Ejercicios resueltos y comentados del examen de los temas 6,7,8,9 y 10 ( 11/03/2016 )

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Un ejercicio de estadística descriptiva

ENUNCIADO. En el examen de una clase se han obtenido las siguientes notas enteras ( en una escala de $1$ a $4$ ) $$\{3,4,1,3,2,4,2,3,1,3,2,4,3,3,2,1,4,3,1,3,2,2,3,2,3\}$$ Se pide:
a) Confeccionar una tabla en la que aparezcan cinco columnas: la primera, para los distintas notas ( valores de la variable estadística $X$ ); la segunda, para las frecuencias del recuento $f$ de las distintas notas; la tercera, para las frecuencias acumuladas, $F$; la cuarta, como ayuda para los cálculos de la media $\bar{x}$; y, la quinta, como ayuda para calcular la desviación media.
b) Dibujar el diagrama de puntos y trazar la línea poligonal de frecuencias $f$
c) Dibujar el diagrama de frecuencias acumuladas $F$
d) Calcular la moda ( parámetro estadístico de posición )
e) Calcular la mediana ( parámetro estadístico de posición )
f) Calcular la media ( parámetro estadístico de posición )
g) Calcular la desviación media ( parámetro estadístico de dispersión )
h) Extraer conclusiones acerca del rendimiento global del grupo de alumnos

SOLUCIÓN.

La moda se define como el valor de $X$ con la máxima frecuencia de recuento ( $f$ ); como $f_{\text{máx}}=10$ y ese valor corresponde al valor de $X$ igual a $3$, $\text{Moda}=3$

La mediana se define como el valor central del conjunto de datos ordenados de menor a mayor; como hay $25$ datos, el valor central corresponde a $X_{13} \overset{\text{columna $F$}}{=} 3$, luego $$\text{Mediana}=X_{13}=3$$

Arriba ( en las dos últimas filas de la tabla ), ya hemos apuntado que la media ( parámetro de posición ) resulta ser $\bar{x}=2,56$ y que la desviación media ( parámetro de dispersión ) toma el valor $\text{DM} \approx 0,81$; en cuanto al rango ( otro parámetro de dispersión ), recordemos que se define como la diferencia en valor absoluto entre el valor máximo ( que es $4$ ) y el valor mínimo ( que es $1$ ), luego $\text{rango}=\left|4-1\right|=3$

Diagrama de puntos y línea poligonal de frecuencias del recuento:

Diagrama de frecuencias acumuladas del recuento:

h) El valor de los parámetros de posición ( centralización ) -- moda, mediana y media -- son superiores a $\text{rango}/2=1,5$, por lo que podríamos decir que, globalmente, el examen no ha salido mal. Caben, sin embargo, algunos matices: el conjunto de valores presenta una leve asimetría negativa, pues el valor de la media está a la izquierda de la moda; y hay más 4s que 1s, luego el rendimiento del grupo es bastante bueno. En cuanto a la desviación media, que es igual a $0,81$, da un coeficiente de variación ( desviación media con respecto a la media, de $2,56$, igual a $\dfrac{0,81}{2,56} \cdot 100 \approx 32\,\%$, que consideramos "aceptable".
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Sea la función cuadrática ...

ENUNCIADO. Sea la función $f(x)=x^2-4x+3$. Encontrar las imágenes de los siguientes valores de la variable independiente, $x$: $\{-1,0,1,2,3,4\}$. Confeccionar una tabla numérica y, finalmente, dibujar la gráfica de la función, representando los puntos así obtenidos y perfilando el trazo que pasa por ellos. ¿ Qué tipo de función es ?.

SOLUCIÓN.
La función propuesta es una función cuadrática ( polinómica de grado $2$ ) y su gráfica es una parábola.

