Muestreo estadístico: métodos básicos



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El propósito de este libro es presentar de una manera amigable y sencilla los diferentes conceptos involucrados en la teoría del muestreo probabilístico desde una óptica clásica. Siendo el muestreo una de las formas básicas de la estadística para obtener información con el fin de satisfacer necesidades establecidas en proyectos de investigación de diferente índole y cobertura, se constituye en el mundo de hoy con más fuerza en una metodología científica para la toma de decisiones mediante el uso de la inferencia estadística. Basta con considerar el tamaño de los colectivos objeto de estudio, la dificultad en tiempo y dinero para llegar a todos los elementos que los componen y, en algunos casos, los riesgos por destrucción que se tendrían para poder observarlos (medirlos), así como la dificultad de su acceso, situaciones que obligan en cualquier campo del conocimiento a la toma de una muestra probabilística de dicho colectivo.

  

Tres aspectos son de suma importancia en la obtención de una muestra probabilística desde el punto de vista práctico: en primer lugar, la forma como serán obtenidas las unidades que conformarán la muestra, la cual debe estar regida por la aleatoriedad para evitar sesgos de selección; en segundo lugar, el tamaño de dicha muestra soportada sobre la base de supuestos teóricos para la distribución (comportamiento) del estimador asociado al parámetro investigado, el error asumido con la estimación debido a la diferencia entre la estimación y el parámetro objeto de estimación, y el nivel de confianza en términos de probabilidad que se desea tenga el cumplimiento de dicho error; y, en tercer lugar, los costos involucrados en la obtención de dicha muestra, pues nadie niega la importancia de trabajar con muestras económicas.

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Autor

Rafael Klinger Angarita

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CONTENIDO

CAPÍTULO 1

MUESTREO ESTADÍSTICA E INVESTIGACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  15

Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  15

Soportes de una investigación de calidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  16

La investigación y el modelo estadístico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  17

Características que diferencian el censo y el muestreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  22

Datos estadísticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  23

La validez de un estudio estadístico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

El muestreo: una necesidad en el mundo de hoy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  28

Los métodos de muestreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  34

Caracterizando la población: censo o muestreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  46

Escalas de medición de datos y muestreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  48

Marcos muestrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  50

Insumos básicos para la elaboración de un plan de muestreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  56

Parámetros y estimadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  58

Errores en la investigación por muestreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  66

Formas básicas de obtención de información . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  72

Etapas de una encuesta por muestreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  77

Ejercicios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  84

CAPÍTULO 2

MUESTREO ALEATORIO SIMPLE (MAS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  89

Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  89

Definición del muestreo aleatorio simple (MAS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  89

Hipótesis sobre las que se fundamenta el MAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  91

Formas de realizar un MAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  91

Muestreo aleatorio simple sin reemplazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  92

Procedimiento para seleccionar una muestra aleatoria

simple sin reemplazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  94

Muestreo aleatorio simple sin reemplazo para variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  96

Muestreo aleatorio simple sin reemplazo para atributos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  124

Proporciones y totales en subpoblaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  139

Muestreo aleatorio simple con reemplazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  142

El método bootstrap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  155

Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   158

CAPÍTULO 3

ELEMENTOS BÁSICOS PARA DETERMINAR EL TAMAÑO DE LA MUESTRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  177

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  177

Ecuaciones fundamentales para la determinación de n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  177

Estimaciones adelantadas de la cuasivarianza poblacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  179

Estimación adelantada de S^2 por conocimiento parcial de la distribución de la característica analizada (conjetura) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  180

Tamaño de muestra para variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  183

Tamaño de muestra para estimar la media poblacional Y con un error relativo R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  186

Tamaño de muestra para estimar el total Y con un error relativo R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  188

El estimador de la media en presencia de la suma de dos muestras

diferentes de la misma población . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  193

Tamaño de muestra para atributos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  196

Errores asumidos por las estimaciones de los parámetros en variables

que no definen el tamaño de la muestra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  206

La sensibilidad de la varianza del estimador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  212

Tamaño de muestra en subdivisiones poblacionales o dominios de estudio para variables numéricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  212

Sensibilidad del tamaño de muestra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  224

Costos y tamaño de muestra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  230

Ajustes al tamaño de muestra debidos a la no respuesta y los costos de trabajo de campo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  235

Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  236

CAPÍTULO 4

MUESTREO ALEATORIO ESTRATIFICADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  253

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  253

Hipótesis fundamentales del muestreo aleatorio estratificado (MAE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  254

Representación gráfica del método . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  254

Procedimiento para seleccionar una MAE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  255

Razones para el uso del muestreo estratificado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  255

Tres preguntas que se deben contestar antes de realizar un MAE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  256

Muestreo aleatorio estratificado para variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  257

Muestreo aleatorio estratificado para atributos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  287

¿Qué hacer cuando la asignación en uno de los estratos supera el tamaño del estrato? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   315

Comparando el MAS con el MAE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  319

La ganancia en la estimación de la media debida a la estratificación de una población . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  323

La construcción de los estratos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  329

Dominios de estudio en el MAE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  342

Postestratificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  347

Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  354

CAPÍTULO 5

MUESTREO E INGENIERÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  375

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  375

Glosario de términos relacionados con el muestreo para prácticas de laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  376

Aspectos que deben considerarse en el tratamiento de un problema en

ingeniería que implique el análisis de muestras de materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  378

¿Qué es y qué contiene un plan de muestreo? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  379

Cuidados en la manipulación de las muestras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  379

Tipos de muestras industriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  380

Métodos y equipos para la toma de muestras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   381

Almacenamiento y transporte de las muestras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  391

Pretratamiento de las muestras sólidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  392

Algunas limitaciones del pretratamiento de una muestra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  395

Incertidumbre y tamaño de muestra probabilística para laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  396

Posibles fuentes de error para los resultados con base en muestras para laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  397

Aproximación estadística para la obtención de muestras representativas de materiales o residuos peligrosos en suelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  397

Diseños de muestreo probabilístico sobre espacio y tiempo para ser usados en investigación medioambiental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  399

Muestras representativas para el control de calidad del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  401

Muestras representativas para la calidad del aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  401

Muestras de suelo para análisis agropecuarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  402

Tamaño de muestras homogenéas y hetrogéneas en el laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  404

Muestreo en biología animal y vegetal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  405

Capturando y marcando las unidades muestreadas para determinar

un tamaño poblacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  408

Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  411

APÉNDICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  417

Tabla a. Números aleatorios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  418

Tabla b. Distribución normal estandarizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  421

Tabla c. Distribución t-student . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  423

BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  435


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