OPERACIONES Y METODOS CUANTITATIVOS MATEMÁTICAS FINANCIERAS

1. Interés simple

Cuando una persona utiliza un bien que no le pertenece, por lo general debe pagar una renta por el uso de dicho bien. Las cosas que se pueden rentar son innumerables: casas, automóviles, edificios, ropa de gala, computadoras, etc. El dinero no es la excepción, ya que se trata de un bien, y como tal, se puede comprar, vender y, por supuesto, prestar. Cuando se pide dinero prestado, por lo general, se debe pagar una renta por uso. En este caso la renta recibe el nombre de interés, intereses o rédito. El interés se define como el dinero que se paga por el uso del dinero ajeno. También se puede decir que el interés es el rendimiento que se tiene al invertir en forma productiva el dinero. El interés se simboliza mediante la letra I.

La cantidad de dinero tomada en préstamo o invertida se llama capital principal, y se simboliza mediante la letra P. el monto o valor futuro se define como la suma del capital más el interés ganado, y se simboliza mediante la letra M. Por tanto,

M = P + I (Ecuación 1)

Arturo obtiene un préstamo de $5000 y se compromete a devolverlo al cabo de un mes, pagando $138 de intereses ¿Qué monto deberá pagar?

M = P + I

M = 5,000 138 = $5,138 Arturo deberá pagar $5,138

Alejandro pidió prestados $8,500 y deberá pagar un total de $8,925 al cabo de 2 meses para saldar la deuda. ¿Cuánto está pagando de intereses?

Si despejamos el interés de la ecuación obtenemos la siguiente fórmula:

I = M - P

El monto a pagar es $8,925, por lo tanto, el interés que debe pagar Alejandro por el préstamo es: I = 8,925 - 8,500 = $425

La tasa de interés indica el costo que representa obtener dinero en préstamo y se expresa como un porcentaje del capital por unidad de tiempo. La unidad de tiempo normalmente utilizada para expresar las tasas de interés es de un año. Sin embargo, las tasas de interés se expresan también en unidades de tiempo menores de un año. Si la tasa de interés se da solo como un porcentaje, sin especificar la unidad de tiempo, se sobreentiende que se trata de una tasa anual. La tasa de interés se simboliza mediante la letra i.

Qué significa una tasa de interés de,

a) ¿31%?

b) ¿2.4% mensual?

a) 31% quiere 31% anual y significa que por cada $100 prestados, el deudor pagará $31 de interés en un año.

b) 2.4% mensual significa que por cada $100 prestados, el deudor pagará $2.40 de interés en un mes.

Debido a la evolución del mercado financiero del país, las tasas de interés por lo general, no permanecen constantes, sino que son revisadas con frecuencia. Las tasas de interés aplicables a operaciones financieras y comerciales se fijan, en la mayoría de los casos con base en una tasa de referencia. Las tasas de referencia comúnmente utilizadas en México son: TIIE, CPP, CCP y CETES.

La TIIE es la Tasa de Interés Interbancaria de Equilibrio y se refiere a la tasa de interés que corresponde al punto de equilibrio entre las tasas de interés pasivas y activas que se determina a partir de la información de tasas de interés que los bancos presentan al Banco de México (Banxico). Las tasas de interés activas son las tasas de interés que las instituciones bancarias cobran por los distintos tipos de crédito a los usuarios de los mismos; las tasas de interés pasivas son las tasas de interés que las instituciones bancarias pagan a los ahorradores o inversionistas.

La TIIE, introducida por el Banco de México en marzo de 1995, es una tasa de interés a distintos plazos (28 días es el plazo más común) que se utiliza como tasa de referencia en transacciones e instrumentos financieros. La TIIE se calcula diariamente con cotizaciones proporcionadas a las 12:00 PM, hora de la ciudad de México, por no menos de seis bancos. Las tasas sometidas son los precios reales que las instituciones bancarias están dispuestas a prestar o a pedir prestado al Banco de México. Éste usa una fórmula con las tasas sometidas, que da como resultado una tasa equilibrada.

El CPP es el Costo Porcentual Promedio de Captación y mide el costo al cual se fondean los bancos para cubrir sus pasivos. Es el promedio ponderado del costo de captación del sistema bancario, por tanto, no incluye el costo de los recursos captados vía mesas de dinero u otros instrumentos bursátiles. El cálculo del CCP lo realiza el Banco de México desde agosto de 1975 y lo publica alrededor del día 20 de cada mes, en el Diario Oficial de la Federación. Como el CCP es una tasa oficial, no está sujeta a negociación con los clientes.

Con el fin de reflejar la existencia de nuevos instrumentos en el mercado financiero mexicano, el Banco de México inició el 13 de febrero de 1996 la estimación mensual del Costo de Captación a Plazo (CCP) por concepto de tasa de interés de los pasivos a plazo en moneda nacional a cargo de las instituciones de banca múltiple. El CCP puede utilizarse como referencia para determinar la tasa de interés de créditos denominados en pesos. El Banco de México publica el CCP en el Diario Oficial de la Federación entre los días 21 y 25 de cada mes. El CCP sustituye al CPP.

La tasa de interés de los Cetes (Certificados de la Tesorería de la Federación) a un plazo de 28 días en muchas ocasiones se utiliza como tasa de referencia. Las tasas de interés que se utilizarán en los cálculos por parte de las instituciones financieras y comerciales se determinan, en la mayoría de los casos, sumando puntos porcentuales a las tasas de referencia.

Suponga que la tasa de interés aplicable a los clientes que compran a crédito en cierta tienda departamental es igual a la TIIE más 20 puntos porcentuales. Si la TIIE es de 10.14% anual, obtenga la tasa de interés aplicable.

La tasa de interés aplicable a los clientes se obtiene simplemente sumando los puntos porcentuales a la tasa de referencia. Esto es,

Tasa de interés = i = 10.14 + 20 = 30.14% anual

Existen dos tipos de interés: simple y compuesto. El interés es simple cuando se paga al final de un intervalo de tiempo previamente definido, sin que el capital original varíe. Lo anterior significa que el interés no forma parte del capital originalmente prestado o invertido en ningún momento, esto es, los intereses no ganan intereses. El interés simple se usa principalmente en inversiones y créditos a corto plazo, de un año o menos. El interés a pagar por una deuda, o el que se va a cobrar de una inversión, depende de la cantidad de dinero tomada en préstamo o invertida y del tiempo que dure el préstamo o la inversión. En otras palabras, el interés simple varía en forma directamente proporcional al capital y al tiempo.

Suponga que se van a invertir $20,000 a un plazo de 3 meses y a una tasa de interés de 1.5% mensual. De acuerdo al significado de tasa de interés, el interés que se cobrará por esta inversión será 1.5% de $20,000 por cada mes que transcurra, es decir

1.5% de 20,000 = (0.015) (20 000) = $300 cada mes

Como la inversión es a 3 meses y el interés simple, por definición, se cobra al final del plazo, el interés total que se cobrará al final de los 3 meses será

I = (300) (3) = $900

De lo anterior, es evidente que el interés simple se calcula por medio de la siguiente fórmula:

I = P i t (Ecuación 2)

En donde I es el interés simple que se paga o recibe por un capital P y t es el tiempo transcurrido (plazo) durante el cual se usa o se invierte el capital. La tasa de interés es i.

Al utilizar esta ecuación se deben tener en cuenta dos aspectos básicos:

1. La tasa de interés se debe utilizar en forma decimal.

2. La tasa de interés y el plazo deben expresarse en las mismas unidades de tiempo.

Daniel pidió prestado $12 000 a pagar en 4 meses. Si la tasa de interés es de 36% anual simple, ¿Qué cantidad deberá pagar por concepto de interés?¿cual es el monto? Los datos son:

P = $12 000 i = 36%

anual = 0.36 por año

t = 4 meses

La unidad de tiempo de i y de t no coincide, por lo tanto, no podemos sustituir de manera directa en la fórmula. Primero debemos convertir la tasa de interés anual a una tasa de interés mensual, dividiendo entre 12.

i = 36% anual = 36 / 12 = 3% mensual

Sustituyendo los valores numéricos obtenemos:

Lo anterior significa que al término de los 4 meses, Daniel deberá reembolsar el capital ($12 000) más los interés correspondientes ($1 440); esto es, deberá pagar un monto de

M = 12 000 + 1 440 = $13 440

No es necesario llevar a cabo la conversión de tasa anual a tasa mensual antes de utilizar la fórmula; se puede convertir la tasa de interés al mismo tiempo que se sustituyen los datos en la fórmula, esto es:

I = (12 000) (0.36/12) (4) = $1 440

Claudia posee un capital de $60 000. Invierte 70% de su capital a 3.6% trimestral y el resto a 5.1% semestral. ¿Cuánto recibe cada mes de interés total?

Como el tiempo se da en meses, es necesario convertir las tasas de interés a forma mensual:

i = 3.6% trimestral = 3.6 / 3 = 1.2% mensual

i = 5.1% semestral = 5.1 / 6 = 0.85% mensual

El 70% de $60 000 son $42 000 y el resto (30%) son $18 000. al invertir $42 000 al 3.6% trimestral (1.2% mensual), durante un mes, el interés ganado es

I = (42 000) (0.012) (1) = $504

El interés mensual de $18 000 invertidos a 5.1% semestral (0.85% mensual) es

I = (18 000) (0.0085) (1) = $153

El interés total obtenido al cabo de un mes es de 504 + 153 = $657

Si la ecuación 2 se sustituye en la 1, se obtiene una fórmula alterna para el cálculo del monto o valor futuro de un capital P:

M = P + I = P + P i t

Factorizando la expresión anterior, se tiene M = P(1 + it) (Ecuación 3)

2. Valor presente

Suponga que el día de hoy recibe un préstamo de $40 000 a 10 meses de plazo y con una tasa de interés simple de 2.5% mensual. El monto de la deuda sería:

M = 40 000 [1 + (0.025) (10)] = $ 50 000

Por el capital prestado deberá pagar $50 000 dentro de 10 meses. $50 000 son el valor futuro de $40 000. De igual manera $40 000 son el valor presente o actual de $50 000. Esto significa que $40 000 hoy son equivalentes a $50 000 dentro de 10 meses a una tasa de interés simple de 2.5% mensual.

