4.9 4.9 Probabilidad de la unión

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1

Teorema de la adición para dos sucesos

Para dos sucesos cualesquiera \(A \) y \(B \) (compatibles o incompatibles), la probabilidad de su unión es:

$$P(A \cup B) = P(A) + P(B) - P(A \cap B) $$

Justificación: Al sumar \(P(A) + P(B) \), la región común \(A \cap B \) se contabiliza dos veces.

Por tanto, se debe restar una vez.

Si son incompatibles (\(A \cap B = \emptyset \)), se recupera el Axioma 3: \(P(A \cup B) = P(A) + P(B) \)

📝 Ejemplo:

En una baraja española, $$P(\text{rey o copa}) = P(\text{rey}) + P(\text{copa}) - P(\text{rey de copas}) = \frac{4}{40} + \frac{10}{40} - \frac{1}{40} = \frac{13}{40} = 0,325 $$: el rey de copas se había contado dos veces.

2

Principio de inclusión-exclusión para tres sucesos

Para tres sucesos \(A, B, C \):

$$P(A \cup B \cup C) = P(A) + P(B) + P(C) - P(A \cap B) - P(A \cap C) - P(B \cap C) + P(A \cap B \cap C) $$
📝 Ejemplo:

Con tres sucesos hay que sumar las tres probabilidades, restar las tres intersecciones dos a dos y volver a sumar la intersección triple: así cada región del diagrama se cuenta exactamente una vez.

3

Errores frecuentes

📝 Ejemplo:

Al lanzar un dado, sean \(A = \text{par} \), \(B = \text{mayor que cuatro} \) y \(C = \text{múltiplo de tres} \)

Las tres intersecciones dos a dos y la triple son todas \(\{6\} \), de probabilidad \(\frac{1}{6} \), así que $$P(A \cup B \cup C) = \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \frac{1}{3} - \frac{1}{6} - \frac{1}{6} - \frac{1}{6} + \frac{1}{6} = \frac{5}{6} $$, que coincide con contar \(\{2,3, 4,5, 6\} \)

El error más común es aplicar la suma directa a sucesos compatibles, olvidando restar la intersección, lo que puede dar incluso probabilidades mayores que uno, un resultado imposible.

El segundo error es restar la intersección cuando los sucesos son incompatibles: en ese caso la intersección ya vale cero y no hay nada que restar, aunque la fórmula general sigue siendo válida.

El tercer error es confundir la unión con la intersección en el enunciado: la unión corresponde a la expresión al menos uno de los dos, mientras que la intersección corresponde a los dos a la vez.

📝 Ejemplo 1: Probabilidad de la unión con datos directos

Sean dos sucesos \(A \) y \(B \) con \(P(A) = 0,6 \), \(P(B) = 0,5 \) y \(P(A \cap B) = 0,3 \)

Calcula P(A unión B).

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por escribir el teorema de la adición para dos sucesos cualesquiera.

A continuación sustituiremos directamente los tres valores proporcionados por el enunciado.

Para terminar realizaremos la suma y la resta indicadas y comprobaremos la coherencia del resultado con la monotonía de la probabilidad.

👉 PASO 1

Teorema de la adición.

El teorema de la adición para dos sucesos cualesquiera afirma que

$$P(A \cup B) = P(A) + P(B) - P(A \cap B) $$
👉 PASO 2

Sustitución de los valores y cálculo.

$$P(A \cup B) = 0,6 + 0,5 - 0,3 = 0,8 $$
👉 PASO 3

Comprobación de la coherencia del resultado.

Por la monotonía de la probabilidad, la unión contiene a cada suceso, luego su probabilidad no puede ser menor que ninguna de las marginales: se cumple \(0,8 \ge 0,6 \) y \(0,8 \ge 0,5 \), y además \(0,8 \le 1 \)

El resultado es coherente.

✅ Conclusión

La probabilidad de la unión de A y B es 0,8.

📝 Ejemplo 2: Despejar la probabilidad de la intersección

Sean dos sucesos \(A \) y \(B \) con \(P(A) = 0,7 \), \(P(B) = 0,4 \) y \(P(A \cup B) = 0,85 \)

Calcula la probabilidad de que ocurran los dos sucesos a la vez.

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por partir del teorema de la adición, que relaciona la unión con la intersección.

A continuación despejaremos algebraicamente la probabilidad de la intersección pasando los términos conocidos al otro miembro.

Para terminar sustituiremos los valores y comprobaremos la coherencia del resultado.

👉 PASO 1

Punto de partida: el teorema de la adición.

El teorema de la adición relaciona las cuatro probabilidades que intervienen:

$$P(A \cup B) = P(A) + P(B) - P(A \cap B) $$
👉 PASO 2

Despeje algebraico de la intersección.

Despejamos \(P(A \cap B) \) pasando la unión al segundo miembro y la intersección al primero:

$$P(A \cap B) = P(A) + P(B) - P(A \cup B) $$
👉 PASO 3

Sustitución de los valores y cálculo.

$$P(A \cap B) = 0,7 + 0,4 - 0,85 = 0,25 $$

El valor obtenido es no negativo y no supera a ninguna de las probabilidades marginales (\(0,25 \le 0,7 \) y \(0,25 \le 0,4 \)), lo cual es coherente, ya que la intersección está contenida en cada suceso.

✅ Conclusión

La probabilidad de que ocurran los dos sucesos a la vez es 0,25.

