Generación de variables aleatorias discretas Método de la Transformada Inversa

Documentos relacionados
Generación de variables aleatorias continuas Método de la transformada inversa

Variables aleatorias unidimensionales

Modelado de la aleatoriedad: Distribuciones

Distribuciones de probabilidad más usuales

Probabilidad II Algunas distribuciones notables. Antonio Cuevas Departamento de Matemáticas Universidad Autónoma de Madrid

Distribuciones de probabilidad

Maestría en Bioinformática Probabilidad y Estadística: Clase 3

Distribuciones de Probabilidad para Variables Aleatorias Discretas 1

Generación de eventos en Procesos de Poisson

Distribuciones de probabilidad con R Commander

Tema 4: Probabilidad y Teoría de Muestras

Variable Aleatoria Continua. Principales Distribuciones

ESTADÍSTICA 2OO7/2OO8 TEMA 10: SIMULACIÓN DE VARIABLES ALEATORIAS

5 DISTRIBUCIONES BINOMIAL Y DE POISSON

Técnicas de validación estadística Bondad de ajuste

Generación de Variables Aleatorias. UCR ECCI CI-1453 Investigación de Operaciones Prof. M.Sc. Kryscia Daviana Ramírez Benavides

Variables aleatorias

Técnicas de validación estadística Bondad de ajuste

8. Estimación puntual

Métodos generales de generación de variables aleatorias

INFERENCIA DE LA PROPORCIÓN

Estadística y sus aplicaciones en Ciencias Sociales 2. Modelos de probabilidad

III Verano de Probabilidad y Estadística Curso de Procesos de Poisson (Víctor Pérez Abreu) Lista de Ejercicios

Unidad 1: Espacio de Probabilidad

Tema 4. MODELOS DE DISTRIBUCIONES DISCRETOS.

Definición 4.1 Diremos que una variable aleatoria discreta X tiene una distribución Uniforme de parámetro N, N 1, si. rg(x) = {1, 2,...

Indicaciones para el lector... xv Prólogo... xvii

ESCUELA COMERCIAL CÁMARA DE COMERCIO EXTENSIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES MAESTRÍA EN ADMINISTRACIÓN

Tema 5 Algunas distribuciones importantes

F (x, y) = no es la función de distribución acumulada de ningún vector aleatorio. b) Mostrar que. { (1 e x )(1 e y ) si x 0, y 0

Grupo 23 Semestre Segundo examen parcial

7. Distribución normal

Definición de probabilidad

DISTRIBUCIONES DE PROBABILIDAD

PRÁCTICAS DE ESTADÍSTICA CON R

Probabilidad y Estadística

PAU Madrid. Matemáticas II. Año Examen modelo. Opción A. Ejercicio 1. Valor: 2 puntos.

Problemas. Variables Aleatorias. Modelos de Probabilidad

Números aleatorios. Contenidos

Asignaturas antecedentes y subsecuentes

Tema 3. Variables aleatorias. Inferencia estadística

Formulario y Tablas de Probabilidad para los Cursos de Probabilidad, Inferencia Estadística y Econometría

478 Índice alfabético

Análisis Probabiĺıstico y Algoritmo Hecho Azaroso

Simulación I. Investigación Operativa, Grado en Estadística y Empresa, 2011/12

T1. Distribuciones de probabilidad discretas

SESION 12 LA DISTRIBUCIÓN BINOMIAL

Definición: Se llama variable aleatoria a toda función X que asigna a c/u de los elementos del espacio muestral S, un número Real X(s).

Bioestadística. Curso Capítulo 3

DISTRIBUCIÓN DE POISSON

Discretas. Continuas

Algunas Distribuciones Continuas de Probabilidad. UCR ECCI CI-1352 Probabilidad y Estadística Prof. M.Sc. Kryscia Daviana Ramírez Benavides

Translaciones, giros, simetrías.

Tema 5: Principales Distribuciones de Probabilidad

VARIABLES ALEATORIAS DISCRETAS

X = beneficio del jugador = (ganancia neta) (recursos invertidos) Cuántos euros debo poner yo para que el juego sea justo?

5 Variables aleatorias contínuas

Tema 3 VARIABLE ALEATORIA DISCRETA. PRINCIPALES DISTRIBUCIONES

Variables aleatorias

Algoritmos glotones. mat-151

Unidad IV. Una variable aleatoria X es continua si su función de distribución es una función continua.

