Probabilidad y Estadística II

www.cienciascsjic.tk Colegio Sor Juana Inés de la Cruz Probabilidad y Estadística II Bloque I Tutorial sobre Técnicas de Conteo Ing. Jonathan Quiroga Tinoco Ciclo Escolar: Febrero Julio 2015

Técnicas de conteo Definición Cuando el número de posibles resultados de un experimento es finito, su espacio muestral es finito y su cardinal es un número natural. Si el experimento es simple, el espacio muestral es unidimensional, constituido por puntos muestrales con una sola componente, y el cardinal es simplemente el número de posibles resultados del experimento, los que se pueden enumerar fácilmente. Pero si el experimento es combinado, el cardinal puede ser tan grande, que sería del todo absurdo pretender enumerarlos todos, por ser un proceso lento, tedioso, costoso y susceptible de errores. Y realmente no es importante poder enumerarlos, sino saber contarlos. El análisis combinatorio, parte de las técnicas de conteo, estudia los procedimientos y estrategias para contar las posibles agrupaciones de los elementos de un conjunto, permitiendo determinar el número de posibilidades lógicas que cabe esperar al realizar algún experimento, sin necesidad de enumerarlas; es una forma abreviada de contar que se resume en unas cuantas técnicas basadas en procedimientos y fórmulas recurrentes. A. Principio Multiplicativo y Principio Aditivo El Principio Fundamental del Conteo se define como: si una acción puede realizarse de n1 maneras diferentes y una segunda acción puede realizarse de n2 maneras diferentes, entonces ambas acciones pueden realizarse secuencialmente de n1n2 maneras diferentes. Este principio multiplicativo se generaliza para cualquier número de acciones a realizar, esto es, si una primera acción se puede realizar de n1 maneras diferentes, una segunda acción se puede realizar de n2 maneras diferentes,..., y una r-ésima acción se puede realizar de nr maneras diferentes, entonces las r acciones se pueden realizar de n1, n2...nr maneras diferentes. Regla de la multiplicación Si se desea realizar una actividad que consta de r pasos, en donde el primer paso de la actividad a realizar puede ser llevado a cabo de N 1 maneras o formas, el segundo paso de N 2 maneras o formas y el r-ésimo paso de N r maneras o formas, entonces esta actividad puede ser llevada a efecto de: N 1 N 2... N r maneras o formas Ing. Jonathan Quiroga Tinoco. www.cienciascsjic.tk 1

El principio multiplicativo implica que cada uno de los pasos de la actividad debe ser llevados a efecto, uno tras otro. Regla de la suma Si se desea llevar a efecto una actividad, la cual tiene formas alternativas para ser realizada, donde la primera de esas alternativas puede ser realizada de M maneras o formas, la segunda alternativa puede realizarse de N maneras o formas... y la última de las alternativas puede ser realizada de W maneras o formas, entonces esa actividad puede ser llevada a cabo de: B. Permutaciones M + N +...+ W maneras o formas Es todo arreglo de elementos en donde nos interesa el lugar o posición que ocupa cada uno de los elementos que constituyen dicho arreglo. Una permutación es una forma en la que pueden representarse los eventos, en la que el orden en que aparecen es muy importante; las permutaciones representan un arreglo ordenado de r objetos tomados de n, en donde r es menor o igual que n. La permutación la podrás realizar en tu calculadora, sólo busca el símbolo npr. De cualquier manera su fórmula es la siguiente: npr = n! (n r)! Dónde: n = número total de objetos. r = número de objetos que se desea considerar de los n disponibles. C. Combinaciones Es un arreglo de elementos en donde no nos interesa el lugar o posición que ocupan los mismos dentro del arreglo. En una combinación nos interesa formar grupos y el contenido de los mismos. Una combinación es una forma de representar eventos u objetos, en la que el orden de aparición no importa; En una combinación no es importante el orden en que aparezcan los elementos, mientras que en una permutación sí importa el orden de aparición de los elementos. Ing. Jonathan Quiroga Tinoco. www.cienciascsjic.tk 2

