Le cours
Résumé en cinq points
- Une variable aléatoire réelle est une application de dans telle que soit un événement pour tout réel .
- La fonction de répartition est croissante, à valeurs dans , de limites en et en , et continue à droite.
- La loi est caractérisée par la fonction de répartition : c'est l'outil d'identification principal de la deuxième année.
- Combinaisons linéaires, produits, maximum et minimum de variables aléatoires sont des variables aléatoires. Pour un maximum on passe par , pour un minimum par .
- La formule de l'espérance totale donne comme somme des sur un système complet, sous réserve d'existence de chaque espérance conditionnelle et de convergence de la série des .
Pourquoi ce chapitre
En première année, une variable aléatoire était essentiellement discrète, décrite par ses probabilités ponctuelles. Cela ne suffit plus. Un temps d'attente, une durée de vie, une erreur de mesure prennent leurs valeurs dans un intervalle, et la probabilité de chaque valeur isolée y est nulle.
- Il faut un outil qui décrive la loi sans passer par les valeurs ponctuelles : la fonction de répartition. Ce chapitre l'installe dans le cadre général, avant d'aborder les variables à densité.
- Il apporte aussi la formule de l'espérance totale, qui calcule une espérance en découpant selon un système complet d'événements, comme la formule des probabilités totales découpe une probabilité.
1Cadre et rappels
1.1Espace probabilisé
On travaille sur un espace probabilisé .
Définition 1.1Espace probabilisé
- est l'univers, l'ensemble des issues possibles de l'expérience.
- est une tribu sur : un ensemble de parties de contenant , stable par passage au complémentaire et stable par union dénombrable. Ses éléments sont les événements.
- est une probabilité sur : une application de dans telle que et qui est sigma-additive.
1.2Outils de première année à garder en tête
Définition 1.2Système complet d'événements
Une famille d'événements est un système complet d'événements lorsque les sont deux à deux incompatibles et que leur réunion est .
Théorème 1.3Formule des probabilités totales
Hypothèses
- est un système complet d'événements ;
- pour tout .
Alors pour tout événement , est la somme de la série des .
Définition 1.4Probabilité conditionnelle
Si , on pose L'application est une probabilité sur .
C'est ce point qui rend légitime la notion d'espérance conditionnelle.
2Variable aléatoire réelle
2.1Définition
Définition 2.1Variable aléatoire réelle
Une variable aléatoire réelle sur est une application de dans telle que, pour tout réel , l'ensemble soit un événement, c'est-à-dire un élément de la tribu .
On note l'ensemble des tels que .
Le programme précise que vérifier qu'une application donnée est une variable aléatoire n'est pas un objectif. En pratique, tous les objets rencontrés en sont, et on ne le justifie jamais.
2.2Événements associés
À partir des , les opérations de tribu fournissent tous les événements usuels.
- est le complémentaire de .
- Pour , s'obtient comme différence de et .
- Les événements , et s'obtiennent par des passages à la limite sur des suites monotones d'événements.
3Fonction de répartition
3.1Définition
Définition 3.1Fonction de répartition
La fonction de répartition de est l'application définie sur par
3.2Propriétés générales
Propriété 3.2Propriétés de la fonction de répartition
Pour toute variable aléatoire réelle , la fonction vérifie les propriétés suivantes, admises :
- est à valeurs dans ;
- est croissante au sens large sur ;
- tend vers en et vers en ;
- est continue à droite en tout point.
Démonstration
Croissance : si , alors est inclus dans , et la croissance de conclut.
Propriété 3.3Probabilité d'un intervalle
Pour tous réels :
Démonstration
Cela vient de l'additivité, puisque est la réunion disjointe de et de .
Propriété 3.4Probabilité ponctuelle et saut
est égale à moins la limite à gauche de en . En particulier, est continue en si et seulement si .
3.3Cas discret
Si est discrète, est une fonction en escalier, constante entre deux valeurs prises par , avec un saut de hauteur en chaque valeur de .
Exemple 3.5Loi de Bernoulli
Si suit la loi de Bernoulli de paramètre , alors :
3.4Pourquoi cet outil
La fonction de répartition a deux qualités.
