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Variables aleatorias y su distribución

Sobre los cimientos de Kolmogorov ya vimos nacer la idea; ahora la trabajamos a fondo. Una variable aleatoria XX no es un número ni "un valor que sale al azar": es una función X:Ω→RX : \Omega \to \mathbb{R}. La aleatoriedad no vive en XX —vive en Ω\Omega. Una vez fijado ω\omega, X(ω)X(\omega) es un número perfectamente determinado; lo que es aleatorio es qué ω\omega ocurre. La probabilidad de XX se hereda de la probabilidad de Ω\Omega.

X : S → ℝ — la preimagen y su CDF — interactivo0123ℝc = 1.0123456
{X ≤ 1.0} = {ω : X(ω) ≤ 1.0} = {1, 2, 3, 4, 5} →  P(X ≤ 1.0) = 5/6 = 0.833
10F(c) = P(X ≤ c)

Cada ficha es un resultado ω; su posición es el número X(ω). La aleatoriedad vive en el dado, no en X. El evento {X ≤ c} es la preimagen: todos los ω cuyo valor cae a la izquierda de c. Su probabilidad, heredada del dado, va trazando la CDF de abajo —los saltos son las masas puntuales (tres ω colapsan en X = 0, de ahí el salto de 3/6).

Medibilidad: no generar preguntas ilegales

Queremos poder preguntar P(X≤c)P(X \le c). Pero PP solo está definida sobre la σ-álgebra F\mathcal F. Si el conjunto {X≤c}\{X \le c\} no estuviera en F\mathcal F, la pregunta no tendría respuesta. Esa es toda la exigencia:

Definición. Dado (Ω,F,P)(\Omega, \mathcal F, P), una variable aleatoria es una función X:Ω→RX : \Omega \to \mathbb{R} tal que para todo c∈Rc \in \mathbb{R}, {X≤c}={ω∈Ω:X(ω)≤c}∈F.\{X \le c\} = \{\omega \in \Omega : X(\omega) \le c\} \in \mathcal F. Equivalentemente: X−1(B)∈FX^{-1}(B) \in \mathcal F para todo boreliano B∈B(R)B \in \mathcal B(\mathbb R).

La medibilidad es exactamente "XX no genera preguntas ilegales". Y basta pedirla para los {X≤c}\{X \le c\}: como los intervalos (−∞,c](-\infty, c] generan B(R)\mathcal B(\mathbb R), controlar esas preguntas controla todas.

Qué significa {X≤c}\{X \le c\}

Hay tres niveles de lectura, y confundirlos es la fuente de casi todo el misterio:

  1. ≤\le entre dos números. 3≤53 \le 5. Sin misterio.
  2. X(ω)≤cX(\omega) \le c para un ω\omega fijo. Acá X(ω)X(\omega) es un número concreto y cc otro; la comparación usual. Todavía sin aleatoriedad.
  3. {X≤c}\{X \le c\} como evento. Al variar ω\omega sobre todo Ω\Omega, recolectás todos los mundos donde la comparación del nivel 2 es verdadera. Es un subconjunto de Ω\Omega —un evento—, no un número.

Con un dado, Ω={1,2,3,4,5,6}\Omega = \{1,2,3,4,5,6\} y X(ω)=ωX(\omega) = \omega:

{X≤4}={1,2,3,4},P({X≤4})=46.\{X \le 4\} = \{1, 2, 3, 4\}, \qquad P(\{X \le 4\}) = \tfrac{4}{6}.

La convención general, para cualquier boreliano BB, es

{X∈B}:=X−1(B)={ω∈Ω:X(ω)∈B},\{X \in B\} := X^{-1}(B) = \{\omega \in \Omega : X(\omega) \in B\},

con casos particulares {X≤c}=X−1((−∞,c])\{X \le c\} = X^{-1}((-\infty, c]), {X=c}=X−1({c})\{X = c\} = X^{-1}(\{c\}), {a<X≤b}=X−1((a,b])\{a < X \le b\} = X^{-1}((a, b]). La cadena conceptual completa va de los números al evento, del evento a la medibilidad, y de ahí a que la probabilidad exista:

X(ω)≤c⏟nuˊmeros  ⇒  {X≤c}⊆Ω⏟evento  ⇒  {X≤c}∈F⏟X medible  ⇒  P(X≤c) existe⏟FX definida.\underbrace{X(\omega) \le c}_{\text{números}} \;\Rightarrow\; \underbrace{\{X \le c\} \subseteq \Omega}_{\text{evento}} \;\Rightarrow\; \underbrace{\{X \le c\} \in \mathcal F}_{X\ \text{medible}} \;\Rightarrow\; \underbrace{P(X \le c)\ \text{existe}}_{F_X\ \text{definida}}.