Universidad de Valladolid. Departamento de informática. Campus de Segovia. Estructura de datos Tema 4: Ordenación. Prof. Montserrat Serrano Montero

Unidad Temática 3 UT3-1: Variable Aleatoria

Test de Kolmogorov-Smirnov

CÁLCULO DE PROBABILIDADES

Introducción a las Funciones Logarítmicas MATE 3171

Unidad IV: Distribuciones muestrales

Análisis de Algoritmos

2. Probabilidad y. variable aleatoria. Curso Estadística Probabilidad. Probabilidad y variable aleatoria

PROBABILIDAD Y ESTADÍSTICA

Análisis de Decisiones II. Tema 18 Generación de variables aleatorias discretas, continuas y su aplicación. Objetivo de aprendizaje del tema

Métodos Iterativos para Ecuaciones no Lineales


El subconjunto en el que se define la función se llama dominio o campo existencia de la función. Se designa por D.

Tema 6 Algunos modelos de distribuciones discretas.

Grado en Química Bloque 1 Funciones de una variable

Variables aleatorias continuas

Notación Asintótica 2

1. Introducción 2. Esquema básico 3. Codificación 4. Evaluación 5. Selección 6. Operadores 7. Ejemplo. Algoritmos genéticos

Variables aleatorias múltiples

PROPIEDADES FUNCIONES PRINCIPALES

Ejercicios de Vectores Aleatorios

Concepto de función. El subconjunto en el que se define la función se llama dominio o campo existencia de la función. Se designa por D.

La simulación implica construir una replica de algún sistema real y usarlo bajo condiciones de prueba

La distribución normal

Curso: Métodos de Monte Carlo. Unidad 2, Sesión 3: Estimación de volúmenes

MATEMÁTICAS para estudiantes de primer curso de facultades y escuelas técnicas

Condiciones para una distribución binomial

Integración por el método de Monte Carlo

Simulación. Problema del jardinero. Modelo de stock aleatorio. Camino crítico.

Tema 3 Variables aleatorias yprincipales distribuciones

Sistemas de ayuda a la decisión Modelización de la incertidumbre Tema 2. Incertidumbre y Probabilidad

INTERVALOS DE CONFIANZA. La estadística en cómic (L. Gonick y W. Smith)

Integración por el método de Monte Carlo

Generación de valores de las variables aleatorias

Unidad 3 Generación de números aleatorios.

2 Introducción a la inferencia estadística Introducción Teoría de conteo Variaciones con repetición...

INTRODUCCIÓN. FUNCIONES. LÍMITES.

EXPERIMENTO ALEATORIO

[5.1] Cómo estudiar este tema? [5.5] Modelos de rentas más usuales. [5.6] Operaciones de constitución de un capital

Transcripción:

Generación de variables aleatorias discretas Método de la Transformada Inversa Patricia Kisbye FaMAF 30 de marzo, 2010

Generación de v.a. discretas Existen diversos métodos para generar v.a. discretas: Transformada Inversa De aceptación-rechazo, o método de rechazo. De composición. Métodos mejorados según la distribución.

Método de la Transformada Inversa X: una variable aleatoria discreta con probabilidad de masa P(X = x j ) = p j, j = 0, 1,.... U U(0, 1): simulación de una v.a. con distribución uniforme. Método de la transformada inversa: x 0 si U < p 0 x 1 si p 0 U < p 0 + p 1 X =. x j. si p 0 + + p j 1 U < p 0 + + p j 1 + p j P(X = x j ) = P(p 0 + + p j 1 U < p 0 + + p j 1 + p j ) = p j.

Método de la Transformada Inversa F(x) = P(X x) : Función de distribución acumulada F es una función creciente, escalonada, que toma valores entre 0 y 1. Si se ordenan los valores de la variable en forma creciente: x 0 < x 1 < < x n <..., entonces j F(x j ) = p k = p 0 + p 1 + + p j. k=0

Gráficamente p 3 1 y = F(x) p 2 p 1 p 0 x 0 x 1 x 2 x 3 x 4

1 p 3 p 0 + p 1 < U < p 0 + p 1 + p 2 F(x) p 2 p 1 p 0 x 0 x 1 x 2 x 3 x 4 X = x 2

Algoritmo Si la v.a. toma un número finito de valores, el algoritmo es el siguiente: Algoritmo: Transformada Inversa Generar U U(0, 1); if U < p 0 then X x 0 y terminar. if U < p 0 + p 1 then X x 1 y terminar. if U < p 0 + p 1 + p 2 then X x 2 y terminar..