- Elle est définie pour toute variable aléatoire, discrète ou non.
- Elle est numérique, donc manipulable par les outils d'analyse de première année : croissance, limites, continuité, dérivation.
C'est elle qui permettra de définir proprement les variables à densité au chapitre suivant.
4Loi d'une variable aléatoire
4.1Définition
Définition 4.1Loi
La loi de est la donnée des probabilités pour tout intervalle de .
4.2Caractérisation
Théorème 4.2Caractérisation de la loi
La loi d'une variable aléatoire réelle est caractérisée par sa fonction de répartition. Autrement dit, deux variables aléatoires ayant la même fonction de répartition ont la même loi.
C'est le résultat central du chapitre. Pour identifier la loi d'une variable aléatoire, on calcule sa fonction de répartition et on la reconnaît.
4.3Même loi n'est pas égalité
Deux variables aléatoires peuvent avoir la même loi sans être égales.
Exemple 4.3Pile ou face
On lance une pièce équilibrée. vaut si on obtient pile et sinon, et . Les deux suivent la loi de Bernoulli de paramètre , donc elles ont la même loi. Pourtant elles ne prennent jamais la même valeur.
5Opérations sur les variables aléatoires
Les résultats suivants sont admis par le programme.
Propriété 5.1Combinaisons de variables aléatoires
Hypothèses
- et sont des variables aléatoires réelles sur ;
- et sont des réels.
Alors et sont des variables aléatoires. Plus généralement, toute combinaison linéaire d'un nombre fini de variables aléatoires en est une.
Le maximum et le minimum de variables aléatoires sont des variables aléatoires. On note la variable aléatoire qui à associe le plus grand des deux nombres et , et de même pour le minimum.
Propriété 5.2Fonctions de répartition du maximum et du minimum
Hypothèses
- sont des variables aléatoires indépendantes (notion reprise en détail au chapitre sur les -uplets) ;
- et .
Alors, pour tout réel :
Démonstration
est l'intersection des , d'où la première formule. De même est l'intersection des , d'où la seconde.
Ces deux formules tombent très souvent, en particulier avec des lois exponentielles ou uniformes.
À retenir
Pour un maximum on passe par , pour un minimum par l'événement contraire .
6Espérance conditionnelle d'une variable discrète
6.1Définition
Définition 6.1Espérance conditionnelle
Hypothèses
- est un événement de probabilité non nulle ;
- est une variable aléatoire discrète.
L'espérance conditionnelle de sachant , notée , est l'espérance de calculée pour la probabilité conditionnelle , lorsque celle-ci existe.
Concrètement : sous réserve de convergence absolue de cette série. Quand est fini, la question de convergence ne se pose pas.
Toutes les propriétés de l'espérance restent valables, puisque est une probabilité. En particulier, sous réserve d'existence :
Quand est du type , on écrit . C'est la situation la plus courante dans les exercices.
6.2Exemple
Exemple 6.2Dé puis pièce
On lance un dé équilibré et on note le résultat. On lance ensuite fois une pièce équilibrée, et on note le nombre de piles obtenus. Sachant , la variable suit la loi binomiale de paramètres et . Donc
7Formule de l'espérance totale
7.1Énoncé
Théorème 7.1Formule de l'espérance totale
Hypothèses
- est une variable aléatoire discrète ;
- est un système complet d'événements ;
- pour tout entier .
Alors admet une espérance si et seulement si :
- pour tout , l'espérance conditionnelle existe ;
- la série de terme général converge.
Dans ce cas,
Attention
C'est une équivalence, et non une simple implication. Les deux conditions techniques garantissent que le regroupement des termes est licite.
Quand le système complet est fini, elles sont automatiquement vérifiées dès que chaque existe, et la formule devient
7.2Comment la lire
C'est l'analogue de la formule des probabilités totales, avec des espérances à la place des probabilités. On découpe l'univers selon un système complet, on calcule l'espérance dans chaque cas, puis on fait la moyenne pondérée par les probabilités des cas.
