Estimación por intervalo - Método Delta e Intervalos Asintóticos

XS-0122 Fundamentos de Teoría Estadística - I Semestre 2026

Basada en las presentaciones de Shu Wei Cho

¿Qué vamos a discutir hoy?

  • Hemos visto hasta ahora sobre
    • Estimadores puntuales.
    • Intervalos de confianza clásicos.
  • Ahora:
    • Método Delta.
    • Intervalos Asintóticos (Muestras grandes).

Distribución de los EMV en muestras grandes.

Teorema 2.11: Sea \(X_{1}, X_{2}, ... , X_{n}\) una muestra aleatoria sobre una población con función de densidad \(f(x|\theta)\), de tal forma que \(f(x|\theta)\) satiface ciertas condiciones de “regularidad”. Para cada muestra de tamaño \(n\), sea \(\hat{\theta}_n\) el EMV de \(\theta\). Tenemos que para \(n \rightarrow \infty\), la distribución de \(\hat{\theta}_n\) converge a una distirbución normal con media \(\theta\) y variancia \(1/[I(\theta)]\). En otras palabras,

\[\left[I(\theta)\right]^{1/2}(\hat{\theta}_n - \theta) \stackrel{d}{\longrightarrow} N(0,1)\]

Nota: Recuerde que \(I(\theta)\) es la Información de Fisher.

\[I(\theta) = \left[nE\left(-\frac{\partial^{2}\ln(f_{X}(x|\theta))}{\partial \theta^{2}}\right)\right].\]

Ejemplo: Sea \(X_{1}, X_{2}, ... , X_{n}\) una muestra aleatoria sobre una población con distribución normal con media 0 y desviación estándar \(\sigma\) desconocida. Encuentre la distribución asintótica del EMV de \(\sigma\).

Solución: Demostrar que el EMV de \(\sigma\) es:

\[\hat{\sigma} = \left[\frac{\sum\limits_{i=1}^n X_{j}^2}{n}\right]^{1/2}.\] Luego, la función de densidad es: \[ f(x|\sigma)= \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} e^{-\frac{ x^2}{2\sigma^2}}. \]

y su log función de densidad es: \[\ln f(x|\sigma) = -\frac{1}{2} \ln(2\pi) - \ln(\sigma) -\frac{x^2}{2\sigma^2}\]

\[\Rightarrow \frac{\partial \ln f(x|\sigma)}{\partial \sigma} = - \frac{1}{\sigma} +\frac{x^2}{\sigma^3}\]

\[\Rightarrow \frac{\partial^2 \ln f(x|\sigma)}{\partial \sigma^2} = \frac{1}{\sigma^2} -\frac{3x^2}{\sigma^4}\]

\[I(\sigma) = \left[nE\left(-\frac{\partial^{2}\ln(f_{X}(x|\sigma))}{\partial \sigma^{2}}\right)\right]=nE\left(-\frac{1}{\sigma^2} +\frac{3X^2}{\sigma^4}\right)=n\left[-\frac{1}{\sigma^2} +\frac{3E(X^2)}{\sigma^4}\right]=\frac{2n}{\sigma^2}.\]

Se concluye que la distribución asintótica del EMV de \(\sigma\) es normal con media \(\sigma\) y variancia \(\frac{\sigma^2}{2n}\), o bien

\[\left[\frac{2n}{\sigma^2} \right]^{1/2}(\hat{\sigma}_n - \sigma) \stackrel{d}{\longrightarrow} N(0,1)\]

Método Delta

Teorema 2.12: Si \(X_1,X_2,\dots\) es una secuencia de variables aleatorias y con alguna distribución continua. Sea \(\theta\in \mathbb R\) y \(\{a_n\}\) sucesión de números positivos tal que \(a_n \rightarrow \infty\) y \(\hat{\theta}\) un estimador para estimar \(\theta\).
Suponga que \(a_n(\hat{\theta}-\theta) \xrightarrow{d} N(0,\sigma^{2})\). Si \(g\) es una función tal que \(g^{\prime}(\theta)\ne 0\), entonces

\[a_n\left[g(\hat{\theta})-g(\theta)\right] \xrightarrow{d} N\left(0,\sigma^2 \left[g^{\prime}\left(\theta\right)\right]^{2}\right)\]

