Probabilidad: monedas y dados

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Secundaria 21 Salas Probabilidad Combinatoria

Objetivos didácticos

En este lab el alumno no lee la probabilidad: la juega. Lanza monedas y dados de verdad (con física y todo), apuesta antes de cada experimento y comprueba después si su decisión era buena. Cada alumno empieza con 10 Ᵽ; una apuesta ganada suma 5 Ᵽ y una perdida resta 3 Ᵽ. La apuesta se resuelve con una serie larga (normalmente 100 rondas), de modo que decidir bien compensa casi siempre; en una sala, la del Gran Duque, la serie es corta a propósito y engaña, y el lab lo dice al final. Los puntos Ᵽ sirven para que elegir con criterio importe: apostar a ojo y apostar contando tienen consecuencias distintas, y el alumno lo nota en su monedero.

No hay pantallas de explicación: la teoría se presenta como retos. Delante del alumno hay un tablero (el cuadrado 6×6, el cubo 6×6×6, una cuadrícula de caminos, un árbol) y se le pide marcar las casillas ganadoras y contarlas. Muchas salas enfrentan 📐 el cálculo con 💻 la simulación: primero se apuesta o se calcula, luego se simula ×10, ×100 y ×1000 con el valor calculado como línea discontinua sobre el histograma, y se cierra con «¿coinciden?, ¿cuántas repeticiones hacen falta?».

Qué se aprende

El lab lleva al alumno desde lanzar una moneda hasta los coeficientes binomiales y la fórmula de P(X = k de n), pasando por contar bien antes de dividir.

  • Describir un experimento con todos sus resultados posibles y distinguir los que parecen iguales (D’Alembert) pero no lo son (salas 1-4).
  • Calcular probabilidades de dos dados con el cuadrado 6×6: marcar y contar casillas (salas 5-8).
  • Extender la idea a tres dados (cubo 6×6×6) y ver por qué contar resultados ordenados cambia la respuesta (salas 9-10).
  • Contar caminos en una cuadrícula, llegar al triángulo de Pascal y leer en él los coeficientes binomiales C(n,k) (salas 11-14).
  • Calcular la probabilidad de obtener exactamente k éxitos en n intentos, con monedas, con dados y con una moneda trucada (salas 15-17).
  • Comparar con simulaciones y apreciar cuándo y por qué se acercan al cálculo (salas 1-20).
  • Analizar juegos de turnos y de carreras de series de monedas, donde la intuición falla (salas 18-20).

Ideas matemáticas clave

  • Probabilidad como casos favorables entre casos posibles, cuando todos los casos son equiprobables. La clave es listar bien los casos: por eso el cuadrado 6×6 tiene 36 casillas y no 21 «sumas distintas».
  • El cuadrado 6×6 como mapa de los resultados de dos dados: P(suma 7) = 6/36 = 1/6, P(suma ≥ 10) = 6/36, P(suma < 4) = 3/36; la suma par tiene probabilidad 1/2 y el producto par 27/36 = 3/4.
  • Contar caminos: la cuadrícula en la que cada cruce suma los caminos que llegan de arriba es el triángulo de Pascal; la fila 6 (1, 6, 15, 20, 15, 6, 1) es el reparto de las bolas en la máquina de Galton.
  • Combinaciones C(n,k): elegir en qué k de los n lanzamientos sale el suceso. Por eso hay tantas secuencias de 5 lanzamientos con 2 caras como con 3, y por eso C(10,3) = 120.
  • P(X = k de n) = C(n,k)·p^k·(1−p)^(n−k): con p = 1/2 es C(n,k)/2ⁿ; 5 caras de 10 tiene probabilidad 252/1024 ≈ 0,246 y 50 de 100 solo ≈ 0,080.
  • Ley de los grandes números, de forma intuitiva: con pocas repeticiones el resultado simulado se aleja del calculado; con cientos o miles, el histograma se asienta sobre la línea teórica.
  • La intuición engaña: el error de D’Alembert (dos caras, 1/4 y no 1/3), la apuesta del caballero de Méré (1 − (5/6)⁴ ≈ 0,518 frente a ≈ 0,491), el problema del Gran Duque (9 sale de 25 formas, 10 de 27) y el juego de Penney (el segundo en elegir una serie de tres lanzamientos tiene ventaja y puede ganar 7:1).

Nivel: ESO (1º-4º). Es el lab pareja de «Esperanza»: este pregunta con qué probabilidad, aquel cuánto se gana. En clase funciona bien proyectado el cuadrado 6×6 y la sala de Arturo, Berta y Juan, pidiendo a la clase que apueste antes de contar; también la máquina de Galton y el juego de Penney, que dan pie a discusión.