7.3Exemple complet
Exemple 7.2Dé puis pièce, suite
Reprenons l'exemple précédent. Le système complet est formé des pour de à , chacun de probabilité . Il est fini, et chaque espérance conditionnelle existe et vaut . La formule donne Vérification : par symétrie, chaque lancer donne pile avec probabilité , donc on attend . C'est bien .
7.4Un usage typique avec un système complet infini
Le schéma classique : une variable suit une loi discrète à valeurs dans , et conditionnellement à , la variable suit une loi connue dépendant de .
MéthodeEspérance avec un système complet infini
- Prendre pour système complet les événements de probabilité non nulle.
- Calculer .
- Justifier la convergence de la série avant de conclure, en général en remarquant que est positive, auquel cas .
- Sommer.
Autre usage très fréquent en ECG : le conditionnement par le premier pas. Pour une expérience répétée, on conditionne par le résultat de la première étape, ce qui fournit une relation de récurrence ou une équation vérifiée par l'espérance cherchée.
Méthodes
MéthodeIdentifier une loi
- Calculer pour tout réel , en discutant selon la position de .
- Comparer à une fonction de répartition connue.
- Si les deux coïncident, les lois sont les mêmes.
MéthodeTraiter un maximum ou un minimum
- Pour un maximum, écrire comme intersection des .
- Pour un minimum, passer par l'événement contraire : est l'intersection des .
MéthodeCalculer une espérance par conditionnement
- Choisir un système complet adapté, souvent donné par la première étape de l'expérience ou par la valeur d'une variable auxiliaire.
- Vérifier que chaque probabilité est non nulle.
- Calculer chaque espérance conditionnelle.
- Justifier l'existence, puis appliquer la formule.
MéthodeReconnaître une espérance conditionnelle
Sachant , la variable suit souvent une loi usuelle. On utilise alors directement l'espérance de cette loi, sans recalculer la série.
MéthodeContrôler un résultat
Comparer l'ordre de grandeur obtenu à une estimation intuitive, ou recalculer l'espérance par une seconde méthode, par exemple la linéarité.
Ce qu'il faut savoir refaire en khôlle
- Donner la définition d'une variable aléatoire réelle sur et expliquer le rôle de la tribu.
- Énoncer les propriétés de la fonction de répartition, et démontrer la croissance ainsi que la formule .
- Tracer la fonction de répartition d'une variable discrète simple et lire les sauts.
- Expliquer pourquoi la fonction de répartition caractérise la loi, et donner deux variables de même loi qui ne sont pas égales.
- Établir les fonctions de répartition du maximum et du minimum de variables indépendantes.
- Définir et justifier que les propriétés de l'espérance s'y appliquent.
- Énoncer la formule de l'espérance totale avec toutes ses hypothèses, y compris la condition de convergence.
- Mener un calcul complet d'espérance par conditionnement, avec système complet fini puis infini.
Méthodes et exercices
Les résultats à connaître
- Une variable aléatoire réelle est une application X de Ω dans R telle que [X ≤ x] soit un événement pour tout réel x. Définition exigible. Vérifier qu'une application donnée en est une n'est pas un objectif du programme.
- FX est à valeurs dans [0, 1] et croissante. Exigible avec démonstration, une inclusion d'événements suffit.
- Pour a < b, P(a < X ≤ b) = FX(b) − FX(a). Exigible avec démonstration.
- FX tend vers 0 en −∞ et vers 1 en +∞, et elle est continue à droite en tout point. À connaître. La preuve par le théorème de la limite monotone de première année est un bon sujet de khôlle.
- Pour tout réel a, P(X < a) est la limite à gauche de FX en a, et P(X = a) = FX(a) − P(X < a). FX est donc continue en a si et seulement si P(X = a) = 0. Même statut.
- Si X est à valeurs entières, P(X = k) = FX(k) − FX(k − 1) pour tout entier k. C'est la forme utile en pratique.
- La loi de X est caractérisée par FX. Admis.
- Combinaisons linéaires, produits, maximum et minimum de variables aléatoires sont des variables aléatoires. Admis.