Las combinaciones la podrás realizar en tu calculadora, sólo busca el símbolo ncr. La fórmula para determinar el número de combinaciones es: ncr = n! r! (n r)! Dónde: n = número total de objetos. r = número de objetos que se desea considerar de los n disponibles. Ing. Jonathan Quiroga Tinoco. www.cienciascsjic.tk 3

Ejercicios resueltos para usarlos como apoyo en evidencias A. Reglas de la suma y el producto 1. Cuántas palabras de tres letras se pueden formar con cinco consonantes y tres vocales de modo que cada palabra comience y termine en consonante? C V C --- --- --- 5 3 4 = 60 (regla del producto) 5 3 4 2. Determine el número de enteros de seis dígitos (que no comiencen con cero) en los que a. ningún dígito se pueda repetir. 9 9 8 7 6 5 --- --- --- --- --- --- 9 9 8 7 6 5 = 136.080 (regla del producto) b. se pueden repetir los dígitos. 9.10.10.10.10.10 = 900.000 (regla del producto) 3. Ana y María vieron a dos hombres alejarse en automóvil frente a una joyería, justo antes de que sonara una alarma contra robos. Cuando fueron interrogadas por la policía, las dos jóvenes dieron la siguiente información acerca de la placa (que constaba de dos letras seguidas de cuatro dígitos). María estaba segura de que la segunda letra de la placa era una O o una Q, y que el último dígito era un 3 o un 8. Ana dijo que la primera letra de la placa era una C o una G y que el primer dígito era definitivamente un 7. Cuántas placas diferentes tendrá que verificar la policía? Ing. Jonathan Quiroga Tinoco. www.cienciascsjic.tk 4

C/G Q/O 7 0 a 9 0 a 9 8 ó 3 ----- ----- ----- ----- ----- ----- 2 2 1 10 10 2 = 800 (regla del producto) 4. Tres pueblos, designados como A, B y C, están intercomunicados por un sistema de carreteras de doble sentido. a. De cuántas formas puede Juan ir del pueblo A al pueblo C? 2 + 4 3 = 14 (reglas de la suma y del producto) b. Cuántos trayectos puede hacer Juan del pueblo A al pueblo C y de regreso al pueblo A? 14 14 = 196 (regla del producto) c. Cuántos de los trayectos completos de la parte (b) son tales que el viaje de regreso (del pueblo C al pueblo A) es diferente, al menos parcialmente, de la ruta que toma Juan del pueblo A al pueblo C? (Por ejemplo, si Juan viaja de A a C por las rutas R1 y R6 podría regresar por las rutas R6 y R2, pero no por R1 y R6). 14 13 = 182 (regla del producto) 5. Una persona desea construir su casa, para lo cual considera que puede construir los cimientos de su casa de cualquiera de dos maneras (concreto o block de cemento), mientras que las paredes las puede hacer de adobe, adobón o ladrillo, el techo puede ser de concreto o lámina galvanizada y por último los acabados los Ing. Jonathan Quiroga Tinoco. www.cienciascsjic.tk 5

puede realizar de una sola manera cuántas maneras tiene esta persona de construir su casa? Considerando que r = 4 pasos N 1 = maneras de hacer cimientos = 2 N 2 = maneras de construir paredes = 3 N 3 = maneras de hacer techos = 2 N 4 = maneras de hacer acabados = 1 N 1 N 2 N 3 N 4 = 2 3 2 1 = 12 maneras de construir la casa El principio multiplicativo, el aditivo y las técnicas de conteo que posteriormente se tratarán nos proporcionan todas las maneras o formas posibles de cómo se puede llevar a cabo una actividad cualquiera. 6. Cuántas placas para automóvil pueden ser diseñadas si deben constar de tres letras seguidas de cuatro números, si las letras deben ser tomadas del abecedario y los números de entre los dígitos del 0 al 9?, a. Si es posible repetir letras y números, b. No es posible repetir letras y números, c. Cuántas de las placas diseñadas en el inciso b empiezan por la letra D y empiezan por el cero, d. Cuantas de las placas diseñadas en el inciso b empiezan por la letra D seguida de la G. a. Considerando 26 letras del abecedario y los dígitos del 0 al 9 26 26 26 10 10 10 10 = 75,760,000 placas para automóvil que es posible diseñar b. 26 25 24 10 9 8 7 = 78,624,000 placas para automóvil c. 1 25 24 1 9 8 7 = 302,400 placas para automóvil d. 1 1 24 10 9 8 7 = 120,960 placas para automóvil 7. Cuántos números telefónicos es posible diseñar, los que deben constar de seis dígitos tomados del 0 al 9?, a. Considere que el cero no puede ir al inicio de los números y es posible repetir dígitos, b. El cero no debe ir en la primera posición y no es posible repetir dígitos, c. Cuántos de los números telefónicos del inciso b Ing. Jonathan Quiroga Tinoco. www.cienciascsjic.tk 6