Ejemplo. \(X_1,X_2,\dots\) una muestra aleatoria cuya población tiene media \(\mu \neq 0\) y varianza \(\sigma^2\). ¿Cuál es la distribución asintótica de \(\bar{X}^{-1}\)?

Sea \(g(\mu) = \dfrac 1\mu\) con \(\mu\neq0\). \(g\) una función tal que \(g'(\mu)\neq 0\). Por el TLC, \[ \sqrt{n}(\overline{X}_{n} -\mu)\xrightarrow{d}N(0,\sigma^{2})\]

Entonces por el método Delta \(\sqrt{n}\left[g(\bar X_n)-g(\mu)\right]\xrightarrow{d}N\left(0,\sigma^2 \left(g^{\prime}(\mu)\right)^{2}\right)\)

Para la función \(g\) seleccionada se tiene que \(g'(\mu) = -\dfrac{1}{\mu^2}\). Entonces por el método Delta

\[ \sqrt{n}\bigg[\dfrac{1}{\overline{X}_n}-\dfrac 1\mu\bigg]\xrightarrow{d}N\left(0,\dfrac{\sigma ^2}{\mu ^4}\right) \]

Ejemplo: Sea \(X_{1}, X_{2}, ... , X_{n}\) una muestra aleatoria sobre una población con distribución normal con media 0 y variancia \(\sigma^2\) desconocida. Encuentre la distribución asintótica del EMV de \(\sigma\).

Solución: Ya se demostró que el EMV de \(\sigma^2\) es

\[\hat{\sigma}^{2} = \frac{\sum_{i=1}^n X_{j}^2}{n}\] Por el principio de invariancia, tenemos que \(\sqrt{\hat{\sigma}^2}\) es el EMV de \(\sigma\).

Tomando \(\omega=\sigma^2\), el logarítmo de la función de densidad es

\[\ln f(x,\omega) = -\frac{1}{2} \ln(2\pi) -\frac{1}{2} \ln(\omega) -\frac{x^2}{2\omega}\]

Recuerde que tomando \(\omega=\sigma^2\), tenemos \(\frac{\partial^{2} \ell(\omega)}{\partial \omega^{2}} = \frac{1}{2\omega^2} - \frac{x^2}{\omega^3}\).

Entonces, \[I(\omega) = \left[nE\left(-\frac{\partial^{2}\ln(f_{X}(x|\omega))}{\partial \omega}\right)\right]= nE\left(-\frac{1}{2\omega^2} +\frac{X^2}{\omega^3}\right)\] \[=n\left[-\frac{1}{2\omega^2} +\frac{E(X^2)}{\omega^3}\right]=\frac{n}{2\omega^2}=\frac{n}{2\sigma^4}.\] Finalmente, tenemos que \[\left[\frac{n}{2\sigma^4} \right]^{1/2}(\hat{\sigma}^2_n - \sigma^2) \stackrel{d}{\longrightarrow} N(0,1)\] En otras palabras, \[n^{1/2}(\hat{\sigma}^2_n - \sigma^2) \stackrel{d}{\longrightarrow} N(0,2\sigma^4)\]

\[n^{1/2}(\hat{\sigma}^2_n - \sigma^2) \stackrel{d}{\longrightarrow} N(0,2\sigma^4)\] Aplicando el Método Delta, sea \(g(\omega)=\sqrt{\omega}\). Su derivada es

\[g'(\omega)=\frac{1}{2\sqrt{\omega}}\] Entonces,

\[n^{1/2}(\hat{\sigma}_n - \sigma) \stackrel{d}{\longrightarrow} N\left(0,2\sigma^4 \left[ \frac{1}{2\sqrt{\sigma^2}} \right]^2 \right)=N\left(0,\frac{\sigma^2}{2} \right)\]

Es decir, la distribución asintótica de \(\hat{\sigma}_n\) es una normal con media \(\sigma\) y con variancia \(\frac{\sigma^2}{2n}\).