📝 Ejemplo 3: Probabilidad de la unión en una baraja española

Al extraer una carta de una baraja española de 40 cartas, calcula la probabilidad de obtener un rey o una copa.

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por definir los dos sucesos y calcular sus probabilidades individuales con la regla de Laplace.

A continuación identificaremos la intersección de ambos sucesos y su probabilidad, observando que no son incompatibles.

Para terminar aplicaremos el teorema de la adición y simplificaremos la fracción.

👉 PASO 1

Probabilidades de cada suceso.

Sea \(R \) el suceso "obtener un rey" y \(C \) el suceso "obtener una copa".

Hay 4 reyes y 10 copas entre 40 cartas equiprobables, luego por la regla de Laplace:

$$P(R) = \frac{4}{40} $$
$$P(C) = \frac{10}{40} $$
👉 PASO 2

Probabilidad de la intersección.

La carta "rey de copas" es a la vez un rey y una copa, de modo que los sucesos no son incompatibles y su intersección contiene exactamente una carta:

$$P(R \cap C) = \frac{1}{40} $$
👉 PASO 3

Aplicación del teorema de la adición.

$$P(R \cup C) = P(R) + P(C) - P(R \cap C) = \frac{4}{40} + \frac{10}{40} - \frac{1}{40} = \frac{13}{40} = 0,325 $$
✅ Conclusión

La probabilidad de extraer un rey o una copa es \(\frac{13}{40} = 0,325 \), es decir, un 32,5 %.

📝 Ejemplo 4: Probabilidad de aprobar al menos una de tres asignaturas

En un grupo de cien estudiantes, sesenta han aprobado Matemáticas, cincuenta han aprobado Física y cuarenta han aprobado Química.

Además, treinta han aprobado Matemáticas y Física, veinticinco han aprobado Matemáticas y Química, veinte han aprobado Física y Química, y diez han aprobado las tres.

Calcula la probabilidad de que un estudiante elegido al azar haya aprobado al menos una de las tres asignaturas.

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por definir los tres sucesos y escribir la fórmula de inclusión-exclusión para tres sucesos.

A continuación sustituiremos los datos del problema expresados como probabilidades.

Para terminar calcularemos el resultado y lo interpretaremos.

👉 PASO 1

Definición de los sucesos y la fórmula.

Sean \(M \) el suceso aprobar Matemáticas, \(F \) el suceso aprobar Física y \(Q \) el suceso aprobar Química.

Nos piden \(P(M \cup F \cup Q) \), la probabilidad de aprobar al menos una.

La fórmula de inclusión-exclusión para tres sucesos es:

$$P(M \cup F \cup Q) = P(M) + P(F) + P(Q) - P(M \cap F) - P(M \cap Q) - P(F \cap Q) + P(M \cap F \cap Q) $$
👉 PASO 2

Traducción de los datos a probabilidades.

Dividiendo cada conteo entre los cien estudiantes:

$$P(M) = 0,6 $$
$$P(F) = 0,5 $$
$$P(Q) = 0,4 $$
$$P(M \cap F) = 0,3 $$
$$P(M \cap Q) = 0,25 $$
$$P(F \cap Q) = 0,2 $$
$$P(M \cap F \cap Q) = 0,1 $$
👉 PASO 3

Cálculo e interpretación.

Sustituimos en la fórmula:

$$P(M \cup F \cup Q) = 0,6 + 0,5 + 0,4 - 0,3 - 0,25 - 0,2 + 0,1 = 1,5 - 0,75 + 0,1 = 0,85 $$
✅ Conclusión

La probabilidad de haber aprobado al menos una asignatura es \(0,85 \), es decir, el ochenta y cinco por ciento de los estudiantes.

Observemos el papel de cada término: la suma inicial \(1,5 \) cuenta varias veces a quienes aprobaron más de una, las restas corrigen esos dobles conteos y la suma final de \(0,1 \) repara la triple intersección, que había sido restada tres veces.

📝 Ejemplo 5: Teorema de la adición con probabilidades dadas

Sean dos sucesos \(A \) y \(B \) con \(P(A) = 0,6 \), \(P(B) = 0,5 \) y \(P(A \cap B) = 0,3 \)

Calcula la probabilidad de que ocurra al menos uno de los dos sucesos.

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por identificar que "al menos uno de los dos" se corresponde con la unión de ambos sucesos.

A continuación recordaremos el teorema de la adición, que corrige el doble conteo de la región común al sumar las dos probabilidades.

Para terminar sustituiremos los valores dados y realizaremos la operación.

👉 PASO 1

Identificación del suceso pedido.

Que ocurra al menos uno de los dos sucesos significa que ocurre \(A \), o ocurre \(B \), o ocurren los dos a la vez.

Este suceso es precisamente la unión:

$$A \cup B $$
👉 PASO 2

Aplicación del teorema de la adición.

Para dos sucesos cualesquiera, el teorema de la adición establece que

$$P(A \cup B) = P(A) + P(B) - P(A \cap B) $$

La resta corrige el hecho de que, al sumar \(P(A) \) y \(P(B) \), la región común \(A \cap B \) se ha contado dos veces.

Sustituyendo los valores del enunciado:

$$P(A \cup B) = P(A) + P(B) - P(A \cap B) = 0,6 + 0,5 - 0,3 = 0,8 $$
✅ Conclusión

La probabilidad de que ocurra al menos uno de los dos sucesos es 0,8, es decir, un 80 %.