empiezan por el número siete?, d. Cuántos de los números telefónicos del inciso b forman un número impar? a. 9 10 10 10 10 10 = 900,000 números telefónicos b. 9 9 8 7 6 5 = 136,080 números telefónicos c. 1 9 8 7 6 5 = 15,120 números telefónicos d. 8 8 7 6 5 5 = 67,200 números telefónicos B. Permutaciones 1. a. Cuántas permutaciones existen para las ocho letras a,b,c,d,e,f,g,h? P8 = 8! = 40,320 b. Cuántas de las permutaciones de (a) comienzan con la letra a? P7 = 7! = 5,040 c. Cuántas de las permutaciones de (a) comienzan con la letra a y terminan con la letra c? P6 = 6! = 720 2. De cuántas formas es posible ordenar los símbolos a,b,c,d,e,e,e,e,e de modo que ninguna e quede junto a otra? e _ e _ e _ e _ e P4 = 4! = 24 Ing. Jonathan Quiroga Tinoco. www.cienciascsjic.tk 7

3. Con los dígitos impares, cuántos números de 5 cifras distintas puedes formar? Cuáles son esos números? Planteamiento: 1º: Los dígitos primos son {1, 3, 5, 7, 9}. Es decir, disponemos de 5 (n=5) elementos y vamos a formar agrupaciones con 5 de ellos (p=5). 2º: Influye el orden en el que colocamos los elementos? Sí, son permutaciones 3º: Se pueden repetir los elementos? No, no hay repetición alguna 4º: Usamos todos los elementos de que disponemos? Sí. Solución. Se trata de PERMUTACIONES sin repetición de esos 5 elementos, es decir, 5! = 120 (números). Esas permutaciones, es decir, los números son: -13579-13597-13759-13795-13957-13975-15379-15397-15739-15793-15937-15973-17359-17395- 17539-17593-17935-17953-19357-19375-19537-19573-19735-19753-31579-31597-31759-31795-31957-31975-35179-35197-35719-35791-35917-35971- 37159-37195-37519-37591-37915-37951-39157-39175-39517-39571-39715-39751-51379-51397-51739-51793-51937-51973-53179-53197-53719-53791- 53917-53971-57139-57193-57319-57391-57913-57931-59137-59173-59317-59371-59713-59731-71359-71395-71539-71593-71935-71953-73159-73195- 73519-73591-73915-73951-75139-75193-75319-75391-75913-75931-79135-79153-79315-79351-79513-79531-91357-91375-91537-91573-91735-91753- 93157-93175-93517-93571-93715-93751-95137-95173-95317-95371-95713-95731-97135-97153-97315-97351-97513-97531 4. Cuantas representaciones diferentes serán posibles formar, si se desea que consten de Presidente, Secretario, Tesorero, Primer Vocal y Segundo Vocal?, sí esta representación puede ser formada de entre 25 miembros del sindicato de una pequeña empresa. Por principio multiplicativo: 25 24 23 22 21 = 6,375,600 maneras de formar una representación de ese sindicato que conste de presidente, secretario, etc., etc. Por Fórmula: Ing. Jonathan Quiroga Tinoco. www.cienciascsjic.tk 8