Calculando las imágenes pedidas:
$f(-1)=(-1)^2-4\cdot (-1)+3=1+4+3=8$
$f(0)=0^2-4\cdot 0+3=0+0+3=3$
$f(1)=1^2-4\cdot 1+3=1-4+3=0$
$f(2)=2^2-4\cdot 2+3=4-8+3=-1$
$f(3)=3^2-4\cdot 3+3=9-12+3=0$
$f(4)=4^2-4\cdot 4+3=16-16+3=3$

Veamos la gráfica:

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Decir el tipo de función

ENUNCIADO. Decir el tipo de función y describir la forma del trazo que aparece al representarlas gráficamente:
a) $f(x)=x+1$
b) $f(x)=x^2$
c) $f(x)=\dfrac{1}{x}$
d) $f(x)=2^x$

SOLUCIÓN.
a) función lineal afín ( o función de proporcionalidad directa ); la gráfica de dicha función es una recta que no pasa por el origen de coordenadas
b) función cuadrática; la gráfica de dicha función es una parábola, con vértice en el origen de coordenadas
c) función de proporcionalidad inversa; la gráfica de dicha función es una hipérbola equilátera
d) función exponencial (creciente); todos los valores de función son positivos y la gráfica de dicha función es creciente en todos ( monónota ) sus puntos
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Un excursionista recorre el trayecto entre ...

ENUNCIADO. Un excursionista recorre el trayecto entre dos refugios en $2$ horas, andando a una velocidad de $4$ kilómetros por hora. ¿ Si llevase una velocidad de $5$ kilómetros por hora y comenzara la caminata a las 08:00 horas, ¿ a qué hora llegaría al final del trayecto ?.

SOLUCIÓN.

Paso 1. Debemos calcular el tiempo que se necesita para hacer el recorrido entre los dos refugios, a la velocidad de $5$ kilómetros por hora.

Damos dos formas de calcularlo:
I)
Una manera muy sencilla de resolverlo es la siguiente. Andando a una velocidad de $4$ kilómetros por hora, en $1$ hora recorre $4$ kilómetros, luego en $2$ horas recorre $8$ kilómetros, que es la longitud del trayecto ( puesto que $2$ horas es el tiempo que tarda en recorrerlo ). Si, ahora, tenemos en cuenta el supuesto de que lo haga a una velocidad de $5$ kilómetros por hora, planteamos la siguiente proporción directa entre el tiempo, $t$, y la longitud recorrida; así, $$\dfrac{1}{5}=\dfrac{t}{8}$$ con lo cual $$t=\dfrac{8}{5}=1+\dfrac{3}{5}=1\; \text{h}\quad \text{y} \quad 36\; \text{min}$$

II)
Otra manera, más directa, es la siguiente. Considerando que las magnitudes velocidad (a la que se anda) y el tiempo necesario en recorrer el trayecto ( son inversamente proporcionales ), podemos plantear la siguiente proporción inversa: $$\dfrac{t}{1/5}=\dfrac{2}{1/4}$$ esto es $$5\,t=4\cdot 2$$ con lo cual $$t=\dfrac{8}{5}=1+\dfrac{3}{5}=1\; \text{h}\quad \text{y} \quad 36\; \text{min}$$

Paso 2. Calculamos la hora de llegada sumando el tiempo empleado a la hora de salida, y obtenemos $$08:00+01:36=09:36\; \text{horas}$$

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Repartir de forma directamente proporcional ...

ENUNCIADO. Un abuelo quiere repartir $180$ golosinas entre sus tres nietos, de forma directamente proporcional a la edad de los mismos: $5$, $6$ y $7$ años, respectivamente. ¿ Cuántas golosinas le corresponde a cada uno de ellos ?

ENUNCIADO. Llamemos $x$, $y$ y $z$ a las cantidades que les corresponde a los nietos de $5$, $6$ y $7$ años, respectivamente. Entonces,
$$\dfrac{x}{5}=\dfrac{y}{6}=\dfrac{z}{7}$$ y estas tres razones han de ser igual a $\dfrac{x+y+z}{5+6+7}$, que es la constante de proporcionalidad, $k$, siendo $x+y+z=180$; por tanto, $k=\dfrac{180}{18}=10$. Así,
$\dfrac{x}{5}=10$, luego $x=5\cdot 10=50$ euros; $\dfrac{y}{6}=10$, luego $y=6\cdot 10=60$ euros; y $\dfrac{z}{7}=10$, con lo cual $z=7\cdot 10=70$ euros. $\square$

Calcular el área de un rectángulo tal que ...

ENUNCIADO. El perímetro de un rectángulo mide $12$ centímetros, y el largo es el triple del ancho. Calcular el área del rectángulo.