Con base en lo anterior, vemos que un peso recibido en una fecha futura no tiene el mismo valor que un peso recibido el día de hoy; vale más un peso disponible hoy que un peso recibido en una fecha futura, ya que el peso gana interese si se le invierte durante un periodo. Por otro lado, debido a la inflación, el dinero tiene un poder de compra que se va deteriorando a medida que transcurre el tiempo; por lo tanto, un peso hoy vale más que un peso en una fecha futura, ya que el peso tiene hoy un mayor poder de compra. Esta relación entre el tiempo, el interés y el poder de compra del dinero se conoce como el valor del dinero en el tiempo y constituye uno de los conceptos fundamentales de la matemática financiera.

Volviendo al concepto de valor presente, simbolizado por VP, podemos decir que el valor presente de un monto o valor futuro M que vence en fecha futura es la cantidad de dinero que, invertida hoy a una tasa de interés dada producirá el monto M.

Valor presente significa el valor del dinero en cualquier fecha conveniente, por lo tanto, no siempre coincide el valor presente con el capital originalmente prestado o invertido. Encuentre el valor presente de $16 000 que vencen dentro de 5 meses, si la tasa de interés es de 27.48%

Obtener el valor presente de una cantidad equivale a responder a esta pregunta: ¿Qué cantidad, invertida hoy a una tasa de interés dada, por un periodo determinado, producirá un monto conocido? Resulta obvio que el valor presente se calcula despejando P de la ecuación 3

P = M/ 1 + it = VP

Sustituyendo VP = ______16 000_______ =$14 356.21

1 + (0.2748/12) (5)

$14 356.21invertidos hoy, durante 5 meses, a 27.48%, se convertirán en $16 000. También se dice que $14 356.21 son equivalentes a $16 000 si el tiempo es de 5 meses y la tasa de interés es de 27.48% anual simple. Los $14 356.21 no necesariamente corresponden al capital original.

Cuando el tiempo en un préstamo está dado en días, es necesario convertir la tasa de interés anual a una tasa de interés por día. Cuando la tasa anual se convierte a tasa diaria utilizando el año natural (365 días o 366 si e año es bisiesto) como divisor en la fórmula del interés simple o del monto, el interés obtenido se llama interés exacto. Cuando se lleva a cabo la conversión utilizando como divisor el número 360, se dice que se está utilizando el año comercial. En este caso el interés obtenido se llama interés comercial o interés ordinario.

Calcule el interés comercial y exacto de un préstamo por $18 300 a 35% a 48 días de plazo.

Interés comercial

I = (18 300) (0.35/360) (48) = $854

Interés exacto

I = (18 300) (0.35/365) (48) = $842.30

Como se observa, el interés comercial resulta más elevado que el exacto para el mismo capital, tasa de interés y tiempo. Esta ganancia extra hace que el año comercial sea muy utilizado en los bancos, casas de bolsa y comercios que venden a crédito.

El uso del año natural en los cálculos financieros prácticamente no se utiliza, al menos en México. En muchas ocasiones el periodo entre el momento en que se toma un préstamo o se invierte un determinado capital y su vencimiento, se indica mediante fechas. Para calcular el tiempo transcurrido entre dos fechas, se cuentan los días efectivos calendario. Al calcular el número de

días se acostumbra excluir el primer el día e incluir el último; sin embargo, ésta no es una práctica generalizada, ya que algunas veces se cuenta tanto el primer día como el último. De esta forma, para un préstamo contraído el 25 de enero y liquidado el 26 de abril de un año cualquiera no bisiesto, el tiempo transcurrido es de 91 días:

Enero 6 días (31-25)

Febrero 28 días

Marzo 31 días

Abril 26 días

Total 91 días

3. Amortización con interés simple

Muchas deudas se liquidan mediante un pago único en la fecha de vencimiento; sin embargo, es común que los créditos se contraten para pagarlos mediante abonos o pagos parciales. En este caso se dice que el préstamo se amortiza.

Amortizar significa saldar una deuda y sus intereses mediante pagos parciales o abonos, los cuales pueden ser iguales en valor o variables, efectuados a intervalos de tiempo iguales o diferentes. En la mayoría de las operaciones a crédito se acostumbra saldar las deudas mediante abonos de igual cuantía, de manera que incluyan capital e intereses, y realizados a intervalos de tiempo iguales. Para que esto sea así, basta dividir el monto de la deuda entre el número de pagos, es decir,

Abono = Monto de la deuda

Número de pagos

La amortización de una deuda puede llevarse a cabo utilizando interés simple o compuesto; la amortización con interés simple se lleva a cabo de dos maneras distintas:

Con interés global

Con intereses sobre saldos insolutos

3.1 Amortización con interés global

En este tipo de amortización los intereses se calculan sobre el total de la deuda, sin tomar en cuenta los pagos parciales efectuados.

El Sr. Márquez compra un refrigerador a crédito, cuyo precio de contado es de $6 000, bajo las siguientes condiciones de pago: tasa de interés global de 39.84% y 6 meses para pagar, dando abonos mensuales iguales en cantidad. Calcule el valor del abono mensual.

El monto de la deuda es

M = 6 000 [1 + (0.3984/12) (6)] = $7 195.20

Al dividir este monto entre los 6 meses, se obtendrá el valor del abono mensual:

Abono mensual = 7 195.20/6 = $1 199.20

La Ley Federal de Protección al Consumidor prohíbe el uso del interés global en todas las operaciones a crédito. El artículo 69 de dicha ley dice textualmente:

“Los intereses se causarán exclusivamente sobre los saldos insolutos del crédito concedido y su pago no podrá ser exigido por adelantado, sino únicamente por periodos vencidos”

Son dos las razones por las cuales se prohíbe el uso del interés global:

1. Es una regla injusta ya que no bonifica intereses por los abonos efectuados.

2. La tasa de interés en realidad es superior a la tasa mencionada. Para demostrarlo se utilizará el ejemplo anterior.

En dicho ejemplo, cada pago de $1 199.20 se divide en dos partes: $ 1000 (6 000/6) para pagar el capital y $199.20 para el pago de los intereses. Cada mes, después de realizado el pago, la deuda se reduce en $1000, pero el deudor sigue pagando los mismos intereses; esto hace que la tasa de interés no sea en realidad del 39.84%, sino que aumente cada mes.

3.2. Amortización con intereses sobre saldos insolutos

Si la palabra insoluto significa lo no pagado, entonces los intereses cobrados sobre el saldo insoluto, significa el interés calculado en una deuda sobre el saldo que queda por pagar cada vez que se realiza un abono.

Ahora resolveremos el problema anterior si los intereses se cobraran sobre el saldo insoluto. El problema se resuelve de dos formas; en primer lugar se resolverá desarrollando una tabla de amortización, la cual muestra la evolución de la deuda, periodo a periodo.

En este momento es necesario mencionar la diferencia que existe entre abono y amortización. Amortizar significa liquidar el capital mediante una serie de pagos, generalmente iguales, mientras que el abono, es la suma de la amortización más el interés generado en el periodo. Por lo tanto, la amortización es la parte del abono que reduce el capital de la deuda. En el ejemplo la amortización mensual es:

Amortización = a = 6 000/6 = $1 000

Los intereses mensuales se deben calcular sobre la parte no pagada del capital (saldo insoluto) que va quedando después de cada amortización. Desde el inicio del crédito hasta el final del primer mes, el saldo insoluto es de $6 000. Por tanto, el interés a pagar al efectuar la primera amortización sería:

I = (6 000) (0.3984/12) (1) = 199.20

Al final del primer mes se tendrá que pagar $1000 de amortización más $199.20 de intereses; es decir, se tendrá que dar un abono de $1199.20 El saldo insoluto al inicio del segundo mes es de $6 000 - $1 000 = $5 000 El interés a pagar al final del segundo mes es:

I = (5 000) (0.3984/12) (1) = $166

El segundo abono será de $1000 + $166 = $1166 Al pagar el segundo abono el saldo insoluto es de $5000 - 1000 = $4000 El interés a pagar al final del tercer mes es: I = (4 000) (0.3984/12) (1) = $132.80 El tercer abono será de $1000 + $132.80 = $1132.80

Continuando de esta manera, es posible elaborar la siguiente tabla de amortización:

Mes Amortización Intereses Abono Saldo Insoluto

0 $6 000.00

1 $1 000.00 $199.20 $1199.20 $5 000.00

2 $1 000.00 $1166.00 $4 000.00

3 $1 000.00 $132.80 $1132.80 $3 000.00

4 $1 000.00 $ 99.60 $1099.60 $2 000.00

5 $1 000.00 $ 66.40 $1066.40 $1 000.00

6 $1 000.00 $ 33.20 $1033.20 $ 0.00

Total $6 000.00 $697.20 $6697.20

El precio total pagado por el refrigerador es de $669.20, de los cuales $6000 corresponden al capital y $697.20 a los intereses. Como se observa, el interés cobrado sobre saldos insolutos es menor que el cobrado mediante el interés global. También se observa que el abono es cada vez menor, debido a que los intereses van decreciendo cada mes. Es práctica común que el abono sea igual cada mes.

En este caso, el abono mensual constante es:

Abono = 6697.20/6 = $1116.20

En las operaciones a crédito de mediano y largo plazo el cálculo del pago se vuelve un trabajo laborioso y tardado. Por tal motivo es deducirá una fórmula que nos permita obtener el interés total sobre saldos insolutos. Sea P el valor de la deuda; n, el número de periodos; i, la tasa de interés (expresada en forma decimal) y a, la amortización. Al dividir el valor de la deuda entre el número de periodos se obtiene a,

a = P / n (Ecuación 4)

Si P es el saldo insoluto al inicio, el interés por pagar al final del primer periodo será de Pi. En el segundo periodo el saldo insoluto es (P - a) y el interés por pagar será (P - a)i. El saldo insoluto en el tercer periodo es (P - 2a) y el interés a pagar será (P - 2a)i, y así sucesivamente, de tal forma que se tiene el siguiente conjunto de elementos: Pi, (P - a)i, (P - 2a)i, (P - 3a)i, ...

El conjunto anterior forma una sucesión aritmética con diferencia común -ai. Por tanto, es posible calcular el valor del n-ésimo término de la sucesión, simplificando así:

I = ni/2 [2 P - a(n - 1)] (Ecuación 5)

Ahora vamos a poner en práctica la ecuación 5 para calcular el abono mensual constante

P = $6 000

a = $1 000

n = 6 meses

i = 39.84/12 = 3.32% mensual

I = (6) (0.0332) [2 (6000) - 1000 (6-1)] 2

= $697.20

Abono mensual = monto = 6000 + 697.20 = $1116.20 n 6

4. Interés compuesto

En el interés simple el capital que genera el interés permanece constante todo el tiempo que dura el préstamo. En cambio, en el interés compuesto el interés generado en un periodo dado se convierte en capital para el siguiente periodo. Esto es, el interés simple generado al final del primer periodo se suma al capital original, formándose un nuevo capital. Con este nuevo capital se calcula el interés simple generado en el segundo periodo y el interés se suma al capital, y así sucesivamente. La suma total obtenida al final del proceso se conoce como monto compuesto o valor futuro. A la diferencia entre el monto compuesto y el capital original se le llama interés compuesto; esto es:

I = F - P (Ecuación 6)

En donde I representa el interés compuesto; F el monto compuesto y P, el capital original. El interés compuesto se puede definir como la operación financiera en la que el capital aumenta al final de cada periodo por adición de los intereses vencidos.