n = 25, r = 5 25P 5 = 25!/ (25 5)! = 25! / 20! = (25 x 24 x 23 x 22 x 21 x...x 1) / (20 x 19 x 18 x... x 1)= = 6,375,600 maneras de formar la representación 5. a. Cuántas maneras diferentes hay de asignar las posiciones de salida de 8 autos que participan en una carrera de fórmula uno? (Considere que las posiciones de salida de los autos participantes en la carrera son dadas totalmente al azar) b. Cuántas maneras diferentes hay de asignar los primeros tres premios de esta carrera de fórmula uno? a. Por principio multiplicativo: Por Fórmula: 8 7 6 5 4 3 2 1= 40,320 maneras de asignar las posiciones de salida de los autos participantes en la carrera n = 8, r = 8 8P 8 = 8! = 8 x 7 x 6 x 5 x 4 x...x 1= 40,320 maneras de asignar las posiciones de salida...etc., etc. b. Por principio multiplicativo: Por fórmula: 8 x 7 x 6 = 336 maneras de asignar los tres primeros lugares de la carrera n =8, r = 3 8P 3 = 8! / (8 3)! = 8! / 5! = (8 7 6 5... 1)/ (5 4 3... 1) = 336 maneras de asignar los tres primeros lugares de la carrera 6. Cuántos puntos de tres coordenadas ( x, y, z ), será posible generar con los dígitos 0, 1, 2, 4, 6 y 9?, Si, a. No es posible repetir dígitos, b. Es posible repetir dígitos. Ing. Jonathan Quiroga Tinoco. www.cienciascsjic.tk 9

a. Por fórmula n = 6, r = 3 6P 3 = 6! / (6 3)! = 6! / 3! = 6 5 4 3! / 3! = 6 5 4 = 120 puntos posibles Nota: este inciso también puede ser resuelto por el principio multiplicativo b. Por el principio multiplicativo 6 6 6 = 216 puntos posibles Cuál es la razón por la cual no se utiliza en este caso la fórmula? No es utilizada debido a que la fórmula de permutaciones sólo se usa cuando los objetos no se repiten, esto quiere decir que en el inciso a. Los puntos generados siempre van a tener coordenadas cuyos valores son diferentes ejem. (1, 2, 4), (2, 4, 6), (0, 4, 9), etc. etc., mientras que los puntos generados en el inciso b. Las coordenadas de los puntos pueden tener valores diferentes o repeticiones de algunos valores o pueden tener todas las coordenadas un mismo valor ejem. (1, 2, 4), (1, 2, 2), (1, 1, 1), etc., etc. 7. a. Cuántas maneras hay de asignar las 5 posiciones de juego de un equipo de básquetbol, si el equipo consta de 12 integrantes?, b. Cuántas maneras hay de asignar las posiciones de juego si una de ellas solo puede ser ocupada por Uriel José Esparza?, c. Cuántas maneras hay de que se ocupen las posiciones de juego si es necesario que en una de ellas este Uriel José Esparza y en otra Omar Luna? a. Por fórmula: n = 12, r = 5 12P 5 = 12! / (12 5 )! = 12 11 10 9 8 = 95,040 maneras de asignar las cinco posiciones de juego b. Por principio multiplicativo: 1 11 10 9 8 =7,920 maneras de asignar las posiciones de juego Ing. Jonathan Quiroga Tinoco. www.cienciascsjic.tk 10