Algoritmo de la Transformada Inversa Si x 0 < x 1 < x 2 <..., entonces F (x j ) = j i=0 p i, y por lo tanto X x 0 si U < p 0 = F(x 0 ) X x j si F (x j 1 ) U < F (x j ) Se trata de hallar el intervalo [F(x j 1 ), F(x j )) donde se ubica U: U [F(x j 1 ), F(x j )) = Transformada Inversa

Ejemplo X : {1, 2, 3, 4}. p 1 = 0.20, p 2 = 0.15, p 3 = 0.25, p 4 = 0.40 Algoritmo Generar U; if U < 0.2 then X 1 y terminar. if U < 0.35 then X 2 y terminar. if U < 0.6 then X 3 else X 4

Orden decreciente de p i Si se ordenan de manera decreciente las probabilidades de masa p 0, p 1,..., se puede obtener un algoritmo más eficiente: Algoritmo: ordenando p i Generar U; if U < 0.4 then X 4 y terminar. if U < 0.65 then X 3 y terminar. if U < 0.85 then X 1 else X 2

Generación de una v.a. uniforme discreta Si X U[1, n], entonces p 1 = p 2 = = p n = 1 n. X = j si j 1 n U < j n j 1 nu < j X = nu + 1 sio x la parte entera (inferior) de x.

Ejemplo Generar una variable aleatoria discreta X, con distribución uniforme en [5, 15]. El intervalo entero [5, 15] contiene 11 números enteros. 11 U es un entero en [0, 10]. 11 U + 5 es un entero en [5, 15]. Algoritmo: X U[5, 15] Generar U; X 11U + 5

Generación de una permutación aleatoria Aplicación: Generación de permutaciones aleatorias equiprobables de un conjunto de n elementos. Sea P 1, P 2,..., P n una permutación de 1,2,..., n. Algoritmo: Permutación aleatoria de P 1, P 2,..., P n k n; while k > 1 do Generar U; I [ku] + 1; Intercambiar los valores de P I y P k ; k k 1

Ejemplo Conjunto de 5 elementos: a, b, c, d, e. k recorre el vector, de la posición n = 5 hasta 2. I: selecciona un elemento entre las posiciones 1 y k para intercambiar. La tabla se lee por columnas de izquierda a derecha. I 4 2 3 1 k 5 4 3 2 a a a a e b b e e a c c c c c d e b b b e d d d d

Subconjuntos aleatorios Si el algoritmo anterior se ejecuta para k = n, n 1,..., n (r 1), se obtiene un subconjunto aleatorio de cardinal r. Si r > n/2, conviene tomar el complemento de un subconjunto aleatorio de n r elementos. Aplicaciones: Técnica del doble ciego. Simulación: Problema de las dos muestras.

Permutaciones no equiprobables Si consideramos el algoritmo Algoritmo v2: Permutación aleatoria de P 1, P 2,..., P n k n; while k > 1 do Generar U; I [nu] + 1; Intercambiar los valores de P I y P k ; k k 1 Son equiprobables las permutaciones? - No, a menos que n = 2. n n 1 n! no es un número entero.

Permutaciones aleatorias Otro método para generar una permutación aleatoria de un conjunto de tamaño n consiste en generar n números aleatorios U 1, U 2,..., U n, ordenarlos: U i1 < U i2 < < U in, utilizar los índices de los valores ordenados para hacer la permutación.

Permutaciones aleatorias Ejemplo Obtener una permutación aleatoria de (a, b, c, d). U 1 = 0.4, U 2 = 0.1, U 3 = 0.8, U 4 = 0.7. U 2 < U 1 < U 4 < U 3. La permutación es (b, a, d, c). Desventaja: Se requieren O(n log(n)) comparaciones.