Objetos derivados

De la medibilidad salen tres cosas gratis:

  • Distribución inducida. PX(B)=P(X−1(B))=P(X∈B)P_X(B) = P(X^{-1}(B)) = P(X \in B) es la ley de XX: la probabilidad empujada (pushforward) desde Ω\Omega hacia R\mathbb R.
  • Composición. Si XX es medible y g:R→Rg : \mathbb R \to \mathbb R es Borel-medible, entonces g(X)g(X) también es medible. Por eso X2X^2, log⁡X\log X, eXe^X, max⁡(X,0)\max(X, 0) son variables aleatorias automáticamente —no hay que verificar nada.
  • El cuadro completo. Una variable aleatoria es un pasaje del mundo abstracto al cuantitativo:
(Ω,F,P)⏟escenario abstracto  →  X    (R,B(R),PX)⏟escenario cuantitativo.\underbrace{(\Omega, \mathcal F, P)}_{\text{escenario abstracto}} \;\xrightarrow{\;X\;}\; \underbrace{(\mathbb R, \mathcal B(\mathbb R), P_X)}_{\text{escenario cuantitativo}}.

Casi toda la estadística vive del lado derecho —trabajamos con PXP_X y nunca volvemos a mirar Ω\Omega—; la estructura probabilística profunda (filtraciones, esperanza condicional, martingalas) vive del izquierdo.

La función de distribución acumulada

Describir XX "del todo" parecería exigir dar P(X∈B)P(X \in B) para todo boreliano BB —una infinidad incontable de números—. El hecho notable es que basta una sola función: conocer P(X≤c)P(X \le c) para cada cc. Como los (−∞,c](-\infty, c] generan B(R)\mathcal B(\mathbb R), la probabilidad sobre ellos determina la probabilidad sobre cualquier boreliano (extensión de Carathéodory).

Definición. La función de distribución acumulada (CDF) de XX es FX(c)=PX((−∞,c])=P(X≤c),c∈R.F_X(c) = P_X\bigl((-\infty, c]\bigr) = P(X \le c), \qquad c \in \mathbb R.

Una sola FX:R→[0,1]F_X : \mathbb R \to [0,1] contiene toda la información probabilística: probabilidades, masas, densidades, cuantiles, momentos.

La CDF: saltos = masas, continua por la derecha — interactivo
10-3-2-10123F(c) = 0.675
F(c) = 0.675F(c⁻) = 0.325P(X=c) = 0.350P(X>c) = 0.325

Mezcla: parte continua más un átomo en 0. Ahí F pega un salto de 0.35 = P(X = 0). En todo lo demás P(X = c) = 0. Una sola función describe discretas, continuas y mezclas.

Las tres propiedades que la caracterizan

No cualquier función sirve. De hecho, son exactamente tres condiciones:

Teorema. F:R→[0,1]F : \mathbb R \to [0,1] es la CDF de alguna variable aleatoria si y solo si:

  1. Extremos: lim⁡c→−∞F(c)=0\displaystyle\lim_{c \to -\infty} F(c) = 0 y lim⁡c→+∞F(c)=1\displaystyle\lim_{c \to +\infty} F(c) = 1.
  2. No decreciente: c1≤c2⇒F(c1)≤F(c2)c_1 \le c_2 \Rightarrow F(c_1) \le F(c_2).
  3. Continua por la derecha: lim⁡h↓0F(c+h)=F(c)\displaystyle\lim_{h \downarrow 0} F(c + h) = F(c).