Por fórmula: 1 11 P 4 = 1 11! / (11 4)! = 11! / 7! = 11 10 9 8 = 7,920 maneras de asignar las posiciones de juego con Uriel José en una determinada posición c. Por principio multiplicativo 1 1 10 9 8 = 720 maneras de ocupar las diferentes posiciones de juego Por fórmula: 1 1 10 P 3 = 1 1 10! / (10 3)! = 10! / 7! = 10 9 8 = 720 maneras de ocupar las posiciones de juego con Uriel José y Omar Luna en posiciones previamente definidas 8. Cuántas claves de acceso a una computadora será posible diseñar, si debe constar de dos letras, seguidas de cinco dígitos, las letras serán tomadas del abecedario y los números de entre los dígitos del 0 al 9. a. Considere que se pueden repetir letras y números, b. Considere que no se pueden repetir letras y números a. Por fórmula: 1 x 25 P 1 x 9 P 4 x 1 = 1 x 25 x 9 x 8 x 7 x 6 x 1 = 75,600 claves de acceso que empiezan por la letra A y terminan por el número 6 b. Por fórmula: 1 1 9 P 4 5 = 1 1 9 8 7 6 5 =15,120 claves de acceso que tienen la letra R seguida de la L y terminan por un número impar. Combinaciones 1. Un estudiante que realiza un examen debe responder 7 de las 10 preguntas. El orden no importa. De cuántas formas puede responder el examen? Ing. Jonathan Quiroga Tinoco. www.cienciascsjic.tk 11

Existen 10C 7 = (10!) / (7! 3!) = 120 combinaciones posibles de preguntas que puede contestar. 2. Juan quiere dar una fiesta para algunos de sus amigos. Debido al tamaño de su casa, sólo puede invitar a 11 de sus 20 amigos. De cuántas formas puede seleccionar a los invitados? Hay 20C 11 = (20!) / (11! 9!) = 167,960 formas de elegir a los 11 amigos. 3. En una reunión de 6 personas, cuántos saludos de mano pueden intercambiarse, si entre cada 2 personas, se dan la mano una sola vez? 6C 2 = ---- = --- = 15 4. Si se cuenta con 14 alumnos que desean colaborar en una campaña pro limpieza n = 14, r = 5 de la escuela, cuantos grupos de limpieza podrán formarse si se desea que consten de 5 alumnos cada uno de ellos. 14C5 = 14! / (14 5 )!5! = 14! / 9!5! = 14 13 12 11 10 9!/ 9!5! = 2002 grupos 5. Recalcule el ejemplo anterior para: a. si entre los 14 alumnos hay 8 mujeres, cuántos de los grupos de limpieza tendrán a 3 mujeres?, b. cuántos de los grupos de limpieza contarán con 4 hombres por lo menos? a. n = 14 (8 mujeres y 6 hombres), r = 5 Ing. Jonathan Quiroga Tinoco. www.cienciascsjic.tk 12

En este caso nos interesan aquellos grupos que contengan 3 mujeres y 2 hombres 8C 3 * 6 C 2 = (8! / (8 3)!3!)*(6! / (6 2)!2!) = (8! / 5!3!)*(6! / 4!2!) = 8 x7 x 6 x 5 /2! = 840 grupos con 3 mujeres y 2 hombres, puesto que cada grupo debe constar de 5 personas b. En este caso nos interesan grupos en donde haya 4 hombres o más Los grupos de interés son = grupos con 4 hombres + grupos con 5 hombres = 6C 4 * 8 C 1 + 6C 5 * 8 C 0 = 15 x 8 + 6 x 1 = 120 + 6 = 126 6. En la primera ronda de un campeonato de ajedrez cada participante debe jugar contra todos los demás una sola partida. Participan 23 jugadores. Cuántas partidas se disputarán? Planteamiento: 1º: Se trata de formar parejas. Cada pareja representa una partida. Es decir, disponemos de 23 (n=23) elementos y vamos a formar agrupaciones con 2 de ellos (r=2). 2º: Influye el orden en el que colocamos los elementos? 3º: Se pueden repetir los elementos? 4º: Ahora que tenemos claras las respuestas, ya podemos hallar la solución. Son combinaciones sin repetición de 23 elementos tomados de 2 en 2, es decir: 253. Aplicando la fórmula correspondiente. 7. Para contestar un examen un alumno debe contestar 9 de 12 preguntas, a. Cuántas maneras tiene el alumno de seleccionar las 9 preguntas?, b. Cuántas maneras tiene si forzosamente debe contestar las 2 primeras preguntas?, c. Cuántas maneras tiene si debe contestar una de las 3 primeras preguntas?, d. Cuántas maneras tiene si debe contestar como máximo una de las 3 primeras preguntas? a. n = 12, r = 9 12C 9 = 12! / (12 9)!9! Ing. Jonathan Quiroga Tinoco. www.cienciascsjic.tk 13