SOLUCIÓN. Denotemos por $x$ el ancho, entonces podemos expresar el perímetro mediante la expresión $2\,(x+3\,x)$; así, $2\,(x+3\,x)=12$. Resolviendo la ecuación, obtenemos la longitud del ancho $x=\dfrac{3}{2}\,\text{cm}$, luego la longitud del otro lado ( largo del rectángulo ) es igual a $3\cdot \dfrac{3}{2}$, esto es, $\dfrac{9}{2}$. Por consiguiente, el área del rectángulo ( largo $\times$ ancho ) pedida es igual a $\dfrac{3}{2}\cdot \dfrac{9}{2}=\dfrac{27}{4}\;\text{cm}^2$, es decir, $6\;\text{cm}^2$ y $75\;\text{mm}^2$
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Un problema de "depósitos, grifos y desagües"

ENUNCIADO. Un depósito puede llenarse mediante dos conducciones. Abriendo sólo la primera conducción, se tarda 4 horas en llenarlo; y, abriendo sólo la segunda, se tarda 5 horas. Cuando el depósito está lleno, cerrando las conducciones y abriendo un desagüe, se vacía en 6 horas.

a) Estando cerrado el desagüe y el depósito vacío, se abren las dos conducciones a la vez. ¿ En cuánto tiempo se llena el depósito ?

b) Estando vacío el depósito, y queriéndolo llenar con las dos conducciones abiertas, se ha dejado abierto ( por error ) el desagüe. ¿ Es posible que se llene el depósito en estas condiciones ? En caso afirmativo, ¿ cuánto tiempo se necesita para llenarlo ?

SOLUCIÓN.
a) Solamente con la primera conducción abierta, se llena $\dfrac{1}{4}$ de depósito en $1$ hora. Por otra parte, llenando el depósito solamente con la segunda conducción, en $1$ hora se llena $\dfrac{1}{5}$ parte del mismo. Así pues, llenando el depósito con las dos conducciones abiertas, en $1$ hora se llena $\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{5}$ parte del depósito, esto es, la siguiente fracción del mismo, $\dfrac{9}{20}$. Finalmente, determinaremos el tiempo necesario, $t$, para llenarlo completamente planteando la proporción directa entre las magnitudes tiempo de llenado y fracción del depósito que se llena ( suponiendo el depósito dividido en $20$ partes iguales ), $$\dfrac{1}{\frac{9}{20}}=\dfrac{t}{\frac{20}{20}}$$ y por tanto $$t=\dfrac{1}{\frac{9}{20}}=\dfrac{20}{9}\;\text{h} \approx 2\,\text{h}\quad 13\,\text{min}\quad 20\,\text{s}\quad$$

b) Ahora, debemos tener en cuenta la fracción de depósito que se vacía ( debido al desagüe abierto ) al tiempo que se llena por el aporte de las dos conducciones. Como -- suponiendo el depósito lleno, las dos conducciones de aporte cerradas, y el desagüe abierto -- en $1$ hora, se vacía $\dfrac{1}{6}$ de depósito, al llenarlo con las dos conducciones de aporte abiertas y el desagüe abierto, en $1$ hora la fracción del depósito que se llena/vacía es igual a $$\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{5}-\frac{1}{6}$$ esto es $$\frac{17}{60}\,\text{partes del depósito}$$ Teniendo en cuenta que esta fracción es positiva, podemos afirmar que sí se va a llenar el depósito. Veamos, ahora, en cuánto tiempo; para ello, plantearemos la proporción directa entre las magnitudes tiempo de llenado y fracción del depósito que se llena ( igual que hemos hecho en el primer apartado, pero suponiendo ahora que el depósito está dividido en $60$ partes iguales ): $$\dfrac{1}{\frac{17}{60}}=\dfrac{t}{\frac{60}{60}}$$ con lo cual $$t=\dfrac{1}{\frac{17}{60}}=\dfrac{60}{17}=3\;\text{h} + \dfrac{17}{19}\;\text{h} \approx 3\,\text{h}\quad 31\,\text{min}\quad 46\,\text{s}\quad$$
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Un problema de grifos y depósitos con funciones