde se usa

Distribuciones sobre vocabularios en modelos de lenguaje, conteos de eventos, modelado de clases en clasificación y muestreo por transformada inversa.

Idea rectora de la parte

La esperanza es lineal siempre; la varianza solo bajo independencia.

Error a evitar

Asumir independencia sin justificarla.

Conexión con IA

Un modelo de lenguaje es una distribución condicional sobre el siguiente token; la difusión es un proceso estocástico con reverso aprendido.

Bibliografía de la clase

Archivos de la clase