= 12! / 3!9! = 12 x 11 x 10 / 3! = 220 maneras de seleccionar las nueve preguntas o dicho de otra manera, el alumno puede seleccionar cualquiera de 220 grupos de 9 preguntas para contestar el examen b. 2C 2 10 C 7 = 1 120 = 120 maneras de seleccionar las 9 preguntas entre las que están las dos primeras preguntas c. 3C 1 9 C 8 = 3 9 = 27 maneras de seleccionar la 9 preguntas entre las que está una de las tres primeras preguntas d. En este caso debe seleccionar 0 o 1 de las tres primeras preguntas 3C 0 9 C 9 + 3C 1 9 C 8 = (1 x 1) + (3 x 9) = 1 + 27 = 28 maneras de seleccionar las preguntas a contestar 8. Una señora desea invitar a cenar a 5 de 11 amigos que tiene, a. Cuántas maneras tiene de invitarlos?, b. cuántas maneras tiene si entre ellos está una pareja de recién casados y no asisten el uno sin el otro, c. Cuántas maneras tiene de invitarlos si Rafael y Arturo no se llevan bien y no van juntos? a. n = 11, r = 5 11C 5 = 11! / (11 5 )!5! = 11! / 6!5! = 462 maneras de invitarlos Es decir que se pueden formar 462 grupos de cinco personas para ser invitadas a cenar. b. Esta señora tiene dos alternativas para hacer la invitación, la primera es no invitar a la pareja y la segunda es invitar a la pareja. 2C 0 9 C 5 + 2C 2 9 C 3 = (1 126) + (1 84) = 210 maneras de invitarlos En este caso separamos a la pareja de los demás invitados para que efectivamente se cumpla el que no asistan o que asistan a la cena. Ing. Jonathan Quiroga Tinoco. www.cienciascsjic.tk 14

c. La señora tiene dos alternativas para hacer la invitación, una de ellas es que no invitar a Rafael y a Arturo o que asista solo uno de ellos. 2C 0 9 C 5 + 2C 1 9 C 4 = (1 126) + (2 126) = 126 + 252 = 378 maneras de hacer la invitación 9. En un plano hay 10 puntos denominados A, B, C,...,etc. etc., en una misma línea no hay más de dos puntos, a. Cuántas líneas pueden ser trazadas a partir de los puntos?, b. Cuántas de las líneas no pasan por los puntos A o B?, c. Cuántos triángulos pueden ser trazados a partir de los puntos?, d. Cuántos de los triángulos contienen el punto A?, e. Cuántos de los triángulos tienen el lado AB? a) En la redacción del problema se aclara que en una misma línea no hay más de dos puntos debido a que si lo anterior ocurriera no se podría dar contestación a las preguntas que se hacen. Una línea puede ser trazada a partir de cómo mínimo dos puntos por lo tanto, 10C 2 = 10! / (10 2)!2! = 10! / 8!2! = 45 líneas que se pueden trazar b) En este caso excluiremos los puntos A y B y a partir de los ocho puntos restantes se obtendrán las líneas. 2C 0 8 C 2 = 1 28 = 28 líneas que no pasan por los puntos A o B c) Un triángulo puede ser trazado a partir de tres puntos, luego; 10C 3 = 10! / (10 3)!3! = 10! / 7!3! = 120 triángulos posibles de trazar d) En este caso se separa el punto A de los demás, se selecciona y posteriormente también se seleccionan dos puntos más. 1C 1 9 C 2 = 1 36 = 36 triángulos que contienen el punto A e) Los puntos A y B forman parte de los triángulos a trazar por lo que; 2C 2 8 C 1 = 1 8 = 8 triángulos que contienen el lado AB Ing. Jonathan Quiroga Tinoco. www.cienciascsjic.tk 15