Contenidos por salas

Sala 1 · La moneda que gira

Una moneda gira sobre su canto, frena, cabecea y cae (X = cruz, O = cara). Apuesta: en 10 lanzamientos, ¿qué es más probable, un empate 5-5 o que salgan más caras que cruces? Se resuelve con 100 tandas. Después se calcula: empate 63/256 ≈ 0,25 frente a más caras 193/512 ≈ 0,38.

Tareas para el alumno

  • Listar las 8 secuencias de 3 lanzamientos.
  • Probabilidad de 3 caras seguidas (1/8).
  • Comparar empate y «más caras» con la simulación y con el cálculo.

Sala 2 · El error de D’Alembert

Dos monedas, una dorada y otra plateada para poder distinguirlas. Apuesta: ¿«una de cada» o «dos caras»? Al marcar las 4 salidas se ve que una de cada tiene 1/2 y dos caras 1/4. D’Alembert creyó que había solo tres casos (dos caras, dos cruces, una de cada) y que cada uno valía 1/3.

Tareas para el alumno

  • Marcar las 4 salidas de dos monedas distinguibles.
  • Probabilidad de «una de cada» (1/2) y de «dos caras» (1/4).
  • Explicar por qué no son 3 casos igual de probables.

Sala 3 · El dado que rebota

Un dado 3D sale lanzado, rebota y se asienta. Apuesta: en 6 tiradas, ¿saldrán los seis números o se repetirá alguno? Lo normal es que se repita. Probabilidad de que no salga ningún 6 en 6 tiradas: (5/6)⁶ ≈ 0,335; de que salgan los seis distintos: 720/46 656 ≈ 0,015.

Tareas para el alumno

  • Probabilidad de que no salga ningún 6 en 6 tiradas (≈ 0,335).
  • Cuántas secuencias de 6 tiradas hay (46 656) y cuántas con todos distintos (720).
  • Comparar con una simulación de 1000 series.

Sala 4 · La apuesta del caballero de Méré

Dos mesas de juego en paralelo: al menos un seis en 4 tiradas de un dado, o al menos un doble seis en 24 tiradas de dos dados (serie de 2000). Se resuelve con el suceso contrario, «ningún seis»: 1 − (5/6)⁴ = 671/1296 ≈ 0,518 frente a 1 − (35/36)²⁴ ≈ 0,491. Una diferencia pequeña que Méré notó jugando.

Tareas para el alumno

  • Calcular la probabilidad de «ningún seis» en 4 tiradas.
  • Calcular P(al menos un seis) = 1 − (5/6)⁴ ≈ 0,518.
  • Comparar con el doble seis en 24 tiradas (≈ 0,491) y con la simulación.

Sala 5 · ¿Qué suma sale más?

Dos dados físicos y un histograma vivo. Se apuesta por una suma del 2 al 12. Tras 10, 100 y 1000 parejas, se ve cómo el histograma se asienta: la suma más frecuente es 7 y las menos, 2 y 12. Con 10 parejas todo parece posible; con 1000 se ve la forma de tejado.

Tareas para el alumno

  • Elegir una suma antes de lanzar.
  • Ver qué suma sale más tras 10, 100 y 1000 parejas (el 7).
  • Decir cuáles salen menos (2 y 12).

Sala 6 · El cuadrado 6×6

Sala de retos, sin apuesta: el tablero de 36 casillas, una por cada pareja de dados, se ilumina al marcar las ganadoras. Se cuentan las de suma 7 (6), las de suma ≥ 10 (6) y las de suma < 4 (3). Así P(7) = 6/36 = 1/6.

Tareas para el alumno

  • Marcar y contar las casillas de suma 7 (6).
  • Marcar y contar las de suma ≥ 10 (6).
  • Marcar y contar las de suma < 4 (3).
  • Dar la probabilidad de sacar 7 (1/6).

Sala 7 · Arturo, Berta y Juan

Tres personajes con su marcador: Arturo gana si la suma es ≥ 10, Berta si es 6 o 7 y Juan si es < 4. Se apuesta por quién ganará más rondas. En el cuadrado: 6, 11 y 3 casillas, es decir 6/36, 11/36 y 3/36. Berta supera a Arturo en el 97,6 % de las series de 100 rondas.

Tareas para el alumno

  • Marcar las casillas de cada personaje y contarlas (6, 11 y 3).
  • Dar las tres probabilidades (6/36, 11/36, 3/36).
  • Decir quién gana más veces y por qué en una sola tirada puede ganar cualquiera.

Sala 8 · ¿Par o impar?

Tablero con dos colores. Apuesta: ¿es más probable que la suma sea par o que el producto sea par? La suma par tiene probabilidad 1/2; el producto es impar solo en 9 casillas, así que es par en 27/36 = 3/4.