El periodo convenido para convertir el interés en capital se llama periodo de capitalización o periodo de conversión.

El periodo de capitalización es un dato necesario en los problemas de interés compuesto. Al efectuar un cálculo de interés compuesto es necesario que la tasa de interés esté expresada en la misma unidad de tiempo que el periodo de capitalización; es decir, la tasa debe convertirse a tasa de interés por periodo de capitalización. Por ejemplo, si en un problema la tasa de interés es de 36% capitalizable cada mes, entonces a fin de realizar los cálculos, ésta se convertirá en tasa mensual:

36%/12 = 3% mensual

capitalizable cada mes

Otro ejemplo: si el problema marca una tasa de 1.5% quincenal capitalizable cada bimestre, entonces la tasa deberá convertirse a tasa bimestral:

(1.5)(4) = 6% bimestral capitalizable cada bimestre. Pedro invierte $500 000 a 15% anual capitalizable cada mes, a un plazo de 6 meses.

Calcule:

a) El monto compuesto al cabo de 6 meses

b) El interés compuesto ganado

c) Copare el monto compuesto con el monto simple

a) Como el periodo de capitalización es mensual, es necesario convertir la tasa de interés anual a tasa de interés mensual:

i = 15 / 12 = 1.25% mensual = 0.0125 por mes

Capital original $500 000.00 Interés del primer mes

= (500 000) (0.0125) (1) = $6 250.00

Monto al final del primer mes $506 250.00 Interés del segundo mes =(506 250) (0.0125) (1) =

$6 328.13

Monto al final del segundo mes $512 578.13 Interés del tercer mes = (512 578.13) (0.0125) (1) = $6 407.23

Monto al final del tercer mes $518 985.36 Interés del cuarto mes = (518 985.36) (0.0125) (1) =

$6 487.32

Monto al final del cuarto mes $525 472.68 Interés del quinto mes = (525 472.68) (0.0125) (1) = $6 568.41 Monto al final del quinto mes $532 041.09 Interés del sexto mes = (532 041.09) (0.0125) (1) = $6 650.51

Monto al final del sexto mes $538 691.60

El monto compuesto obtenido al final de los 6 meses es de $538 691.60

El cálculo anterior se puede expresar de manera tabular, de la siguiente forma:

5. Mes Capital al inicio del mes Interés ganado en el mes Monto compuesto al final del mes

1 $500 000.00 $6 250.00 $506 250.00

2 $506 250.00 $6 328.13 $512 578.13

3 $512 578.13 $6 407.23 $518 985.36

4 $518 985.36 $6 487.32 $525 472.68

5 $525 472.68 $6 568.41 $532 041.09

6 $532 041.09 $6 650.51 $538 691.60

Esta tabla recibe el nombre de tabla de capitalización

b) El interés compuesto de la inversión se obtiene usando la ecuación 6

I = 538 691.60 - 500 000 = $38 691.60

c) Si la inversión hubiera sido con interés simple, el monto obtenido sería:

M = 500 000 [1 + (0.0125) (6)] = $537 500

Comparando los dos montos, se observa que el interés compuesto es mayor que el interés simple. Esto se debe a que en el interés compuesto se ganan intereses sobre los intereses capitalizados. Debido a la capitalización de los intereses, el monto compuesto crece en forma geométrica, mientras que el monto simple crece en forma aritmética.

En ele ejemplo anterior se mostró la forma como se puede calcular el monto compuesto utilizando la fórmula del interés simple. Esta forma de calcular el monto compuesto es laboriosa y tardada. Por lo tanto, con la finalidad de ahorrar tiempo, a continuación se deduce una fórmula que permitirá obtener el monto compuesto de manera directa.

Sea P un capital invertido a la tasa de interés compuesto i por periodo de capitalización. Se desea obtener el monto compuesto F al cabo de n periodos de capitalización, por lo que podemos deducir la siguiente fórmula:

F = P (1 + i) (Ecuación 6)

En donde F es el monto compuesto o valor futuro de un capital original P, i es la tasa de interés por periodo de capitalización (expresada en forma decimal) y n es el número total de periodos de capitalización.

Determine el monto compuesto después de 4 años, si se invierten $100 000 a una tasa de 18% con capitalización trimestral.

La tasa de interés dada es anual y el periodo de capitalización es trimestral. Por tanto, la tasa de interés por periodo de capitalización es:

i = 18 / 4 = 4.5% trimestral capitalizable cada trimestre

El tiempo de inversión es de 4 años, esto es, 16 trimestres, ya que un año consta de 4 trimestres. Por tanto, hay 16 periodos de capitalización. Sustituyendo los valores numéricos en la ecuación 6, se tiene

F = 100 000 (1 + 0.045) = 100 000 (1.045)

Esta expresión se puede evaluar utilizando logaritmos o, de manera directa, mediante una calculadora científica.

F = $202 237

6. Interés compuesto con periodos de capitalización fraccionarios

La fórmula del interés compuesto se dedujo bajo la suposición de un número entero de periodos de capitalización. Sin embargo, la fórmula también puede utilizarse si se presentan fracciones de periodo.

Obtenga el monto compuesto de 12 500 a 20% capitalizable cada semestre al cabo de 2 años y 3 meses. Como un semestre son 6 meses, y 2 años 3 meses son 27 meses, entonces:

n = 27 / 6 = 4.5 semestres Utilizando la fórmula 6:

F = 12 500 (1 + 0.20 /2) = $19 194.51

El procedimiento anterior recibe el nombre de cálculo teórico y se utiliza en muchos problemas reales. Sin embargo, en algunas otras situaciones reales e acostumbra utilizar la llamada regla comercial, que consiste en obtener el monto compuesto para los periodos enteros de capitalización y utilizar el interés simple para la fracción del periodo.

Resuelva el ejemplo anterior según la regla comercial.

Se obtiene el monto compuesto para los 4 periodos semestrales (2 años), que son los periodos completos.

F = 12 500 (1+ 0.20 / 2) = $18 301.25

En seguida se calcula el monto simple para la fracción de periodo, utilizando como capital el monto compuesto obtenido previamente. La fracción de periodo son 3 meses.

M = 18 301.25 [1 + (0.20/12) (3)] = $19 216.31

Como se observa, la regla comercial proporciona un monto mayor que el cálculo teórico. Sin embargo, el cálculo teórico es más justificable desde el punto de vista lógico, matemático y de justicia.

Así como existen dos formas de obtener el monto compuesto cuando se presentan periodos de capitalización fraccionarios, de igual manera existen dos formas de obtener el valor presente a partir de un valor futuro cuando hay fracciones de periodo: el cálculo teórico y la regla comercial.

Encuentre el valor presente de $71 644.95 que vencen dentro de un año y diez meses, si la tasa de interés es de 1.5% mensual capitalizable cada cuatrimestre.

Utilice el cálculo teórico y la regla comercial.

Cálculo teórico

Un año y diez meses son 22 meses, por tanto n = 22/4 = 5.5 cuatrimestres, así que:

i = 1.5% mensual = 6% cuatrimestral Por tanto:

P = ___71 644.95 = $52 000

(1 + 0.06) Regla

Comercial Primero se calcula el valor actual para los periodos completos de capitalización; esto es, 5 cuatrimestres:

P = ___71 644.95___ = $53 537.27

(1 + 0.06) Utilizando $53 537.27

como valor futuro se calcula el valor presente, empleando la fórmula del interés simple, para la fracción del periodo, que es de 2 meses:

P = ___53 537,27__ = $51 977.93

1 + (0.015) (2)

ESTADÍSTICA

1. ALGEBRA

El álgebra es la rama de las matemáticas que estudia la cantidad considerada del modo más general posible.

El concepto de la cantidad en álgebra es mucho más amplio que aritmética. En aritmética las cantidades se representan por números y éstos expresan valores determinados. Así, 20 expresa un solo valor: veinte; para expresar un valor mayor o menor que éste habrá que escribir un número distinto de 20.

En álgebra, para lograr la generalización, las cantidades se representan por medio de letras, las cuales pueden representar todos los valores. Así, a representa el valor que nosotros le asignemos, y por tanto puede representar 20 o más de 20 o menos de 20, nuestra elección, aunque conviene advertir que cuando en un problema asignamos a una letra un valor determinado, esa letra no puede representar, en el mismo problema, otro valor distinto del que le hemos asignado.

Los símbolos usados en álgebra para representar las cantidades son los números y las letras. Los números se emplean para representar cantidades conocidas y determinadas. Las letras se emplean para representar toda clase de cantidades, ya sean conocidas o desconocidas. Las cantidades conocidas se expresan por las primeras letras del alfabeto: a, b, c, d.... Las cantidades desconocidas se representan por las últimas letras del alfabeto: u, v, w, x, y, z.

1.2. Conjuntos.

"Por conjunto se entiende una agrupación en un todo de objetos bien distintos de nuestra intuición o de nuestro pensamiento". Esta definición pertenece a Cantor, creador de la teoría de conjuntos.

Sin embargo, esta definición carece del rigor matemático necesario. Para evitar esto se requiere una axiomática. Existen varias axiomáticas para definir que es un conjunto. A continuación, se expone la axiomática de Zermelo-Fraenkel:

Dos conjuntos son iguales, si y solamente, si tienen los mismos elementos.

Existe un conjunto sin elementos (conjunto vacío).

Si A y B son dos conjuntos, existe un conjunto cuyos únicos elementos son A y B.

La reunión de un conjunto de conjuntos es un conjunto.

Existe un conjunto A, del cual el conjunto vacío es elemento, y que es tal que si a pertenece a “A”, la reunión de a y de {a} pertenece a “A” (implica la existencia de conjuntos infinitos).

Para toda relación R de la teoría y para todo conjunto A existe un conjunto B, que tiene por elementos los elementos de A que satisfacen a R.

Para todo conjunto A existe un conjunto que tiene por elementos las partes de A.

El producto de una familia de conjuntos no vacíos es un conjunto no vacío (axioma de elección). Ningún conjunto es elemento de sí mismo.

