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miércoles, 3 de septiembre de 2025

Probabilidad con baraja española: manotazo. Solución 3/3 (Matemáticas al rescate)

Todo comienza en un viaje familiar que inicia las vacaciones de verano. Un rato muerto. Una baraja española. Un recuerdo de juego en mi infancia. Y tras ir volteando cartas y diciendo los números consecutivos y "perder" casi todas las veces surge la pregunta: ¿qué probabilidad hay de ganar a este juego?


 Y ya tenemos la chispa encendida. Y siguen un papel y un boli con la probabilidad clásica, combinatoria, árboles y simplificaciones del problema para entender la magnitud real del mismo. Y la magnitud es demasiado grande para mis papeles. ¿Y si cojo el ordenador y programo un poco para contestar a la pregunta? Pero ahí también surgen dificultades.

Pero, como sucede con cierta frecuencia, en el proceso de investigar y buscar estrategias aparecen nuevos conocimientos que acaban hilándose hasta llegar al culmen.

Así que decidí dedicar algunos ratos libres para programar e ir contando en este blog todo de manera gradual y por fascículos.

Y antes de introducir el problema "grande" escribí esta entrada con un problema de urnas y bolas; y en esta otra entrada la solución (con la inesperada visita del número e). Intercalé esta entrada sobre el subfactorial y los desarreglos, que "casualidades de la vida" se utilizaban en la solución.

Parecía el fin de la cuestión y como quien cambia de tema aparece esta entrada sobre los polinomios de Laguerre y cómo calcularlos con Python y wxMaxima.

Y ahora sí, llega el problema original con la baraja de cartas. Enunciado en esta entrada, y primera solución es esta otra entrada. Pero nos encontramos con un problema de tiempos razonables de ejecución así que en esta nueva entrada cuento cómo hacer una aproximación empírica a la solución del problema.

Pero queda la traca final que pone fin a esta serie de entradas, como ya se ha puesto fin a la vacaciones de verano.

Resulta que existe una fórmula para calcular una generalización de los desarreglos cuando tenemos elementos que se repiten.

Teniendo r elementos diferentes, el primero que se repite n1 veces, el segundo n2 veces y así sucesivamente, el número de desarreglos viene dado por: 

Donde Pn_i es el polinomio de Laguerre de grado n_i. (Fuente

Por ejemplo, en una situación con 3 elementos que se repiten 1, 5 y 7 veces respectivamente, dentro de la integral definida tendremos (además de la exponencial de -x) los polinomios de Laguerre de grado 1, de grado 5 y de grado 7.

Por tanto, en nuestro problema original (13 números repetidos 4 veces), dentro de la integral tendremos 13 veces el polinomio de Laguerre de grado 4 (y la exponencial). Así que resolviendo esa integral podemos obtener la solución del problema.

En wxMaxima es muy sencillo y rápido (código en github):

Y la implementación en Python puede encontrarse también en mi repositorio de Matemática Recreativa de Github (ver código).

Con un tiempo de ejecución muy pequeño tenemos la respuesta al problema: la probabilidad de ganar en las condiciones planteadas es de aproximadamente 1,62%.

Recordad que con la estrategia de simulación empírica obtuvimos aproximadamente 1,63%. En este caso no necesitamos simulaciones, porque las Matemáticas tienen una manera relativamente sencilla de calcularlo, pero cabe destacar que la aproximación realizada es bastante buena.

¿Quién me iba a decir en casa de mi familiar cuando estaba jugando con la baraja española que acabaría utilizando integrales definidas con polinomios de Laguerre para contestar a mi pregunta sobre la probabilidad de ganar en el juego?

Pero una cosa sí que tengo constatada, cuando se dispone de tiempo libre siempre surgen buenas ideas. La rutina diaria y el ritmo de vida acelerado nos bloquean la creatividad. 

 

lunes, 16 de septiembre de 2013

Integrales para el cálculo de áreas de figuras planas (y III)

En la primera entrada vimos cómo calcular mediante una integral el área de una figura de la cual conocemos una ecuación cartesiana de su contorno.

En la segunda entrada reflexionamos sobre algunos inconvenientes que podemos encontrar al intentar aplicar el método anterior y vimos una alternativa si conocemos unas ecuaciones paramétricas de la curva que define el contorno.

En esta última entrada vemos cómo calcular el área de una figura si conocemos una ecuación polar del contorno. En ese caso, de manera parecida a lo que realizamos con las ecuaciones paramétricas, el área que encierra una curva, expresada mediante una ecuación polar, viene determinada por una integral:
Pongamos como ejemplo la cardioide
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a5/Cardioid_animation.gif
cuya ecuación polar es r(s)=a·(1-cos(s)), con 0<= s < 2·pi.

Entonces el área que encierra dicha figura es:

Aplicando el mismo método a la Lemniscata de Bernoulli, de ecuación polar
r² = a²·cos(2s), con s en [-pi/4, pi/4] U [3*pi/4, 5*pi/4]
obtenemos (tomando sólo la mitad de la lemniscata):
Y por tanto, por la simetría de la curva, el área de la lemniscata completa es unidades cuadradas.