Tareas para el alumno

  • Marcar las casillas de suma par (18).
  • Marcar las casillas de producto impar (9).
  • Dar P(producto par) = 27/36 = 3/4.

Sala 9 · Tres dados

Un cubo 6×6×6 de cubitos que se iluminan por capas: 216 resultados posibles. Se apuesta por una suma del 3 al 18. Las más probables son 10 y 11 (27/216 cada una) y P(suma ≤ 5) = 10/216.

Tareas para el alumno

  • Cuántos resultados hay con tres dados (216).
  • Cuál es la suma más probable y con qué probabilidad (10 y 11, 27/216).
  • Calcular P(suma ≤ 5) (10/216).

Sala 10 · El problema del Gran Duque

Marcador 9 contra 10: ¿qué suma sale más con tres dados? Esta sala usa a propósito una serie de 100 tiradas, que engaña a menudo, y luego 100 000 (con 20 000 el 10 aún perdía 1 vez de cada ~285). El truco: {3,3,4} sale de 3 formas ordenadas y {2,3,4} de 6; en total 9 sale de 25 formas y 10 de 27.

Tareas para el alumno

  • Apostar por 9 o por 10 y jugar la serie de 100.
  • Repetir con 100 000 tiradas y comparar.
  • Contar las formas ordenadas de {3,3,4} (3) y de {2,3,4} (6) y llegar a 25 frente a 27.

Sala 11 · El ritual de la moneda

Cada persona tira 4 monedas: cruz, un paso adelante y a la derecha; cara, adelante y a la izquierda. Los muñequitos caminan y se apilan bajo su columna. Se apuesta por la columna con más gente. P(acabar en la columna 0) = 6/16 y el reparto es 1-4-6-4-1.

Tareas para el alumno

  • Apostar por la columna con más gente.
  • Hallar P(acabar en la columna del centro) = 6/16.
  • Escribir el reparto de las 5 columnas (1, 4, 6, 4, 1).

Sala 12 · ¿Por cuántos caminos?

Sala de retos: en cada cruce de una cuadrícula se escribe cuántos caminos llegan, sumando los dos de arriba. La cuadrícula se convierte en el triángulo de Pascal. La fila 6 es 1, 6, 15, 20, 15, 6, 1.

Tareas para el alumno

  • Rellenar el número de caminos en cada cruce.
  • Escribir la fila 6 (1, 6, 15, 20, 15, 6, 1).
  • Decir qué regla permite pasar de una fila a la siguiente.

Sala 13 · La máquina de Galton

Bolas que rebotan en los clavos con física real. Se apuesta por el casillero donde caerán más bolas. Con 6 filas de clavos, P(casillero central) = 20/64, y el reparto de 1000 bolas dibuja la campana que antes se contó con caminos; al final se dibuja la curva y se nombra la campana de Gauss.

Tareas para el alumno

  • Apostar por un casillero.
  • Calcular P(casillero central) = 20/64.
  • Comparar el histograma de bolas con la fila 6 del triángulo.

Sala 14 · Máquina de Galton y la campana de Gauss

La máquina de Galton con 10 filas de clavos y un mando p, la probabilidad de ir a la derecha en cada clavo. Apuesta: si p sube de 0,5 a 0,8, ¿cómo cambia la forma de la campana? Se sueltan 400 bolas con cada p y la apuesta se resuelve con la curva calculada: más estrecha y más alta (el casillero más lleno pasa del 25 % al 30 %). Después, el mando libre: el pico está en el casillero 10·p, p = 0,5 da la campana más ancha, p = 0,2 y p = 0,8 son simétricas y con p = 1 todas caen en el 10.

Tareas para el alumno

  • Apostar por la forma de la campana con p = 0,8.
  • Hallar el pico con p = 0,3 (casillero 3).
  • Decir con qué p la campana es más ancha (0,5) y comparar p = 0,2 con p = 0,8.
  • Explicar qué pasa con p = 1.

Sala 15 · Elegir cuáles

Apuesta: ¿hay más secuencias de 5 lanzamientos con 2 caras o con 3? Son iguales. Se construyen las 10 secuencias con 2 caras volteando fichas y se lee C(10,3) = 120 en el triángulo de Pascal: elegir en qué lanzamientos sale cara.

Tareas para el alumno

  • Construir las 10 secuencias de 5 lanzamientos con 2 caras.
  • Explicar por qué hay igual número con 2 que con 3.
  • Leer C(10,3) = 120 en el triángulo.

Sala 16 · Exactamente k de n

Dos histogramas superpuestos que se aplanan. Apuesta: ¿qué es más probable, 5 caras de 10 lanzamientos o 50 caras de 100? Con P = C(n,k)/2ⁿ: 252/1024 ≈ 0,246 frente a ≈ 0,080. Caer justo en la mitad es cada vez más raro, aunque la mitad siga siendo lo más probable.