Observación:Para representar un conjunto siempre se utilizan letras mayúsculas (A, B, C...).

Existen dos formas de determinar un conjunto:

Método de enumeración: Consiste en escribir todos y cada uno de los elementos que forman el conjunto. Ej.: A ={1,2,3}.

Método de caracterización: Consiste en determinar los elementos de un conjunto exigiéndoles que verifiquen una ó más propiedades.

Ej.: A={x N / x<10}. Un conjunto es una colección de cosas.

Ejemplos de conjuntos podrían ser los alumnos de un colegio, los libros de una biblioteca, los modelos de coches, etc. Cuando se citan todos los elementos del conjunto se dice que le conjunto se ha definido por extensión.

Ejemplo: El conjunto formado por Pepe, Ramón y Luis, se escribiría así {Pepe, Ramón, Luis} Evidentemente, muchas veces, no es posible citar todos los elementos del conjunto, en este caso el conjunto se define citando una propiedad que describe a todos los elementos del conjunto. Definición por comprensión.

Ejemplo: Todas las personas mayores de 50 años.

A los miembros de un conjunto se llaman elementos.

Un conjunto que no tiene elementos se llama conjunto vacío.

Conjunto universal o de referencia (se representa por U) es aquel conjunto del que son subconjuntos todos los posibles conjuntos que origina el problema.

Por ejemplo el conjunto de los números naturales sería el conjunto universal si estamos tratando con un problema que sólo considera números naturales.

El hombre pertenece al conjunto universal mamíferos.

El número de elementos que tiene un conjunto se llama cardinal del conjunto.

Dos conjuntos son iguales si están formados por los mismos elementos.

Subconjunto Un conjunto es subconjunto de otro, si todos los elementos de este conjunto pertenecen al otro.

Ejemplo: Sean los conjuntos A = {a, b, c, d, e, f} y B = {a, b, c}. B es un subconjunto de A. Conjunto complementario

Dado un conjunto A de un conjunto de universal U, el conjunto complementario (A' o A con una raya encima) está formado por los elementos de U que no pertenecen a A. Conjunto de las partes de un conjunto

Dado un conjunto A, el conjunto formado por todos los subconjuntos de A, se llama conjunto de las partes de un conjunto.

Recubrimiento Dado un conjunto A y cualquier serie de subconjuntos de A, se llama recubrimiento.

Partición

Una partición es un recubrimiento en el que se cumple que A es igual a la unión de la serie de subconjuntos que forman el recubrimiento.

1.3. Números reales

El sistema de números reales está constituido por números racionales e irracionales. Los números racionales son aquellos que pueden expresarse como la razón, o cociente, de dos enteros, siendo el divisor un entero no cero. En consecuencia, un número racional es aquel que puede expresarse en la forma a/b donde a y b son enteros y b no es 0. Dado que cualquier entero a puede escribirse en forma de cociente a/1, todos los enteros son además números racionales. He aquí algunos ejemplos: -5 = -5/1 y 54/1. Se considera que el cero es un entero (ni negativo, ni positivo), y puede escribirse en forma de cociente.

Los números irracionales son números reales que no pueden expresarse como la razón de dos enteros. Números como Pi= 3.1459265.... (Que es la razón de la circunferencia de un círculo con su diámetro), la raíz cuadrada de 2= 1.4142... La raíz cuadrada del 3= 1.7321... etc., son ejemplos de números irracionales.

4. Graficación de funciones

1.4. Graficación de funciones

El modo según el cuál una función varia de acuerdo con los cambios de la variable independiente es un tema importante del álgebra. Dicho comportamiento se puede estudiar por medio de la representación gráfica de los valores correspondientes de la función y de la variable independiente.

La representación gráfica de funciones se puede efectuar por medio del sistema conocido con el nombre de coordenadas rectangulares. Para representarla en un plano, primeramente se escogen dos líneas, una horizontal y otra vertical, y una escala adecuada en cada línea. La línea horizontal se llama eje de las X y la línea vertical eje de las Y. La intersección de las dos se llama origen luego se conviene en que todas las distancias horizontales medidas a la derecha del eje de las Y son positivas y que todas las distancias horizontales medidas a la izquierda son negativas. Además, todas las distancias verticales medidas hacia arriba del eje de las X son positivas y medidas hacia abajo son negativas. Se puede observar entonces que a cada punto en el plano se asocian dos distancias dirigidas: una, a partir del eje de las Y y otra, a partir del eje de las X. De lo anterior se establece la siguiente división:

La abscisa o coordenada X de un punto en un plano, es la distancia dirigida desde el eje de las Y a ese punto. Dicha abscisa es positiva o negativa, según el punto esté a la derecha o a la izquierda de dicho eje. La ordenado o coordenada Y de un punto es la distancia dirigida desde el eje de las X a ese punto y es positiva o negativa según el punto esté arriba o debajo de dicho eje. La abscisa y la ordenada se llaman coordenadas del punto y se escriben como un par de números encerrados entre paréntesis y separados mediante una coma.

1.5. Ecuaciones

La ecuación es una forma abreviada de decir que dos expresiones algebraicas son iguales. Se distinguen tres tipos de ecuaciones. La identidad es una ecuación que es verdadera para todos los valores de las literales o variables. Un ejemplo de identidad es la ecuación: 6x + 12 = 12x +24 / 2.He aquí otro ejemplo: 5 (x + y) = 5x + 5y. En las ecuaciones anteriores, los valores que se asignan a las variables hacen iguales a ambos miembros. La ecuación condicional es verdadera para un número limitado de valores de las variables. Por ejemplo, la ecuación: x + 3 = 5 , es verdadera solo cuando x es 2.

Una proposición falsa es una ecuación que nunca se realiza. Esto es, no hay valores de variables que hagan iguales a ambos miembros. Un ejemplo de ella es la ecuación: x = x + 5.

Si una ecuación contiene una variable, cualquier valor de esta ultima que haga verdadera la ecuación recibe el nombre de raíz de la ecuación. Decimos que las raíces son valores de la variable que satisfacen la ecuación. “Resolver una ecuación” es el proceso de encontrar las raíces de la ecuación, si es que existen. Casi siempre hay que manipular o rearreglar las ecuaciones a fin de resolverlas.

Las siguientes reglas indican las operaciones permisibles.

1. Se pueden sumar ambos miembros de una ecuación expresiones de valores reales que sean iguales

2. Ambos miembros se una ecuación pueden multiplicarse o dividirse entre cualquier constante no cero

3. Ambos miembros de una ecuación pueden multiplicarse por una cantidad que contenga variables

4. Ambos miembros de una ecuación pueden elevarse al cuadrado

5. Ambos miembros de una ecuación pueden dividirse entre una expresión que contenga variables a condición de que la expresión no sea 0

2. ÁLGEBRA LINEAL

1. Matrices.

Las matrices surgen del estudio de la resolución de los sistemas de ecuaciones lineales Definición Un sistema de ecuaciones lineales son dos o más ecuaciones lineales que se tienen que cumplir simultáneamente.

Sea el sistema de ecuaciones lineales:

a11x1 + ... + a1nxn = b1 a21x1 + ... + a2nxn = b2 ....................................

am1x1 + ... + amnxn = bm A los términos a11, a12, ... a1n, a22, ... (en general aij)

se les llama coeficientes y a los términos b1, b2, ... bm se les llama términos independientes. Cuando todos los términos independientes son cero el sistema se llama homogéneo. Una solución de estos sistemas es xi = 0 (esta solución se llama solución trivial y las soluciones distintas de cero se llaman soluciones no triviales). Un conjunto de valores s1, s2, ... sn tal que si sustituimos s1 por x1, s2 por x2, ... y sn por xn se cumplen las ecuaciones, se llama conjunto solución.

Métodos de resolución (igual número de ecuaciones que incógnitas)

Método de eliminación por substitución

2x - 3y = 5 x

- y = 2

consiste en despejar una incógnita en una de las ecuaciones y sustituirla en la otra

x = 2 + y

2(2 + y) = 5.

Resolviendo esta ecuación obtenemos y = -1 y sustituyendo este valor en una de las ecuaciones obtenemos el valor de la otra incógnita.

Método de eliminación por igualación

2x - 3y =

5 x - y = 2

Despejando x en la primera ecuación x = (5 + 3y)/2 y en la segunda x = 2 + y Igualando (5 + 3y)/2 = 2 + y. Resolviendo la ecuación obtenemos y = -1 y sustituyendo este valor en cualquiera de las ecuaciones obtenemos x = 1.

Método de eliminación por reducción

2x - 3y = 5 x

- y = 2

Multiplicando la segunda ecuación por -2, queda

: 2x - 3y = 5

-2x + 2y = -4

sumando las dos ecuaciones obtenemos -y = 1. Luego y = 1 y sustituyendo este valor en cualquiera de las ecuaciones tenemos que x = 1.

Método de Cramer

Sea el sistema de ecuaciones lineales:

a11x1 + ... + a1nxn = b1

a21x1 + ... + a2nxn = b2

.................................... am1x1 + ... + amnxn = bm

Examinando estas fórmulas podemos sacar las siguientes conclusiones:

1. Si el denominador es distinto de cero el sistema tiene solución única (se dice que el sistema es compatible y determinado).

2. Si el denominador es igual a cero y el numerador distinto de cero el sistema no tiene solución (se dice que el sistema es incompatible).

3. Si el denominador y el numerador son ambos iguales a cero el sistema tiene infinitas soluciones (se dice que el sistema es indeterminado).

Método de Gauss

El método de Gauss consiste en convertir la matriz del sistema de ecuaciones en otra triangular (con ceros por encima o por debajo de la diagonal). Por ejemplo: supongamos el sistema representado por:

Donde la última columna representa los términos independientes del sistema de ecuaciones. Se trata de hacer ceros por debajo de la diagonal principal. Vamos a convertir en ceros todos los elementos de la primera columna (excepto el de la primera fila, este elemento se llama elemento pivote). Restando a la segunda fila la primera nos queda:

Multiplicando la primera fila por -2 y sumando el resultado a la tercera fila nos queda:

Multiplicando la primera fila por -4 y sumando el resultado a la cuarta fila nos queda:

Vamos a convertir en ceros todos los elementos de la segunda columna (excepto el de la primera y segunda fila, este elemento se llama elemento pivote). Multiplicando la segunda fila por -1 y sumando el resultado a la tercera fila nos queda:

Multiplicando la segunda fila por -1 y sumando el resultado a la cuarta fila nos queda:

Vamos a convertir en ceros todos los elementos de la tercera columna (excepto el de la primera, segunda y tercera fila, este elemento se llama elemento pivote). Multiplicando la tercera fila por -3 y sumando el resultado a la cuarta fila nos queda:

Y ya está. De la última fila obtenemos que x4 = -1. Sustituyendo este valor en la tercera fila obtenemos -2x3 = -2 y por lo tanto x3 = 1. Sustituyendo estos valores en la segunda fila, obtenemos x2 = -2 y haciendo lo mismo en la primera fila obtenemos x1 = 1. El método de Gauss tiene dos variantes. El método del pivote parcial y el método del pivote total. El método del pivote parcial consiste en elegir como pivote el elemento de mayor valor absoluto de la columna con la que estemos trabajando.