La continuidad por la derecha no es un capricho: es consecuencia de haber definido FF con ≤\le (y no con <<). Cuando h↓0h \downarrow 0,

{X≤c+h}↓{X≤c}⇒FX(c+h)→FX(c),\{X \le c + h\} \downarrow \{X \le c\} \quad\Rightarrow\quad F_X(c+h) \to F_X(c),

por continuidad de la medida. Por la izquierda, en cambio,

{X≤c−h}↑{X<c}⇒FX(c−):=lim⁡h↓0FX(c−h)=P(X<c).\{X \le c - h\} \uparrow \{X < c\} \quad\Rightarrow\quad F_X(c^-) := \lim_{h \downarrow 0} F_X(c - h) = P(X < c).

Y la diferencia entre ambos límites es, precisamente, la masa en el punto:

FX(c)−FX(c−)=P(X=c).F_X(c) - F_X(c^-) = P(X = c).

Los saltos de la CDF son las masas puntuales. Donde FF es continua, P(X=c)=0P(X = c) = 0.

Operativa con CDFs

Todo se calcula con diferencias de FF:

P(a<X≤b)=FX(b)−FX(a),P(X=c)=FX(c)−FX(c−),P(a < X \le b) = F_X(b) - F_X(a), \qquad P(X = c) = F_X(c) - F_X(c^-), P(X>c)=1−FX(c),P(X≥c)=1−FX(c−).P(X > c) = 1 - F_X(c), \qquad P(X \ge c) = 1 - F_X(c^-).

Discreta, continua o mezcla

  • Discreta. XX toma valores en {x1,x2,… }\{x_1, x_2, \dots\} con masas pX(xi)p_X(x_i); la CDF es una escalera: FX(c)=∑xi≤cpX(xi)F_X(c) = \sum_{x_i \le c} p_X(x_i).
  • Continua. FXF_X es absolutamente continua: existe una densidad fX≥0f_X \ge 0 con FX(c)=∫−∞cfX(t) dtF_X(c) = \int_{-\infty}^{c} f_X(t)\, dt y fX(c)=FX′(c)f_X(c) = F_X'(c).
  • Mezcla. Una parte continua más átomos —y la CDF las describe a todas con el mismo lenguaje (lo viste en el interactivo: la mezcla salta donde hay un átomo y sube suave donde hay densidad).

Transformaciones monótonas

Si gg es estrictamente creciente e Y=g(X)Y = g(X), entonces Y≤cY \le c ocurre exactamente cuando X≤g−1(c)X \le g^{-1}(c). Por lo tanto

FY(c)=P(Y≤c)=P(X≤g−1(c))=FX(g−1(c)).F_Y(c) = P(Y \le c) = P\bigl(X \le g^{-1}(c)\bigr) = F_X\bigl(g^{-1}(c)\bigr).

La misma altura de probabilidad, leída en dos ejes. El caso canónico en finanzas: si X∼N(0,1)X \sim N(0,1) y Y=eXY = e^{X}, entonces YY es lognormal —el modelo de precios de Black–Scholes, donde el log-precio es normal— y FY(c)=Φ(ln⁡c)F_Y(c) = \Phi(\ln c) para c>0c > 0:

Transformación monótona: normal → lognormal — interactivoF_X(x) = Φ(x)ln c = 0.69F_Y(c) = Φ(ln c)c = 2.00

Con g estrictamente creciente, Y = g(X) ≤ c ocurre exactamente cuando X ≤ g⁻¹(c). Por eso F_Y(c) = F_X(g⁻¹(c)): la misma altura de probabilidad, leída en dos ejes. Acá X ~ N(0,1) y Y = eˣ es lognormal —el modelo de precios de Black–Scholes, donde el log-precio es normal.

(Para gg derivable, diferenciando sale la fórmula de cambio de variable para densidades, fY(c)=fX(g−1(c)) ∣ddcg−1(c)∣f_Y(c) = f_X(g^{-1}(c))\,\bigl|\tfrac{d}{dc} g^{-1}(c)\bigr|, que retoma la próxima lección.)

Lo que sigue

Una variable aleatoria es una función medible; su ley es una medida pushforward; y la CDF la resume entera con tres propiedades. Lo que falta es ponerle números a esa ley: densidades y la transformación de variables, y después esperanza, varianza y momentos —el resumen numérico que abre la puerta a los estimadores.