Tareas para el alumno

  • Calcular P(5 caras de 10) = 252/1024 ≈ 0,246.
  • Comparar con P(50 de 100) ≈ 0,080.
  • Explicar por qué baja aunque 50 sea el valor más probable.

Sala 17 · Seises en n tiradas

Apuesta: en 6 tiradas, ¿ningún seis o exactamente uno? Primero un árbol de 2 tiradas con ramas de grosor proporcional a la probabilidad: un camino vale el producto de sus ramas y exactamente un seis son 2 caminos de (1/6)·(5/6), 10/36. Con 6 tiradas no hace falta dibujarlo: el único seis puede estar en 6 sitios y cada camino vale (1/6)·(5/6)⁵, así que 6·(1/6)·(5/6)⁵ ≈ 0,402, más que ningún seis (≈ 0,335).

Tareas para el alumno

  • Calcular con el árbol P(exactamente un seis en 2 tiradas) = 10/36.
  • Contar los 6 sitios posibles del único seis en 6 tiradas.
  • Escribir lo que vale un camino: (1/6)·(5/6)⁵.
  • Juntarlo: 6·(1/6)·(5/6)⁵ ≈ 0,402.

Sala 18 · La moneda trucada

Una moneda abombada que gira cojeando: va a la derecha con probabilidad p = 0,4. Apuesta: ¿en 2, 3 o 4 pasos es más fácil estar en la posición 2? Con 2 pasos 0,16; con 3 pasos 0, por paridad; con 4 pasos 96/625 = 0,1536. Aparece la fórmula general C(n,k)·p^k·(1−p)^(n−k).

Tareas para el alumno

  • Calcular P(estar en 2 tras 2 pasos) = 0,16.
  • Explicar por qué tras 3 pasos es imposible (paridad).
  • Calcular P(estar en 2 tras 4 pasos) = 96/625.

Sala 19 · ¿Quién saca antes la cruz?

Dos jugadores alternan lanzamientos y gana el primero que saca cruz. Apuesta: ¿el que lanza en los turnos impares o el de los pares? Si A no gana en el primer lanzamiento, empieza el mismo juego con B primero: B gana con la misma probabilidad que A, pero solo en la mitad de las partidas, P(gana B) = ½·P(gana A). Como P(gana A) + ½·P(gana A) = 1, A gana con 2/3. Con un dado y el seis, P + 5/6·P = 1 da 6/11.

Tareas para el alumno

  • Apostar por el jugador de turnos impares o pares.
  • Ver que, si A falla el primero, la partida sigue como un juego nuevo que empieza B.
  • Resolver P(gana A) + ½·P(gana A) = 1 (2/3).
  • Calcular con un dado y el seis (6/11).

Sala 20 · ¿XO o XX?

Una cinta de monedas que avanza. Apuesta: ¿qué pareja sale antes? XO antes que XX sale la mitad de las veces (1/2). XO antes que OO gana 3/4: OO solo puede ganar al principio (OO, 1/4) y, en cuanto sale una X, ya solo puede ganar XO. Una pareja puede ser mejor aunque parezca igual de probable.

Tareas para el alumno

  • Apostar entre XO y XX y comprobarlo.
  • Razonar por qué XO antes que XX es 1/2.
  • Hallar la probabilidad de XO antes que OO (3/4).

Sala 21 · El juego de Penney

Carrera de dos cintas de monedas. Tú eliges una serie de 3; el ordenador elige después otra. El ordenador gana 7 a 1 contra XXX/OOO, 3 a 1 contra XXO/OOX y 2 a 1 contra el resto. El truco: si eliges XOX, responde XXO (el contrario de tu 2.º + tus dos primeros).

Tareas para el alumno

  • Elegir una serie de 3 y jugar contra el ordenador.
  • Descubrir cómo elige el ordenador su respuesta.
  • Decir qué elige si el alumno elige XOX (XXO).

Salas para proyectar

Las más vistosas para mostrar y discutir en clase.

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Sala 6 · El cuadrado 6×6 — La herramienta central del lab: marcar casillas y contarlas convierte la probabilidad de dos dados en un cálculo visible para toda la clase.
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Sala 7 · Arturo, Berta y Juan — Se apuesta antes de contar y Berta gana casi siempre: la clase compara su intuición con las casillas marcadas.
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Sala 13 · La máquina de Galton — Las bolas dibujan la fila 6 del triángulo de Pascal: une el conteo de caminos con el reparto real.
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Sala 21 · El juego de Penney — El ordenador gana casi siempre y no se ve por qué: invita a jugar, discutir y descubrir su truco.