El método del pivote total consiste en elegir como pivote el elemento de mayor valor absoluto de la fila y columna con la que estamos trabajando.

Método de factorización LU Se trata de convertir la matriz de coeficientes del sistema de ecuaciones en producto de dos matrices triangulares.

Por ejemplo: supongamos el sistema representado por:

Donde la última columna representa los términos independientes del sistema de ecuaciones. Lo primero que se hace es completar la matriz de coeficientes con la matriz identidad

Tenemos que obtener dos matrices: una con ceros en la parte superior de la diagonal y ora con ceros en la parte inferior. Vamos a poner ceros en la quinta columna (excepto el término de la primera fila). Restando a la segunda fila la primera nos queda:

Multiplicando la primera fila por -2 y sumando el resultado a la tercera fila nos queda:

Multiplicando la primera fila por -4 y sumando el resultado a la cuarta fila nos queda:

Vamos a convertir en ceros todos los elementos de la sexta columna (excepto el de la primera y segunda fila). Multiplicando la segunda fila por -1 y sumando el resultado a la tercera fila (no se trata la primera columna) nos queda:

Multiplicando la segunda fila por -1 y sumando el resultado a la cuarta fila nos queda:

Vamos a convertir en ceros todos los elementos de la séptima columna (excepto el de la primera, segunda y tercera fila). Multiplicando la tercera fila por -3 y sumando el resultado a la cuarta fila (no se trata la primera y segunda columna) nos queda:

Ahora tomamos las cuatro primeras columnas, le cambiamos el signo a los elementos que están debajo de la diagonal y formamos la matriz

Ahora resolvemos el sistema que representa esta matriz de coeficientes con los términos independientes del problema original (-1, 4, 2, -3). La solución a este sistema es x1 = -1, x2 = 5, x3 = -1 y x4 = -1. Ahora tomamos cuatro ultimas columnas y formamos la matriz

y resolvemos el sistema que representa esta matriz de coeficientes con los términos independientes obtenidos en la solución del sistema anterior (-1, 5, -1, -1)

La solución a este sistema es x1 = 1, x2 = -2, x3 = 1 y x4 = -1.

Métodos de resolución (mayor número de ecuaciones que incógnitas)

En este caso se toman tantas ecuaciones como incógnitas y se resuelve el sistema. A continuación se sustituyen los valores obtenidos como soluciones en las ecuaciones que no hemos utilizado en la resolución. Si los valores no satisfacen las ecuaciones el sistema es imposible o incompatible.

Métodos de resolución (menor número de ecuaciones que incógnitas)

En este caso el sistema es indeterminado. Esto quiere decir que no podemos obtener una solución concreta. Sólo podemos suponer que conocemos el valor de algunas incógnitas y dar la solución en función de éstas.

2x - 3y + z = 5 x - y - 2z = 2

suponemos que conocemos el valor de z.

Multiplicando la segunda ecuación por -2 y sumando nos queda y = 1 - 5z y sustituyendo este valor en una de las ecuaciones nos queda x = 3 - 3z.

Definición de MATRIZ

Un conjunto de N números dispuestos en n filas y m columnas, tal que n × m = N es un matriz. Una matriz se suele representar por una letra mayúscula y los elementos de dicha matriz se representan por la correspondiente letra minúscula con dos subíndices que indican la fila y columna.

Por ejemplo la matriz A y el elemento a12 (elemento de la fila 1, columna 2).

Tipos de matrices

Cuando el número de filas es igual al de columnas (n = m) la matriz se llama matriz cuadrada. Cuando n = 1 la matriz se llama matriz fila. Cuando m = 1 la matriz se llama matriz columna.

Las matrices fila y columna se llaman habitualmente vectores.

Cuando en una matriz cuadrada son ceros todos los elementos que no están en la diagonal principal (la que va desde el ángulo superior izquierdo al ángulo inferior derecho) la matriz se llama matriz diagonal.

Si todos los términos de una matriz son cero, a la matriz se le llama matriz nula. y se representa por O.

Si una matriz diagonal tiene todos los términos de la diagonal iguales se llama matriz escalar.

Si una matriz diagonal tiene todos los términos de la diagonal iguales a 1 se llama matriz unidad. Dada una matriz, su traspuesta es la formada al disponer la fila 1 como columna 1, la fila 2 como columna 2... la fila n como columna n. La traspuesta de la matriz A se designa por tA (a veces se utiliza At o A').

Las matrices cuadradas en las que aij = 0 siempre que i > j o bien aij = 0 siempre que i < j se llaman matrices triangulares (superior o inferior, según el caso).

Una matriz se llama regular si tiene inversa.

Si no tiene inversa se llama singular.

Una matriz es simétrica si es igual a su traspuesta.

Una matriz A es antisimétrica (o hemisimétrica) si su traspuesta es igual a -A

Una matriz A es hermítica si coincide con la matriz traspuesta conjugada (se refiere a los números complejos conjugados).

Es antihermítica si es opuesta con la matriz traspuesta conjugada. Una matriz es periódica si existe algún p tal que Ap = A. Si p = 2 la matriz se llama idempotente. Una matriz es nilpotente si existe algún p tal que Ap = O (matriz cero). Una matriz es involutiva si A2 = I (matriz identidad). Una matriz es ortogonal si tA = A-1.

A. Producto de matrices.

Producto de un número por una matriz.

Para multiplicar un numero por una matriz, se multiplica cada elemento de la matriz por el número. Ejemplo:

Producto de matrices Para multiplicar dos matrices es indispensable que el número de columnas de la primera matriz sea igual al número de filas de la segunda matriz. El producto de matrices no es conmutativo (no es lo mismo A.B que B.A). El producto de matrices tiene la propiedad asociativa: A . (B . C) = (A . B) . C Por ejemplo el producto de la matriz:

por la matriz:

Es:

Si A y B tienen las dimensiones correctas para que se puedan multiplicar, entonces se cumple: (A.B) t = B t.A t El superíndice t significa traspuesta.

Transposición de matrices

Para trasponer una matriz se convierten las filas en columnas.

Por ejemplo en la matriz

1 2 3

1 2 0

1 0 4

la traspuesta es

1 1 1

2 2 0

3 0 4

Si A es simétrica A = A t

Si A es antisimétrica A = - A t

(A t) t = A

(A + B) t = A t

+ B t (nA) t = nA t

(A . B) t = B t . A t

(A t) -1 = (A-1) t

Igualdad

Dos matrices son iguales si sus elementos correspondientes son iguales. aij = bij

B. Suma de matrices.

Para sumar dos matrices tienen que tener las mismas dimensiones. Para sumar dos matrices se suman los elementos que ocupan las mismas posiciones Ejemplo:

La suma de matrices tiene la propiedad conmutativa. A + B = B + A.

C. Suma inversa.

Matriz inversa de una matriz es una matriz que multiplicada por la primitiva da la matriz unidad. La matriz inversa de A se designa por A-1 Para calcular la inversa de una matriz, primero se calcula su determinante. Si el determinante es cero la matriz no tiene inversa. A continuación se calculan los adjuntos de cada elemento de la matriz. Después se divide cada adjunto por el determinante de la matriz. Después se forma la matriz poniendo los valores obtenidos correspondientes a la posición ij en la posición ji

Vamos a calcular, utilizando las formas normales, la inversa de la matriz

omplementamos con la matriz identidad

Tenemos que convertir la matriz original en la matriz unidad. Empezaremos convirtiendo el -1 (fila 2 columna 1) en 0. Para ello multiplicamos la primera fila por 1 y se la sumamos a la segunda fila. Hacemos la transformación también en la matriz identidad de las filas. Nos quedará:

Ahora convertiremos el -1 (fila 3 columna 2) en 0. Para ello multiplicamos la segunda fila por 1 y se la sumamos a la tercera fila. Hacemos la transformación también en la matriz identidad de las filas. Nos quedará:

Ahora convertiremos el 5 (fila 3 columna 3) en 1. Para ello dividimos la tercera fila por 5. Hacemos la transformación también en la matriz identidad de las filas. Nos quedará:

Ahora convertiremos el 2 (fila 1 columna 3) en 0. Para ello multiplicamos la tercera fila por -2 y se la sumamos a la primera fila. Hacemos la transformación también en la matriz identidad de las filas. Nos quedará:

Ahora convertiremos el 3 (fila 2 columna 3) en 1. Para ello multiplicamos la tercera fila por -3. Hacemos la transformación también en la matriz identidad de las filas. Nos quedará:

Y ya hemos obtenido la matriz inversa:

Si A y B son dos matrices cuadradas con inversa, entonces se cumple: (A.B) -1 = B -1.A -1 Si A es una matriz cuadrada con inversa, entonces se cumple que la inversa de la traspuesta es igual a la traspuesta de la inversa: (At) -1 = (A-1) t

3. CALCULO DIFERENCIAL

3.1. Calculo diferencial

El cálculo diferencial estudia los incrementos en las variables. Sean x e y dos variables relacionadas por la ecuación y = f(x), en donde la función f expresa la dependencia del valor de y con los valores de x. Por ejemplo, x puede ser tiempo e y la distancia recorrida por un objeto en movimiento en el tiempo x. Un pequeño incremento h en la x, de un valor x0 a x0 + h, produce un incremento k en la y que pasa de y0 = f(x0) a y0 + k = f(x0 + h), por lo que k = f(x0 + h) - f(x0). El cociente k/h representa el incremento medio de la y cuando la x varía de x0 a x0 + h. La gráfica de la función y = f(x) es una curva en el plano xy y k/h es la pendiente de la recta AB entre los puntos A = (x0,y0) y B = (x0 + h, y0 + k) en esta curva; en donde h = AC y k = CB, así es que k/h es la tangente del ángulo BAC.

