Función Generadora de Momentos
- Función Generadora de Momentos (FGM)
- Propiedades de la FGM
- Suma de Variables Independientes
- Problema de los Momentos
- Función Característica (FC)
Función Generadora de Momentos (FGM)
La función generadora de momentos (FGM) de una v.a. \(X\) es:
\[
m_X(t) = \mathbb{E}[e^{tX}]
\]
Siempre que la esperanza exista para \(|t| < \delta\) con \(\delta > 0\).
Explorador de FGM
Generación de momentos
\[ \mathbb{E}[X^r] = m_X^{(r)}(0) = \left. \frac{d^r}{dt^r} m_X(t) \right|_{t=0} \] Demostración: Desarrollando \(e^{tX} = \sum_{k=0}^\infty (tX)^k/k!\), tomando esperanza y derivando.Ejemplos del PDF:
- Bernoulli(p): \(m_X(t) = q + pe^t\)
- Exponencial(λ): \(m_T(t) = \frac{\lambda}{\lambda - t} = (1 - t/\lambda)^{-1}\)
- Poisson(λ): \(m_N(t) = e^{\lambda(e^t - 1)}\)
¿Qué significa que \(m_X(0) = 1\)?
\(m_X(0) = \mathbb{E}[e^{0 \cdot X}] = \mathbb{E}[1] = 1\). Es una propiedad fundamental que verifica que la FGM está bien definida.Ejercicio
(Barrios y colaboradores, Cuaderno de Ejercicios CP1, sección 11, ej. 2) Sea \(Y\sim\text{Geo}(p)\), es decir \(f(y)=pq^{y-1}\mathbb{1}_{\{1,2,\ldots\}}(y)\), \(q=1-p\). Demuestre que \(m_Y(t) = \dfrac{pe^t}{1-qe^t}\), y encuentre la media y varianza de \(Y\) usando la FGM.
\[ m_Y(t) = \sum_{y=1}^\infty pq^{y-1}e^{ty} = pe^t\sum_{y=1}^\infty (qe^t)^{y-1} = \frac{pe^t}{1-qe^t}, \quad \text{válido si } qe^t<1. \] Derivando (regla del cociente) y evaluando en \(t=0\): \(\mathbb{E}[Y]=m_Y'(0) = 1/p\). Derivando una segunda vez, \(\mathbb{E}[Y^2]=m_Y''(0) = (2-p)/p^2\), y \[ \operatorname{var}(Y) = \mathbb{E}[Y^2]-\mathbb{E}[Y]^2 = \frac{2-p}{p^2}-\frac{1}{p^2} = \frac{1-p}{p^2}=\frac{q}{p^2}. \]Propiedades de la FGM
Propiedades clave:
- Transformación lineal: \(m_{a+bX}(t) = e^{at} m_X(bt)\)
- Teorema de unicidad: Si \(m_X(t) = m_Y(t)\) en un entorno de 0, entonces \(X\) e \(Y\) tienen la misma distribución
- Suma de independientes: Si \(X\) e \(Y\) son independientes, \(m_{X+Y}(t) = m_X(t) m_Y(t)\)
Verificación: Transformación lineal
0
1.0
Demostración de transformación lineal
\[ m_{a+bX}(t) = \mathbb{E}[e^{t(a+bX)}] = \mathbb{E}[e^{ta} e^{tbX}] = e^{ta} \mathbb{E}[e^{(tb)X}] = e^{ta} m_X(bt) \]¿Por qué el teorema de unicidad es importante?
Permite identificar distribuciones. Si calculamos la FGM de una suma y resulta ser la FGM de una distribución conocida, podemos concluir que la suma sigue esa distribución. Es la base para la demostración del Teorema Central del Límite.Ejercicio
(Barrios y colaboradores, Cuaderno de Ejercicios CP1, sección 11, ej. 4b) Sea \(X\) v.a. con función generadora de momentos \(m_X(t)\). Demuestre que \(m_X(t) \ge 0\) para toda \(t \in \mathbb{R}\).
Para cualquier \(t\in\mathbb{R}\) y cualquier valor de \(X\), la función exponencial satisface \(e^{tX}>0\). Como el valor esperado de una variable aleatoria estrictamente positiva es no negativo (de hecho positivo, cuando existe), se sigue que \(m_X(t)=\mathbb{E}[e^{tX}] \ge 0\) para toda \(t\) donde la FGM esté definida.Suma de Variables Independientes
Si \(X\) e \(Y\) son independientes:
\[
m_{X+Y}(t) = m_X(t) \cdot m_Y(t)
\]
Esto permite encontrar la distribución de sumas de variables independientes.