Nota: Este resultado coincide con el resultado de la diapositiva 9.

Estabilización de la varianza

Es posible definir la función \(g\) de modo que la varianza no dependa del parámetro desconocido.

\[\begin{equation*} g(\mu)=\int_{a}^{\mu} \frac{d x}{s(x)^{1 / 2}} \end{equation*}\]

donde \(s(x)\) es toda la expresión de la varianza y \(a\) es cualquier valor que haga la integral finita y fácil de calcular.

Ejemplo:

Suponga que \(X_1, X_2, ..., X_n\) es una muestra aleatoria Poisson con parámetro \(\theta\). Sea \(\overline{X}\) la media muestral.

Sabemos que \(\mu = \sigma ^2 =\theta\).

\[n^{1 / 2}\left(\bar{X}_{n}-\theta\right) \stackrel{d}{\longrightarrow} N(0,\theta)\]

OJO: el paramétro \(\theta\) es desconocido!

La varianza asintótica es \(\theta\).

Entonces la

\[\begin{equation*} g(\theta)=\int_{0}^{\theta} \frac{d x}{x^{1 / 2}}=2 \theta^{1 / 2} \end{equation*}\]

Aplicando el método Delta, se tiene que

\[g'(\theta) = 2\frac{1}{2} \frac{1}{\theta ^{1 / 2}} = \frac{1}{\theta ^{1 / 2}} \]

Por lo que obtenemos

\[\begin{align*} n^{1 / 2}\left(g(\bar{X}_{n})-g(\theta)\right) &\stackrel{d}{\longrightarrow} N\left(0,\theta \left(\frac{1}{\theta ^{1 / 2}} \right)^{2} \right) \\ n^{1 / 2}\left(2(\bar{X}_{n})^{1/2}-2(\theta)^{1/2}\right) &\stackrel{d}{\longrightarrow} N(0,1) \end{align*}\]

Después de la transformación, la distribución asintótica (normal) no depende del paramétro.

Intervalos de confianza para muestras grandes

  • Recordemos que cuando \(n \to +\infty\) el Teorema del Límite Central nos dice que \(\overline{X}\) converge en distribución a una \(N(\mu, \frac{\sigma^2}{n})\), sin ningún supuesto de la población (solamente con media y variancia finita).

  • Por lo tanto, si queremos hacer una estimación por intervalo para \(\mu\), suponiendo que conocemos el valor de \(\sigma^2\), podemos hacer uso del siguiente pivote:

\[Z_{n} = \frac{\overline{X}-\mu}{\frac{\sigma}{\sqrt{n}}}\] para muestras grandes. Y es conocida como una variable pivote asintótica.

  • Existen varios estimadores que son equivalentes a la forma de \(\overline{X}\) como por ejemplo \(\hat{p}\), cuya variancia es \(\frac{p(1-p)}{n}\).

  • Nótese que este intervalo supone que conocemos la varancia poblacional de nuestra población. Sin embargo, podemos hacer uso del Teorema de Slutsky para mantener el pivote que converge en distribución a una \(N(0,1)\), si conocemos un estimador consistente para la variancia poblacional.

Ejemplo: Se registraron los tiempos de compra de \(n=64\) clientes seleccionados al azar en un supermercado local. El promedio y variancia de los 64 tiempos de compra fueron 33 minutos y 256 minutos\(^{2}\), respectivamente. Estime \(\mu\), el verdadero promedio de tiempo de compra por cliente, con un coeficiente de confianza de \(1-\alpha=.90\).