A. Límites.

Se trata de calcular el valor de una función cuando la variable independiente se acerca a un valor determinado. Lo habitual es que cuando x tiende a un valor (finito o infinito) se obtenga otro valor (finito o infinito) para la función. Veamos estos casos sencillos:

Límites habituales Limites finitos en puntos finitos

Este es el caso mas habitual: a cada valor que le damos a la variable x, obtenemos un valor para la función y.

Consideremos la función y = x3 y el punto x = 2.

Hagamos una tabla con los valores de y que obtenemos al dar valores a x desde x = 1,9 hasta x = 2 para valores cada vez mas próximos a x = 2

Valores de la función y = x3

Hagamos una tabla con los valores de y que obtenemos al dar valores a x desde x = 2,1 hasta x = 2 con valores cada vez mas próximos a x = 2 Valores de la función y = x3

Como vemos tanto si nos acercamos a x = 2 por la derecha como por la izquierda el valor de y se acerca a 8 (un numero determinado). Este es el comportamiento habitual de las funciones, pero, en algunos casos no ocurre esto.

Definición

Se dice que la función y = f(x) tiene como limite el numero L, cuando x tiende a x0 si, para cualquier e , mayor que cero, existe un numero positivo d, tal que, para todos los x distintos de x0 que cumplen la condición ½ x - x0½ < d, se cumple que ½ f(x) - L½ < e.

Una función y = f(x) tiene limite en el punto x0, si y solo si, los limites de la función existen y son iguales cuando x tiende a x0 por la derecha y por la izquierda.

Limites infinitos en puntos finitos

La función y = 1/x2 cuando x = 0, tiene un comportamiento diferente, pues el valor de y tiende a infinito a medida que x se acerca a cero, tanto por la derecha como por la izquierda. Valores de la función y = 1/x2

En este caso, cuanto mas nos acercamos a 0 mas crece el valor de y. Se dice que y tiende a infinito.

Definición

La función y = f(x) tiene un limite +infinito o -infinito, cuando x tiende a x0 si para cualquier M positivo, existe un d , mayor que cero, tal que, para todos los x distintos de x0 que cumplen la condición ½ x - x0½ < d, se cumple que ½f(x)½ >M

Limites en el infinito

Otro caso a estudiar es cuando x se hace muy grande (tiende a infinito).

Supongamos la función y = (1 + 1/x). Cuando x se hace muy grande el termino 1/x se hace muy pequeño, por lo tanto y tiende a 1 cuando x tiende a infinito. Valores de la función y = (1 + 1/x)

Definición La función y = f(x) tiene un limite L cuando x tiende a +infinito o x tiende a -infinito, si para cualquier e, mayor que cero, es posible encontrar un N, mayor que cero, tal que, para todos los valores de x que cumplen la condición ½x½ > N, se cumple que ½f(x) - L½ < e.

El límite de una función en un punto es único. (Se puede decir lo mismo diciendo: Una función no puede tener dos límites diferentes en un mismo punto).

Sean f y g dos funciones. Si el límite de la función f, en el punto x = a, es l, y el límite de la función g, en el punto x = a, es m, entonces el limite de la función f + g, en el punto x = a, es l + m. (Esto se expresa de manera rápida diciendo:

El límite de la suma es igual a la suma de los límites).

lim (f(x) + g(x))= lim f(x) + lim g(x) Sean f y g dos funciones.

Si el límite de la función f, en el punto x = a, es l, y el límite de la función g, en el punto x = a, es m, entonces el limite de la función f * g, en el punto x = a, es l * m. (Esto se expresa de manera rápida diciendo:El límite del producto es igual al producto de los límites). lim (f(x).g(x)) = lim f(x) . lim g(x)

Sean f y g dos funciones.

Si el límite de la función f, en el punto x = a, es l, y el límite de la función g, en el punto x = a, es m (distinto de cero), entonces el limite de la función f / g, en el punto x = a, es l / m. (Esto se expresa de manera rápida diciendo: El límite del cociente es igual al cociente de los límites).

lim (f(x)/g(x)) = lim f(x) / lim g(x)

Sean f y g dos funciones. Si el límite de la función f, en el punto x = a, es l, y el límite de la función g, en el punto x = a, es m, entonces el limite de la función f g , en el punto x = a, es l m. lim (f(x))g(x) = lim (f(x))lim g(x)

Sean f y g dos funciones. Si el límite de la función f, en el punto x = a, es l, y el límite de la función g, en el punto x = a, es m, entonces el limite de la función f(g(x)) (suponiendo que tenga sentido) en el punto x = a, es l.

C. Derivadas de funciones.

El concepto de derivada es muy fácil de comprender. Dada una función y = f(x), la derivada mide la variación de y, cuando hay una pequeña variación de x.

Por lo tanto, para que exista la derivada de una función en un punto, tiene que existir ese límite. Cuando no existe este límite, se dice que la función no es derivable en ese punto.

Para representar la derivada de una función se utilizan los símbolos: y', f'(x) y dy/dx (es muy importante darse cuenta que dy/dx es un símbolo y no una fracción. Esta notación de la derivada, se llama notación de Leibniz.)

D. Máximos y mínimos.

1- Determinar los máximos y mínimos. En todos los puntos de la función que haya un máximo o un mínimo, la tangente será horizontal y por lo tanto la pendiente será cero.

2- Determinar la ecuación de la tangente a la curva en un punto (a,b). Calculamos el valor de la derivada en ese punto, sea m, y utilizamos la fórmula y - b = m (x - a).

3- Calcular la ecuación de la normal a la curva en un punto (a,b). Calculamos el valor de la derivada en ese punto, sea m, y utilizamos la fórmula y-b= -1/m (x - a)

. 4. ESTADÍSTICA DESCRIPTIVA

4.1. Concepto

Estadística La Estadística estudia los métodos científicos para recoger, organizar, resumir y analizar datos, así como para sacar conclusiones válidas y tomar decisiones razonables basadas en tal análisis.

Al recoger datos relativos a las características de un grupo de individuos u objetos, sean alturas y pesos de estudiantes de una universidad o pijas defectuosas producidas en una fábrica, suele ser imposible o nada práctico observar todo el grupo, en especial si es muy grande. En vez de examinar el grupo entero, llamado población o universo, se examina una pequeña parte del grupo, llamada muestra. Una población puede ser finita o infinita. Por ejemplo, la población consistente en todas las pijas producidas por una fábrica un cierto día es finita, mientras que la determinada por todos los posibles resultados posibles (cara, cruces) de sucesivas tiradas de una moneda, es infinita.

Si una muestra es representativa de una población, es posible inferir importantes conclusiones sobre la población a partir del análisis de la muestra. La fase de la Estadística que trata con las condiciones bajo las cuales tal diferencia es válida se llama estadística inductiva o inferencia estadística. Ya que dicha inferencia no es del todo exacta, el lenguaje de las probabilidades aparecerá al establecer nuestras conclusiones.

La parte de la Estadística que sólo se ocupa de describir y analizar un grupo dado, sin sacar conclusiones sobre un grupo mayor, se llama Estadística Descriptiva o deductiva.

4.2. Distribución de frecuencias relativas y acumuladas

Distribución de Frecuencias Al resumir grandes colecciones de datos, es útil distribuirlos en clases o categorías, y determinar el número de individuos que pertenecen a cada clase, llamado frecuencia de clase. Una disposición tabular de los datos por clases junto con las correspondientes frecuencias de clase, se llama distribución de frecuencias (o tabla de frecuencias). En la tabla se muestra una distribución de frecuencias de alturas (con precisión de 1 pulgada) de 100 estudiantes varones de la Universidad CAP.

Alturas de 100 estudiantes varones de la Universidad CAP

La primera clase o categoría, por ejemplo, consta de las alturas entre 60 y 62 pulgadas (in) y se indica por el rango 60-62. Como hay 5 estudiantes en esta clase, la correspondiente frecuencia de clase es de 5.

Intervalo de clase.

El símbolo que define una clase, como el 60-62 en la tabla 3.1 se llama un intervalo de clase. Los números extremos, 60 y 62, se llaman límite inferior de clase (60) y limite superior de clase (62). Con frecuencia se intercambian los términos clase e intervalo de clase, aunque el intervalo de clase es un símbolo para la clase. Un intervalo de clase que, al menos en teoría, carece de límite superior o inferior indicando, se llama intervalo de clase abierto. Por ejemplo, refiriéndose a edades de personas, la clase 65 años o más es un intervalo de clase abierto.

Frontera de clase.

Si se dan alturas con precisión de 1 pulgada, el intervalo de clase 60-62 incluye teóricamente todas las medidas desde 59.5000 a 62.5000 in. Estos números, indicados mas brevemente, por los números exactos 59.5 y 62.5, se llaman fronteras de clase o verdaderos limites de clase, el menor (59.5) es la frontera inferior y el mayor (62.5) es la frontera superior. En la practica las fronteras de clase se obtienen promediando el limite superior de una clase con el inferior de la siguiente.

Tamaño o anchura de clase.

El tamaño o anchura de clase es la diferencia entre las fronteras de clase superior e inferior. Si todos los intervalos de clase de una distribución de frecuencias tienen la misma anchura, la denotaremos con una letra c. En tal caso, c es igual la diferencia entre dos limites inferiores (o superiores) de clases sucesivas. Para los datos de la tabla 3.1, por ejemplo, la anchura del intervalo de clase es c = 62.5 - 59.5 = 3 65.5 - 62.5 = 3.

Marca de clase.

La marca de clase es el punto medio del intervalo de clase y se obtiene promediando los límites inferior y superior de clase. Así que las marcas de clase del intervalo 60-62 es (60+62)/2 = 61. La clase se denomina también punto medio de la clase.

Distribución de frecuencias

a frecuencia relativa de una clase es su frecuencia dividida por la frecuencia total de todas las clases y se expresa generalmente como un porcentaje. Por ejemplo, la frecuencia relativa de la clase 66-68 en la tabla 3.1 es 42/100 = 42%. La suma de las frecuencias relativas de todas las clases da obviamente 1, o sea, 100 por 100. Si se sustituyen las frecuencias de la tabla 3.1 por las correspondientes frecuencias relativas, la tabla resultante se llama una distribución de frecuencias relativas, distribución de porcentajes o tablas de frecuencia relativa. La presentación gráfica de distribuciones de frecuencias relativas se puede obtener del histograma o del polígono de frecuencias sin más que cambiar la escala vertical de frecuencias a frecuencias relativas, manteniendo exactamente el mismo diagrama. Los gráficos resultantes se llaman histogramas de frecuencias relativas (o histogramas de porcentajes) y polígonos de frecuencias relativas (o polígonos de porcentajes) respectivamente.