Calculadora de suma de independientes
Ejemplos clásicos (por unicidad):
- \(X_i \sim \text{Poisson}(\lambda_i)\) independientes ⇒ \(\sum X_i \sim \text{Poisson}(\sum \lambda_i)\)
- \(X_i \sim \text{Binomial}(n_i, p)\) independientes ⇒ \(\sum X_i \sim \text{Binomial}(\sum n_i, p)\)
- \(X_i \sim N(\mu_i, \sigma_i^2)\) independientes ⇒ \(\sum X_i \sim N(\sum \mu_i, \sum \sigma_i^2)\)
¿La suma de Bernoulli independientes qué distribución sigue?
Si \(X_i \sim \text{Bernoulli}(p)\) independientes, entonces \(S_n = \sum_{i=1}^n X_i \sim \text{Binomial}(n,p)\). La FGM de Bernoulli es \(q+pe^t\), elevada a la n da \((q+pe^t)^n\), que es la FGM de Binomial(n,p).Ejercicio
(Barrios y colaboradores, Cuaderno de Ejercicios CP1, sección 11, ej. 5) Una variable aleatoria \(X\) tiene función generadora de momentos \(m_X(t)=(0.2e^t+0.8)^8\). Determine: (a) la distribución de \(X\), (b) \(\mathbb{P}[X>0]\) y \(\mathbb{P}[1\le X\le4]\), (c) esperanza y varianza.
(a) La forma \((q+pe^t)^n\) con \(p=0.2\), \(q=0.8\), \(n=8\) es la FGM de \(X\sim\text{Binomial}(8, 0.2)\); por el teorema de unicidad, \(X\) tiene exactamente esa distribución.(b) \(\mathbb{P}[X>0] = 1-\mathbb{P}[X=0] = 1-(0.8)^8 \approx 0.8322\).
\(\mathbb{P}[1\le X\le4] = \sum_{k=1}^4\binom{8}{k}(0.2)^k(0.8)^{8-k} \approx 0.8218\).
(c) \(\mathbb{E}[X]=np=1.6\), \(\operatorname{var}(X)=np(1-p)=1.28\).
Problema de los Momentos
¿Los momentos determinan la distribución? NO. Existen distribuciones distintas con los mismos momentos.
La FGM (cuando existe) sí determina la distribución de manera única.
La FGM (cuando existe) sí determina la distribución de manera única.
Contraejemplo: Lognormal vs Distribución "perturbada"
Contraejemplo del PDF
Lognormal: \(f_X(x) = \frac{1}{x\sqrt{2\pi}} e^{-(\log x)^2/2} \mathbb{1}_{(0,\infty)}(x)\)Distribución "perturbada": \(f_Y(y) = f_X(y)[1 + \sin(2\pi \log y)] \mathbb{1}_{(0,\infty)}(y)\)
¡Tienen exactamente los mismos momentos para todo r = 1,2,3,...!
Momentos de la Lognormal(μ=0, σ=1):
\[ \mathbb{E}[X^r] = e^{r^2/2} \]Por ejemplo: \(\mathbb{E}[X] = e^{1/2} \approx 1.6487\), \(\mathbb{E}[X^2] = e^{2} \approx 7.3891\)
¿La FGM de la Lognormal existe?
¡No! Aunque tiene todos los momentos finitos, la integral \(\int_0^\infty e^{tx} f_X(x) dx\) diverge para cualquier \(t > 0\). Es un ejemplo de distribución que tiene momentos pero no FGM.Ejercicio
Usando la fórmula \(\mathbb{E}[X^r] = e^{r^2/2}\) de la Lognormal(0,1), calcule \(\mathbb{E}[X^3]\) y \(\mathbb{E}[X^4]\).
\[ \mathbb{E}[X^3] = e^{9/2} \approx 90.017, \qquad \mathbb{E}[X^4] = e^{8} \approx 2980.96. \] Estos crecen muy rápido con \(r\) — precisamente esta tasa de crecimiento es la razón por la que la serie que definiría la FGM (\(\sum_r \mathbb{E}[X^r]t^r/r!\)) diverge para todo \(t>0\): los momentos crecen como \(e^{r^2/2}\), mucho más rápido que \(r!\) puede compensar.Función Característica (FC)
La función característica de una v.a. \(X\) es:
\[
\varphi_X(t) = \mathbb{E}[e^{itX}] = \mathbb{E}[\cos(tX)] + i\mathbb{E}[\sin(tX)]
\]
Siempre existe para todo \(t \in \mathbb{R}\).
Comparativa: FGM vs FC
Relación FGM ↔ FC: Si la FGM existe, entonces \(\varphi_X(t) = m_X(it)\).
Propiedad de simetría: Si la distribución es simétrica alrededor de 0, \(\varphi_X(t)\) es real.
Ejemplos: Normal(0,1) → \(\varphi(t) = e^{-t^2/2}\); Cauchy(0,1) → \(\varphi(t) = e^{-|t|}\).