Solución: Para muestras grandes, por el TLC,

\[Z_{n} = \frac{\overline{X}-\mu}{\frac{\sigma}{\sqrt{n}}} \xrightarrow{\text{d}} N(0,1).\]

Luego, por el T. Slutsky,

\[Z_{n}^* = \frac{\overline{X}-\mu}{\frac{S}{\sqrt{n}}} \xrightarrow{\text{d}} N(0,1).\] Es decir, si \(n\) es suficientemente grande,

\[P(a \leq Z_n^* \leq b) \approx P(-Z_{1-\frac{\alpha}{2}} \leq Z^*_n \leq Z_{1-\frac{\alpha}{2}} ) \approx 1-\alpha.\]

El intervalo tiene la forma: \[\begin{equation}\bar{x} \pm z_{1-\alpha / 2}\left(\frac{\sigma}{\sqrt{n}}\right) \approx \bar{x} \pm z_{1-\alpha / 2}\left(\frac{s}{\sqrt{n}}\right)\end{equation}\]

De la tabla de normales se deduce que \(z_{1-\alpha/2} = z_{0.95} = 1.645\).

Por lo tanto el intervalo es

\[\begin{align*}& \left[ 33-1.645\left(\frac{16}{8}\right), 33+1.645\left(\frac{16}{8}\right) \right]= \left[29.71, 36.29\right]\end{align*}\]

Ejemplo: Suponga que tienen datos de tiempos de espera en minutos en un banco con \(n=25\) clientes. La distribución del tiempo se observa que sigue una distribución \(Poisson(\theta)\) con \(\bar{X} = 5\). ¿Cual es el intervalo de confianza para \(\theta\) a un \(95\%\)?

Solución: Recuerde que si \(X\) es \(Poisson(\theta)\), entonces \(E[X] = Var(X) = \theta\).

Por el TLC y el T. Slutsky, se tiene que

\[\begin{equation} \bar{X} \pm z_{\alpha / 2}\left(\frac{\sigma}{\sqrt{n}}\right) \approx \bar{X} \pm z_{\alpha / 2}\left(\frac{\sqrt{\theta}}{\sqrt{n}}\right) \approx \bar{X} \pm z_{\alpha / 2}\left(\frac{\sqrt{\bar{X}}}{\sqrt{n}}\right)\end{equation}\]

\[\begin{align*}& \left[5-1.96\left(\frac{\sqrt{5}}{5}\right), 5+1.96\left(\frac{\sqrt{5}}{5}\right) \right] \\&= \left[ 4.12, 5.88\right]\end{align*}\]

Funciones estabilizadoras de varianza

  • El caso anterior requería hacer el uso del Teorema de Slutsky para aproximar la variancia poblacional.

  • ¿Existe otra forma sin esa suposición?

  • ¿Cómo transformar \(\hat{\theta}\) para que tenga variancia constante?

Ejemplo: Retomemos el caso de los clientes en el banco.

  • En este caso hicimos el supuesto de normalidad y aproximamos la varianza con \(\overline{X}\).

  • Por el método Delta, se tiene que para \(g\left(\bar{X}_{n}\right)\) \[\sqrt{n}\left(g(\overline{X}) - g(\mu)\right) \stackrel{d}{\to} N\left(0,\sigma^2\left( g^{\prime}(\mu) \right)^2\right)\] donde\(\begin{equation*}\left(g^{\prime}(\mu) \sigma\right)^{2}=g^{\prime}(\mu)^{2}\sigma^{2}(\mu)\end{equation*}.\)

  • Si se desea que la varianza sea constante con respecto a \(\mu\),

\[\begin{equation*} \begin{aligned} g^{\prime}(u)^{2} \sigma^{2}(\mu) &=1 \\ \Longrightarrow g^{\prime}(\mu) &=\frac{1}{\sigma(\mu)} \quad(\sigma(\mu)>0) \\ \Longrightarrow g(\mu) &=\int_{a}^{\mu} \frac{1}{\sigma(x)} \ dx \end{aligned}\end{equation*}\]

donde \(a\) es una constante arbitraria que hace la integral finita (y fácil de calcular).