Distribución de frecuencias acumuladas

La frecuencia total de todos los valores menores que la frontera de clase superior de un intervalo de clase dado se llama frecuencia acumulada hasta ese intervalo de clase inclusive. Por ejemplo, la frecuencia acumulada hasta el intervalo de clase 66-68 en la tabla 3.1 es 5+18+42 = 65, lo que significa que 65 estudiantes tienen alturas por debajo de 68.5 pulgadas (in).

Una tabla que presente tales frecuencias acumuladas se llama una distribución de frecuencias acumuladas, tabal de frecuencias acumuladas, o brevemente una distribución acumulada, y se muestra en la siguiente tabla:

4.3. Presentación gráfica de datos: histogramas y polígonos de frecuencias

Los histogramas y polígonos de frecuencia son dos representaciones gráficas de las distribuciones de frecuencia.

1. Un histograma o histograma de frecuencias, consiste en un conjunto de rectángulos con: (a) bases en el eje x horizontal, centros en las marcas de clase y longitudes iguales a los tamaños de los intervalos de clase y (b) áreas proporcionales a las frecuencias de clase. Si los intervalos de clase tienen todos la misma anchura, las alturas de los rectángulos son proporcionales a las frecuencias de clase, y entonces es costumbre tomar las alturas iguales a las frecuencias de clase.

2. Un polígono de frecuencias es un gráfico de trozos de la frecuencia de clase con relación a la marca de clase. Puede obtenerse conectando los puntos medios de las partes superiores de los rectángulos del histograma.

4.4. Medidas de tendencia central: media, mediana, moda, media ponderada y geométrica Media

La media aritmética, o simplemente media, de un conjunto de N números X1, X2, X3,….XN. X = X1+ X2 +X3….XN / N fórmula: X = sumatoria de X / N

Ejemplo. La media aritmética de los números 8, 3, 5, 12 y 10 es X = 8+3+5+12+10 / 5 = 38 / 5 = 7.6 Si los números X1, X2, X3,...Xk ocurren f1, f2, f3,…fk, veces, respectivamente (o sea, con frecuencias) la media aritmética es X = sumatoria de X / N

Media ponderada.

La media ponderada es cuando la asociamos con ciertos factores de peso (o pesos) Colocar fórmula Ejemplo. Si el examen final de un curso de matemáticas cuenta tres veces mas que una evolución parcial, y un estudiante tiene calificación de 85 en el examen final y 70 y 90 en los dos parciales, la calificación media es: X = (1) (70) + (1) (90) + (3) (85) / 1 + 1+ 3 = 415 / 5= 83

Media geométrica

La media geométrica G de un conjunto de N números positivos X1, X2, X3,…XN es la raíz N-exima del producto de esos números. Colocar formula. Ejemplo. La media geométrica de 2, 4 y 8

Mediana

La mediana de un conjunto de números ordenados en magnitud es o el valor central o la media de los dos valores centrales. Ejemplo. El conjunto de números 3, 4, 4, 5, 6, 8, 8, 8, y 10 tiene una mediana de 6. Ejemplo. El conjunto de números 5, 5, 7, 9, 11, 12, 15 y18 tiene una mediana de 10 (9+11 / 2) Para datos agrupados, la mediana se obtiene mediante la siguiente fórmula: Colocar fórmula.

Moda

La moda de un conjunto de números es el valor que ocurre con mayor frecuencia; es decir, el valor mas frecuente. La moda puede no existir, e incluso no ser única en caso de existir.

Ejemplo. El conjunto 2, 2, 5, 7, 9, 9, 9, 10, 10, 11, 12 y 18 tiene una moda de 9

Ejemplo. El conjunto 3, 5, 8, 10, 12, 15 y 16 no tiene moda

Ejemplo. El conjunto 2, 3, 4, 4, 4, 5, 7, 7, 7 y 9 tiene dos modas 4 y 7 y se llama bimodal.

Para datos agrupados, la moda se obtiene mediante la siguiente fórmula: Colocar fórmula

4.5. Medidas de dispersión: rango, varianza, desviación estándar y coeficiente de variación Dispersión o variación.

La dispersión o variación de los datos intenta dar una idea de cuán esparcidos se encuentran estos. Hay varias medidas de tal dispersión, siendo las más comunes el rango, la desviación media, el rango semi-cuartil, rango percentil10-90 y la desviación típica.

Rango.

El rango de un conjunto de números es la diferencia entre el mayor y el menor de todos ellos Ejemplo. El rango del conjunto 2, 3, 3, 5, 5, 8, 10 y 12 es 12 - 2 = 10

Desviación estándar

La desviación media o estándar, de un conjunto de N números x1, x2,…xN es abreviada por MD y se define como: Colocar fórmula

Varianza Coeficiente de variación

La variación o dispersión real, tal como se determina de la desviación típica u otra medida de dispersión, se llama dispersión absoluta. Sin embargo, una dispersión (o variación) de 10 pulgadas in en la medida de 100 pies es muy diferente de esa misma dispersión al medir una distancia de 20 pies. Una medida de este efecto la da la dispersión relativa, a saber:

Dispersión relativa = dispersión absoluta / promedio

Si la dispersión absoluta es la desviación típica “s” y el promedio de la media X, entonces la dispersión relativa se llama coeficiente de variación, o coeficiente de dispersión, se denotara por medio de V y se define como: Colocar fórmula

Y se expresa generalmente como porcentajes. Nótese que el coeficiente de variación es independiente de las unidades usadas. Por esa razón es útil al comparar distribuciones con unidades diferentes. Una desventaja del coeficiente de variación es que pierde su utilidad cuando X es próxima a cero.

5. ANÁLISIS COMBINATORIO

5.1 Principios fundamentales.

Espacio muestral Un espacio muestral son todas las posibles realizaciones de un experimento aleatorio (conjunto de todos los sucesos elementales). Estos espacios se pueden dividir dependiendo de las probabilidades de los sucesos o del número de sucesos.

Espacios muestrales equiprobables

Un espacio {E,A,P} es equiprobable si todos los sucesos elementales que lo integran tienen la misma probabilidad. Dónde card(E) es el número de sucesos del espacio E.

Por tanto si tenemos un espacio de 5 elementos, asignaremos a cada elemento una probabilidad de 1/5.

Otros tipos de espacios

Antes hemos visto que los espacios muestrales se pueden dividir dependiendo de la probabilidad de sus sucesos. Ahora veremos que se pueden dividir en función del número de sucesos, siendo: E. M. Discreto: aquellos cuyo card(E) sea finito o infinito numerable

E. M. Continuo: aquellos cuyo card(E) sea infinito no numerable

5.2 Regla de Laplace

Esta regla es fundamental en el área de la combinatoria. Nos dice la probabilidad que tiene de ocurrir un suceso. Esto es con el cociente entre el número de casos que son favorables partido por el número total de casos.

Ejemplo: Si tenemos una clase con 50 alumnos y queremos saber: ¿Cual es la probabilidad de que al escoger un alumno este sea rubio?. La solución sería conocer el número de alumnos rubios y dividirlo entre los 50 totales.

Diferencias entre muestreo con y sin reemplazamiento

Esto parece bastante obvio explicarlo pero es mejor dejar claras las cosas antes de meternos en materia. Se explicará más fácil con un ejemplo.

Ejemplo: Tenemos una urna con n bolas de dos colores distintos (rojo y azul).

Los dos colores tiene el mismo número de bolas. Si queremos saber cual es la probabilidad de sacar una bola roja diremos que es . Si introducimos de nuevo la bola y volvemos a preguntarnos la misma pregunta la respuesta será la misma (sin reemplazamiento). Pero si no devolvemos la bola a su urna la respuesta no será la misma; la respuesta será donde n-1 es el número de bolas rojas que quedan y N-1 el número de bolas totales que quedan en la urna (con reemplazamiento).

Ordenaciones.

Llamamos "ordenaciones de n elementos tomadas de r en r" al número de grupos de r elementos, r n, que se pueden formar con los n elementos que tenemos, teniendo en cuenta que influye el orden de estos elementos de manera que dos grupos de iguales elementos se pueden diferenciar en el orden de los elementos de los mismos.

La situación es similar a la de las permutaciones, pero aquí no utilizamos todos los elementos.

Ejemplo: En una carrera de coches (50 coches) queremos saber el número de formas distintas en que se pueden repartir los premios (1º, 2º y 3º)... Serían las variaciones de 50 elementos tomados de 3 en 3.

Ordenaciones con repetición

Es exactamente lo mismo que las variaciones pero en este caso se pueden repetir los elementos. Se toman n elementos tomados de r en r. Por ejemplo: Calcular las distintas maneras de colocar las tres letras: A, B y C de tal forma que se agrupen de dos en dos.

A B - B A - A A

B C - C B - B B

A C - C A - C C

5.3. Permutaciones

El principio de multiplicación ofrece un método general para contar el numero de posibles arreglos de objetos dentro de un solo conjunto o entre varios conjuntos. Sin embargo, para un solo conjunto de objetos, las formulas desarrolladas para permutaciones y combinaciones son más convenientes para contar el numero de posibles arreglos.

Una permutación es un arreglo de todos o parte de los objetos dentro de un conjunto de objetos en un orden definido. El numero total de permutaciones de un conjunto de objetos depende del el numero de objetos, tomados ala vez para cada permutación. El número de objetos, tomados a la vez para cada permutación puede ser:

a) Todos los objetos

b) Parte de los objetos

Fórmula. n P n n =

El número de objetos en el conjunto dado n = El número de objetos tomados a la vez para cada permutación n P n = El número total de permutaciones de “n” objetos tomados “n” a la vez

Permutaciones de diferentes objetos tomados todos a la vez

n P n = n!

3P3 = 3x2x1 = 6

Permutaciones de objetos diferentes tomados parte a la vez

Formula r P n n P r = n! / (n-r)! r =

el numero de objetos tomados a la vez para cada permutación

n P r = El numero total de permutaciones de “n” objetos tomados “r” a la vez

Ejemplos

Encontrar el numero total de permutaciones de A, B, C, E y D

Tomados :

a) 3 a la vez

b) 2 a la vez

a)n = 5 r = 3

n P r = n! / (n-r)! = 5! / (5 - 3)! = 60 b) n = 5 r = 2 n P r = n! / (n-r)! = 5! / (5 - 2)! = 20

Tres oficiales: Presidente, Vicepresidente y Secretario, van a ser elegidos de 20 miembros de un club. De cuantas maneras pueden ser elegidos los 3 oficiales.

n = 20 r = 3 n P r = n! / (n-r)! = 20! / (20 - 3)! = 6,840

5.4. Combinaciones

Una combinación es un subconjunto o un conjunto de todos o parte de los objetos de un conjunto sin considerar el orden de los objetos.