Con esto doy por concluida esta serie de entradas. Espero que sean de utilidad.


Integrales para el cálculo de áreas de figuras planas (II)

Acabé la anterior entrada proponiendo realizar el mismo procedimiento de cálculo de área con otra figura, la Lemniscata de Bernoulli.

(x²+y²)² = a·(x²-y²)

Si lo habéis intentado os habréis topado con algunas dificultades, comparado con el procedimiento realizado con la elipse. En el caso de la elipse pudimos despejar fácilmente la variable "y" de la ecuación cartesiana implícita, pero en el caso de la lemniscata no resulta tan sencillo. Aunque se puede realizar, y obtenemos las funciones:

De manera análoga a lo que hicimos con la elipse, como la lemniscata tiene ejes de simetría en los ejes OX y OY, podemos calcular la integral de la función positiva anterior. Pero para ello debemos hallar una primitiva de la función.
Bueno, no parece una tarea sencilla. Sin embargo, afortunadamente tenemos otros métodos (no incluidos en el temario de 2º de Bachillerato, sino en la formación universitaria) para calcular el área encerrada por una curva. Recurrimos a las integrales dobles:
Gracias al teorema de Green, si la curva cumple unas determinadas condiciones, podemos transformar la integral doble anterior en una integral de contorno:
(Nota: también existen otras expresiones equivalentes para calcular el área)

¿Cómo nos facilita todo lo anterior el cálculo del área? Pues si conocemos una ecuación paramétrica del contorno, podemos calcular el área como una integral de línea que se transforma en una integral simple:
En nuestro ejemplo de la Lemniscata de Bernoulli, conocemos sus ecuaciones paramétricas (0 <= t < 2·pi):

Teniendo en cuenta que la lemniscata es simétrica respecto al eje OY, calculamos el área de uno de los trozos de la lemniscata que forma una curva cerrada simple, de la siguiente manera:
Por tanto, el área de la Lemniscata de Bernoulli es igual a unidades cuadradas.

Podríamos haber utilizado las ecuaciones paramétricas de la elipse (0 <= t < 2·pi)
x = a·cos(t)
y = a·sen(t)
para calcular el área con este procedimiento y obtendríamos:

En la próxima entrada explicaré lo que podemos hacer cuando conocemos la ecuación polar del contorno de la figura de la que queremos calcular su área.



sábado, 14 de septiembre de 2013

Integrales para el cálculo de áreas de figuras planas (I)

En la educación básica nos enseñan algunas fórmulas para calcular el área (medida de la superficie) de algunas figuras geométricas sencillas como el rectángulo (base · altura), el triángulo (base · altura / 2) y el círculo (pi · radio²).

Nótese que sólo con la fórmula del área del triángulo podemos calcular (con la medida de los segmentos oportunos) el área de cualquier figura poligonal.


Y con el área del círculo podemos calcular (además del área de coronas y sectores circulares) el área de otras figuras como las de los ejemplos siguientes:


Pero, ¿qué pasa cuando la figura no es tan "sencilla"?

Pues que si conocemos la curva que define el contorno podemos calcular el área que encierra.

Veamos primero qué podemos hacer si conocemos una expresión algebraica cartesiana del contorno, pongamos como ejemplo una elipse:
x²/25 + y²/9 = 1

Si despejamos la variable "y" de la ecuación obtenemos dos funciones (positiva y negativa). Utilizando contenidos que se ven en 2º de Bachillerato, si tomamos el valor absoluto de la integral definida por dichas funciones en el intervalo de la variable "x" (de -5 a 5 en nuestro ejemplo) obtenemos
para la función positiva. Para la función negativa obtenemos el mismo resultado por lo que la suma (el área total de nuestra elipse) resulta 15·pi (unidades cuadradas).

Como la elipse tiene eje de simetría en el eje OX y otro en el eje OY también podríamos haber calculado la integral definida de la función positiva en el intervalo (0,5) y multiplicar el resultado por 4.
Y el método podemos aplicarlo para hallar una fórmula del área de cualquier elipse (ecuación x²/a² + y²/b² = 1):
Por tanto, el área de una elipse con semiejes a y b es pi·a·b. (¿Qué pasa cuando los semiejes son iguales?)

¿Quieres intentarlo con otra figura? Prueba con la Lemniscata de Bernoulli:
(x²+y²)² = a·(x²-y²)

Continua aquí.

jueves, 15 de enero de 2009

¿Por qué salen dos resultados distintos?

Publicado originalmente el 26 de marzo de 2008 en mi blog de la Societat Balear de Matemàtiques XEIX.

Podemos poner el siguiente problema para reflexionar sobre las integrales (por ejemplo en segundo de Bachillerato):

Queremos encontrar la primitiva de la función Tg(x)·sec2(x)

Por una parte, haciendo el cambio de variable u=Tg(X) tenemos (click para ver imagen):
Por otra parte, si hacemos primero unas transformaciones trigonométricas y después el cambio u=cos(x) tenemos (click para ver imagen):
¿Cómo puede ser que la misma integral dé resultados distintos?