  • Del ejemplo anterior, recuerde que \(\sigma^{2}=\theta\), entonces se podría tomar que \(\sigma=\sqrt{\theta}\) por lo tanto definimos

\[g(\theta)=\int_{0}^{\theta} \frac{d x}{\sqrt{x}}=2 \sqrt{\theta}\]

  • Por el método Delta, sabemos que

\[Z_n = \sqrt{n}\left( 2 \bar{X}_{n}^{\frac{1}{2}} - 2 \theta^{\frac{1}{2}} \right) \stackrel{d}{\to} N(0,1)\]

  • Entonces, para \(n\) grande,

\[P(a \leq Z_n \leq b) \approx P\left[-Z_{1-\frac{\alpha}{2}} \leq \sqrt{n}\left( 2 \bar{X}_{n}^{\frac{1}{2}} - 2 \theta^{\frac{1}{2}} \right) \leq Z_{1-\frac{\alpha}{2}} \right] \approx 1-\alpha.\]

  • Despejando \(\theta\),

\[ P\left[\left(\bar{X}^{1/2}-\frac{Z_{1-\frac{\alpha}{2}}}{2\sqrt{n}} \right)^2 \leq \theta \leq \left(\bar{X}^{1/2}+\frac{Z_{1-\frac{\alpha}{2}}}{2\sqrt{n}} \right)^2 \right] \approx 1-\alpha.\]

  • Se concluye que el intervalo de confianza de 0.95 para \(\theta\) es

\[\left[\left(\bar{X}^{1/2}-\frac{Z_{1-\frac{\alpha}{2}}}{2\sqrt{n}} \right)^2, \left(\bar{X}^{1/2}+\frac{Z_{1-\frac{\alpha}{2}}}{2\sqrt{n}} \right)^2 \right]\]

Usando los valores que teníamos anteriormente tenemos que

\[\left[\left(5^{1/2}-\frac{1.96}{2\sqrt{25}} \right)^2, \left(5^{1/2}+\frac{1.96}{2\sqrt{25}} \right)^2 \right] = [4.16, 5.91] \]

Práctica de Intervalos de Confianza

  1. La vida útil de cierto aparato de aire acondicionado sigue una distribución de Rayleigh, cuya función de densidad es: \[f(x|\theta) = \frac{x}{\theta^2} \exp{\left( \frac{-x^2}{2\theta^2} \right)} , x>0.\] y \(f(x|\theta)=0, x \leq 0\). Suponga que \(X_1, X_2, \dots , X_n\) es una muestra aleatoria correspondiente a la vida útil de \(n\) aparatos de aire acondicionado:
  1. Obtenga el estimador de máxima verosimilitud para \(\theta\).

  2. Considere el pivote \(\frac{1}{\theta^2} \sum_{j=1}^{n}X_j^2\) para construir un intervalo de confianza para \(\theta\) con una confianza del \((1- \alpha)\%\).

  1. ¿Cuál es la relación entre el estimador de máxima verosimilitud obtenido en a) con la estimación por intervalo obtenido en b).

  2. Considere la siguiente muestra aleatoria de \(n = 15\) de una distribución Rayleigh con \(\theta\). Encuentre un intervalo de confianza del 95% para estimar \(\theta\).

    Muestra Aleatoria
    X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 X12 X13 X14 X15
    15.43 12.21 1.14 11.43 5.84 8.05 9.86 7.77 13.22 14.05 2.53 9.99 12.22 5.53 12.9
  3. Considera que el intervalo es bueno si sabe que \(\theta = 10\)

  1. Analice el ejemplo “Intervalos Asintóticos Binomial/Bernoulli” (página 89) de texto “notas del curso” del profesor Estaban Bermudez. Justifique como determina el pivote (puede usar slutsky o EMV para muestras grandes y método delta)