El número total de combinaciones posibles de un conjunto de objetos tomados a la vez. Por ejemplo, los arreglos posibles del conjunto de letras cuyos elementos son A y B son: AB y BA. Puesto el orden del arreglo no es considerando, el arreglo AB es el mismo, que por lo tanto hay solamente una combinación posible (A y B) para el conjunto.

El numero total de combinaciones posibles de un conjunto de objetos diferentes, tomados parte a la vez puede ser obtenido encontrado primero el numero total de permutaciones, contando después las permutaciones con los mismos objetos como una combinación

Formula n C r

n = El número total de objetos en un conjunto dado

r = El número de objetos tomados a la vez para cada combinación

n C r = El numero total de combinaciones de “n” objetos tomados “r” a la vez

n C r = n P r / r! = n C r = n! / r! (n-r)!

Ejemplos: Encontrar el número total de combinaciones del conjunto de letras ABC tomados 2 a la vez n = 3 r = 2 n C r = n! / r! (n-r)! = 3 C 2 = 3! / 2! (3 - 2)! = 3

Tres de 20 miembros van a ser seleccionados para formar un comité ¿De cuantas maneras puede ser seleccionado el comité? n = 20 r = 3 n C r = n! / r! (n-r)! = 20 C 3 = 20! / 3! (20 - 3)! = 1,140

6. VARIABLES ALEATORIAS Y DISTRIBUCIONES DE PROBABILIDAD Se pueden definir como todo aquello que vamos a medir, controlar y estudiar en una investigación o estudio. Por lo tanto, es importante, antes de iniciar una investigación, que sepamos cuáles son las variables que vamos a medir y la manera en que lo haremos. Es decir, las variables deben ser susceptibles de medición.

Variable es todo aquello que puede asumir diferentes valores, desde el punto de vista cuantitativo o cualitativo.

Las variables pueden ser definidas conceptual y operacionalmente. La definición conceptual es de índole teórica, mientras que la operacional nos da las bases de medición y la definición de los indicadores.

Para definir las variables, nos podemos basar en los indicadores, que constituyen el conjunto de actividades o características propias de un concepto. Por ejemplo, si hablamos de inteligencia, podemos decir que está compuesta por una serie de factores como la capacidad verbal, capacidad de abstracción, etc. Cada factor puede ser medido a través de indicadores. En otras palabras, los indicadores son algo específico y concreto que representan algo más abstracto o difícil de precisar. No todos los indicadores tienen el mismo valor. Es decir, aunque haya varios indicadores para un mismo fenómeno, habrá algunos más importantes que otros, y por lo general cualquier indicador que se tenga está basado en una probabilidad de que realmente represente al fenómeno. Algunos criterios para escoger los indicadores:

Se debe tener el menor número de indicadores de una variable, siempre y cuando éstos sean realmente representativos de la misma

Se deben poseer formas de medición específicas para cada indicador.

Hay que tener en cuenta que los indicadores sólo poseen una relación de probabilidad con respecto a la variable.

6.1. Definición de variable aleatoria.

Introducción a las distribuciones de probabilidad. Las distribuciones de probabilidad están relacionadas con las distribuciones de frecuencias. Una distribución de frecuencias teórica es una distribución de probabilidades que describe la forma en que se espera que varíen los resultados. Debido a que estas distribuciones tratan sobre expectativas de que algo suceda, resultan ser modelos útiles para hacer inferencias y para tomar decisiones en condiciones de incertidumbre. Una distribución de frecuencias es un listado de las frecuencias observadas de todos los resultados de un experimento que se presentaron realmente cuando se efectuó el experimento, mientras que una distribución de probabilidad es un listado de las probabilidades de todos los posibles resultados que podrían obtenerse si el experimento se lleva a cabo.

Las distribuciones de probabilidad pueden basarse en consideraciones teóricas o en una estimación subjetiva de la posibilidad. Se pueden basar también en la experiencia. Tipos de distribuciones de probabilidad.

Las distribuciones de probabilidad se clasifican como continuas y discretas. En la distribución de probabilidad discreta está permitido tomar sólo un número limitado de valores. En una distribución de probabilidad continua, la variable que se está considerando puede tomar cualquier valor dentro de un intervalo dado. Las distribuciones continuas son una forma conveniente de presentar distribuciones discretas que tienen muchos resultados posibles, todos muy cercanos entre sí.

Variables aleatorias.

Una variable es aleatoria si toma diferentes valores como resultado de un experimento aleatorio. Puede ser discreta o continua. Si puede tomar sólo un número limitado de valores, entonces es una variable aleatoria discreta. En el otro extremo, si puede tomar cualquier valor dentro de un intervalo dado, entonces se trata de una variable aleatoria continua.

Se puede pensar en una variable aleatoria como un valor o una magnitud que cambia de una presentación a otra, sin seguir una secuencia predecible. Los valores de una variable aleatoria son los valores numéricos correspondientes a cada posible resultado de un experimento aleatorio. La distribución de probabilidad de una variable aleatoria proporciona una probabilidad para cada valor posible, y estas probabilidades deben sumar 1.

Valor esperado de una variable aleatoria. El valor esperado es una idea fundamental en el estudio de las distribuciones de probabilidad. Para obtener el valor esperado de una variable aleatoria discreta, se multiplica cada valor que la variable puede tomar por la probabilidad de presentación de ese valor y luego se suman esos productos. Es un promedio pesado de los resultados que se esperan en el futuro.

El valor esperado pesa cada resultado posible con respecto a la frecuencia con que se espera se que presente. En consecuencia, las presentaciones más comunes tienen asignadas un peso mayor que las menos comunes. El valor esperado también puede ser obtenido a partir de estimaciones subjetivas. En ese caso, el valor esperado no es más que la representación de las convicciones personales acerca del resultado posible.

En muchas situaciones, encontraremos que es más conveniente, en términos de los cálculos que se deben hacer, representar la distribución de probabilidad de una variable aleatoria de una manera algebraica. Al hacer esto, podemos llevar a cabo cálculos de probabilidad mediante la sustitución de valores numéricos directamente en una fórmula algebraica.

El valor esperado de una variable aleatoria discreta es un promedio pesado del valor de cada resultado posible multiplicado por la probabilidad de dicho resultado. Aunque existen muchos valores diferentes posibles que la variable aleatoria puede tomar, el valor esperado es sólo un número.

6.2. Variables aleatorias discretas y continuas.

Variables aleatorias discretas.

Sean x1, x2, x3, ... xn los distintos valores que puede tomar la variable aleatoria. Y p(x1), p(x2),... p(xn) su probabilidad. Los pares de valores (xj, p(xj)) constituyen la distribución de probabilidades de la variable aleatoria. p(x) se denomina función de probabilidad, y debe cumplir con las siguientes propiedades:

0 < p(xj) < 1 (p(x) es una probabilidad, y por lo tanto debe tomar valores entre 0 y 1).

å p(xj) = 1 (la suma de probabilidades repartidas entre todos los valores de la variable debe ser igual a 1).

De la misma manera que calculamos frecuencias acumuladas, podemos acumular probabilidades, obteniendo la función de distribución de probabilidades: F(x) = å p(xj)

Esta función representa la probabilidad de que la variable aleatoria sea menor o igual que un determinado valor: F(xj) = P (X < xj) Gráficamente, la función aumenta de "a saltos", ya que entre dos valores consecutivos de una variable discreta, no puede tomar valores intermedios.

Variables aleatorias continuas.

En este caso, en lugar de trabajar con la probabilidad de valores particulares de la variable, resulta más apropiado calcular probabilidades asociadas a intervalos. Para distribuir propiedades se usa una función que mide "concentración" de probabilidades alrededor de un punto, que se denomina función de densidad de probabilidad (fdp) y se denota como f(x).

Una función de densidad de probabilidad debe cumplir con las siguientes propiedades: F(x) > 0 (la función es no negativa para cualquier valor de x, f(x) no es una probabilidad, y puede valer más de 1). ò f(x) dx = 1 (la acumulada para todos los valores de la variable suma 1, el área bajo la curva de la función vale 1).

La función de distribución para una variable aleatoria continua se calcula:

F(a) = P(X < a) = ò f(x) dx La probabilidad de que la variable esté dentro de un intervalo [a - b] se calcula: P (a< x < b) = F(b) - F(a)

La probabilidad de que la variable tome un valor particular se puede expresar como:

F(c) - F(c) = 0 Esto explica la idea de que para el caso de una variable aleatoria continua no tiene sentido trabajar con la probabilidad de un valor particular.

6.3. Distribución de probabilidad discreta.

Medidas características de una distribución de probabilidades.

El valor esperado es un operador matemático, cuya fórmula de cálculo depende del tipo de variable aleatoria:

Variable aleatoria discreta: E (X) = å xj p (xj)

Variable aleatoria continua: ò x f(x) dx Para caracterizar correctamente a la distribución, además de determinar su posición es necesario calcular alguna medida que cuantifique su variabilidad.

Una cantidad muy útil para evaluar la dispersión de la variable aleatoria es el operador varianza, que se calcula:

Variable aleatoria discreta:

Var (X) = å (xj - E(X))2 p (xj)

Variable aleatoria continua: Var (X) = ò x - E(X))2 f(x) dx

6.4. Conceptos Variable aleatoria:

variable que cuantifica los resultados de un experimento aleatorio. Variable que toma diferentes valores como resultado de un experimento aleatorio.

Distribución de probabilidades: modelo teórico que describe la forma en que varían los resultados de un experimento aleatorio. Lista de los resultados de un experimento con las probabilidades que se esperarían ver asociadas con cada resultado.

Variable aleatoria discreta: variable que toma un número finito o infinito de valores numerables. Variable aleatoria que puede tomar sólo un número limitado de valores.

Variable aleatoria continua: variable que toma un valor infinito de valores no numerables. Variable aleatoria que puede tomar cualquier valor dentro de un intervalo dado de valores.

Función de probabilidad: función que asigna probabilidades a cada uno de los valores de una variable aleatoria discreta.

Función de densidad de probabilidad:

función que mide concentración de probabilidad alrededor de los valores de una variable aleatoria continua.

Función de distribución: función que acumula probabilidades asociadas a una variable aleatoria

Valor esperado: operador matemático que caracteriza la posición de la distribución de probabilidades. Promedio pesado de los resultados de un experimento.

Varianza: operador que caracteriza la dispersión de la distribución

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