Cálculo de promedios Ejemplo Aproximación del valor de a = n i=1 a(i) n sio que n 1. Tomamos X uniforme discreta en [1, n]. a(x) es una v.a. discreta con media a = E[a(X)] = n a(i)p(x = i) = i=1 n i=1 a(i) n. Generamos U 1, U 2,..., U k aleatorios en (0, 1), X i = nu i + 1. Ley fuerte de los grandes números: a k i=1 a(x i ) k k grande

Cálculo de promedios Ejemplo Utilizar 100 números aleatorios para aproximar S = 10000 i=1 e i 10000. Promedio S 0; for i = 1 to 100 do Generar U; I 10000 U + 1; S S + exp(i/10000) S S 100

Variable aleatoria geométrica P(X = i) = pq i 1, i 1, q = (1 p). Tenemos que F(j 1) = P(X j 1) = 1 P(X > j 1) = 1 q j 1. Método de la Transformada Inversa: X j si 1 q j 1 U < 1 q j q j < 1 U q j 1 Esto equivale a encontrar el menor j tal que q j < 1 U. X = min{j : q j < 1 U}

Variable aleatoria geométrica Propiedades: El logaritmo es una función creciente, log(q) es negativo, V = 1 U también es uniforme en (0, 1): X = min { j : q j < 1 U } = min {j : j log(q) < log(1 U)} { } log(1 U) = min j : j > log(q) log(1 U) = + 1 log(q) log(v ) X = + 1 log(q)

Variable Aleatoria Poisson p i = P(X = i) = e λ λi, i = 0, 1,... i! Algoritmo 1: Generación de una v.a. Poisson P(λ) Generar U U(0, 1); i 0, p e λ, F p; while U F do p = (λ p)/(i + 1); F = F + p; i = i + 1 X i

Inconvenientes del Algoritmo 1 El algoritmo chequea desde 0 en adelante hasta obtener el valor deseado. El número de comparaciones es 1 más que el valor generado. El valor generado esperado es λ. Luego, el promedio de comparaciones es λ + 1. Si λ 1, el algoritmo anterior realiza muchas comparaciones.

Mejora al Algoritmo 1 Para mejorar el algoritmo se utilizan las siguientes propiedades de la distribución de Poisson: Definición recursiva de p i : p i+1 = λ i + 1 p i, i 0. λ p i+1 p i si y sólo si 1, es decir, i + 1 λ. i + 1 El valor máximo de p i es p λ, es decir, valores de i cercanos a λ.

Algoritmo mejorado Algoritmo 2: Generación de una v.a. Poisson P(λ) I λ ; Calcular F(I) usando la definición recursiva de p i ; Generar U U(0, 1); if U F(I) then generar X hacio búsqueda descente. if U > F(I) then generar X hacio búsqueda ascente.

Algoritmo mejorado El promedio de búsquedas es 1 + E [ X λ ]. Si λ 1, X aproxima a una normal, N(λ, λ). X λ λ N(0, 1). Promedio de búsquedas: 1 + λe [ ] X λ λ = 1 + λe[ Z ] = 1 + 0.798 λ.

Variable Aleatoria Binomial B(n, p) p i = P(X = i) = n! i!(n i)! pi (1 p) n i, i = 0, 1,..., n Caso similar al de generación de una v. a. Poisson. E[X] = n p Var[X] = n p(1 p). Conviene utilizar la fórmula recursiva: p i+1 = n i p i + 1 1 p p i, 0 i < n.

Algoritmo para una Binomial Algoritmo A: Generación de una v.a. Binomial B(n, p) Generar U U(0, 1); i 0; c p/(1 p); Pr (1 p) n ; F Pr; while U F do Pr [c(n i)/(i + 1)]Pr; F F + Pr; i i + 1 X i

Inconvenientes del algoritmo El algoritmo chequea desde 0 en adelante hasta obtener el valor deseado. El número de comparaciones es 1 más que el valor generado. El promedio de comparaciones es np + 1. Existen métodos alternativos más eficientes.

Métodos alternativos para generar una Binomial B(n, p) Si p > 1/2, generar n B(n, 1 p). (menor número de comparaciones). Generar U 1,..., U n, y contabilizar cuántas son menores que p. Es menos eficiente pues requiere n comparaciones. Utilizar la sugerencia análoga para Poisson. (menor número de comparaciones). Valor más probable: i = n p. p Promedio de búsquedas: 1 + np(1 p) 0.798.