49. Teorema central del límite

El teorema central del límite explica por qué los promedios y las sumas de muchas variables aleatorias tienden a comportarse como una distribución normal, incluso cuando cada observación individual no es normal.

49.1 La idea central

Consideremos variables independientes con la misma distribución, media μ y varianza σ² finita. Al sumar muchas observaciones, la forma exacta de la distribución original pierde importancia y aparece una forma aproximadamente normal.

Zn=(ΣXi−nμ)/(σ√n)≈N(0,1)

La estandarización permite comparar sumas provenientes de problemas distintos usando una misma normal estándar.

IndependenciaLas observaciones deben aportar información separada.
MediaLa suma tiene media nμ.
DispersiónLa suma tiene desviación σ√n.
NormalidadAparece en la suma estandarizada.

49.2 Versión para promedios

Como X̄n=(ΣXi)/n, el teorema también puede expresarse así:

(X̄n−μ)/(σ/√n)≈N(0,1)

Por lo tanto, el promedio muestral se aproxima a una distribución normal con media μ y desviación estándar σ/√n. A esta desviación se la llama error estándar del promedio.

49.3 Sumas frente a promedios

La suma crece con n y tiene media nμ, mientras que el promedio mantiene media μ. Ambos contienen la misma información; la forma de escribirlos depende de la pregunta que se quiera responder.

ΣXi≈N(nμ,nσ²)
n≈N(μ,σ²/n)

49.4 ¿Cuándo es válida la aproximación?

No existe un tamaño muestral universal. Si la distribución original es casi simétrica, n puede ser moderado. Si es muy asimétrica o tiene colas pesadas, se necesita una muestra mayor. Para proporciones suelen usarse las condiciones n p≥5 y n(1−p)≥5 como regla orientativa.

La calidad debe evaluarse considerando la forma de la población, la independencia y la varianza.

49.5 Ejemplo con una moneda

Si X es 1 cuando aparece cara y 0 cuando aparece cruz, para una moneda con probabilidad p de cara se tiene μ=p y σ²=p(1−p). El número de caras en n lanzamientos tiene distribución binomial y, con n suficiente, puede aproximarse mediante una normal.

C≈N(np,np(1−p))

Para calcular probabilidades sobre un conteo entero conviene usar la corrección de continuidad.

49.6 Ejemplo con un dado

Para un dado equilibrado, μ=3,5 y σ²=35/12. El promedio de n tiradas se aproxima a:

n≈N(3,5,(35/12)/n)

A medida que aumenta n, la campana se hace más estrecha alrededor de 3,5. Las puntuaciones individuales siguen siendo discretas, pero el promedio puede tomar muchos valores y se aproxima a una variable continua.

49.7 Estandarización y probabilidades

Para aproximar una probabilidad sobre un promedio, se transforma el límite a una puntuación z:

z=(x−μ)/(σ/√n)

Después se consulta la distribución normal estándar. Cuanto más alejado esté z de cero, menor será la probabilidad acumulada en esa dirección.

49.8 Corrección de continuidad

Cuando una variable discreta se aproxima con una normal continua, se ajustan los límites en media unidad. Por ejemplo:

P(C≥k)≈P(Y≥k−0,5)

Este ajuste reconoce que el valor entero k representa un intervalo alrededor de k. Suele mejorar la aproximación, especialmente con tamaños no muy grandes.

49.9 Teorema central del límite en JavaScript

El siguiente programa genera promedios de lanzamientos de un dado. Al repetirlo, la distribución de esos promedios adopta una forma aproximadamente acampanada:

function promedioDado(tamano) {
  let suma = 0;
  for (let i = 0; i < tamano; i++) {
    suma += 1 + Math.floor(Math.random() * 6);
  }
  return suma / tamano;
}

console.log(promedioDado(50));

Pulsa Ejecutar para obtener un promedio muestral.

49.10 Visualización de promedios muestrales

El histograma muestra cuántos promedios simulados caen en cada intervalo. La línea vertical marca la media teórica del dado.

Distribución de los promedios

Teorema central del límiteHistograma de promedios de lanzamientos de un dado.

49.11 Distribución de la media muestral

La colección de todos los promedios que podrían obtenerse con muestras de tamaño n se llama distribución muestral de la media. Su centro es μ y su dispersión es σ/√n, aunque la población original tenga una forma diferente.

Esto permite construir intervalos y calcular errores sin enumerar todas las muestras posibles.

49.12 Independencia y tamaño efectivo

Si las observaciones están correlacionadas, la cantidad de información puede ser menor que n. En series temporales, por ejemplo, los datos cercanos suelen parecerse. Aplicar directamente σ/√n puede subestimar el error.

Antes de usar el teorema se debe estudiar cómo se obtuvieron los datos.

49.13 Aplicaciones

El teorema fundamenta encuestas, control de calidad, estimación de medias y proporciones, métodos Monte Carlo, análisis de errores de medición, inferencia estadística y aproximaciones de distribuciones discretas como binomial y Poisson.

49.14 Diferencia con la ley de los grandes números

La ley de los grandes números afirma que el promedio se acerca a μ. El teorema central del límite agrega una descripción de las fluctuaciones alrededor de μ:

LGN: X̄n→μ    |    TCL: √n(X̄n−μ)/σ≈N(0,1)

Uno habla de estabilidad; el otro permite cuantificar el error de esa estabilidad.

49.15 Errores frecuentes

  • Creer que cada observación individual se vuelve normal.
  • Olvidar dividir la desviación por √n al trabajar con promedios.
  • Usar la aproximación normal con muestras pequeñas y una población muy asimétrica sin verificarla.
  • Confundir σ con el error estándar σ/√n.
  • Ignorar la corrección de continuidad en conteos discretos.
  • Aplicar el resultado a datos dependientes sin ajustar el análisis.

49.16 Qué debes recordar y conclusión

n≈N(μ,σ²/n)
z=(X̄n−μ)/(σ/√n)
σ=σ/√n

El teorema central del límite explica la presencia universal de la normal en promedios y sumas. Con independencia, varianza finita y un tamaño adecuado, convierte problemas complejos en cálculos normalizados manejables.

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