- Si X₁, …, Xn sont indépendantes, alors Fmax est le produit des FXi, et 1 − Fmin est le produit des 1 − FXi. Exigible avec démonstration. L'indépendance de variables quelconques relève du paragraphe sur les n-uplets. Pour des variables discrètes, celle de première année suffit.
- E(X/A), pour P(A) ≠ 0 et X discrète, est l'espérance de X pour PA. Définition exigible. Linéarité, positivité, croissance et transfert, E(g(X)/A) = Σ g(x) PA(X = x), restent vrais sous réserve de convergence absolue, car PA est une probabilité.
- Formule de l'espérance totale : c'est une équivalence, sous deux conditions, l'existence de chaque E(X/An) et la convergence de la série des E(|X|/An)P(An). Énoncé exigible avec ses hypothèses. La preuve repose sur le regroupement par paquets, admis au programme.
- Hors programme, à signaler :
- la réciproque « toute fonction croissante, continue à droite, de limites 0 et 1 est une fonction de répartition ». Elle est vraie, mais on exhibe toujours la variable.
- l'espérance conditionnelle vue comme variable aléatoire E(X | Y).
- l'espérance conditionnelle d'une variable à densité.
- les familles sommables.
Clés de démonstration
Croissance et accroissements. Si x ≤ y, alors [X ≤ x] est inclus dans [X ≤ y], et P est croissante. Ensuite, [X ≤ b] est la réunion disjointe de [X ≤ a] et de [a < X ≤ b], et l'additivité conclut. Astuce, écrire l'égalité d'événements avant de passer aux probabilités.
Limites à l'infini. La suite des événements [X ≤ n] est croissante, et sa réunion est Ω, car tout réel X(ω) est majoré par un entier. Par limite monotone, FX(n) tend vers 1. Comme FX est croissante, elle admet une limite en +∞, qui vaut donc 1. En −∞, on raisonne de même avec [X ≤ −n], suite décroissante d'intersection vide. Astuce, la monotonie de F permet de se ramener à une suite.
Continuité à droite et sauts. Les événements [X ≤ a + 1/n] décroissent vers [X ≤ a], donc FX(a + 1/n) tend vers FX(a). Les événements [a − 1/n < X ≤ a] décroissent vers [X = a], donc FX(a) − FX(a − 1/n) tend vers P(X = a). Astuce, une inégalité large s'obtient par intersection, une inégalité stricte par réunion.
Maximum et minimum. Le maximum est inférieur ou égal à x si et seulement si chaque Xi l'est. L'indépendance transforme alors la probabilité de l'intersection en produit. Pour le minimum, on écrit que [min > x] est l'intersection des [Xi > x], événements eux aussi indépendants. Astuce, le maximum se contrôle par le haut, le minimum par le bas.
Espérance totale. Notons xj les valeurs de X. Par les probabilités totales, xj P(X = xj) est la somme sur n des xj P([X = xj] ∩ An). On obtient un tableau à double entrée, lignes indexées par j et colonnes indexées par n. Sommer une colonne donne E(X/An)P(An), et sommer une ligne donne xj P(X = xj). Avec des valeurs absolues, les deux sommations d'une famille positive donnent la même somme. L'hypothèse 2 est donc exactement la convergence absolue qui autorise l'interversion. Astuce, penser tableau, valeurs d'un côté, cas de l'autre.
Exemples et contre-exemples à connaître
- Variable constante égale à c. Sa fonction de répartition vaut 0 sur ]−∞, c[ et 1 sur [c, +∞[. C'est le saut le plus simple, et F(c) = 1 illustre la continuité à droite.
- La fonction valant 0 sur ]−∞, 0] et 1 sur ]0, +∞[. Elle est croissante et a les bonnes limites, mais elle n'est pas continue à droite en 0. Ce n'est donc pas une fonction de répartition. C'est le contre-exemple qui teste la liste des propriétés.
- Loi géométrique de paramètre p, avec q = 1 − p. Pour tout k ∈ N, P(X > k) = qk. La queue est plus simple que la loi, et c'est elle qui sert pour les minimums.
- Maximum de deux dés. P(M ≤ k) = k²/36, donc P(M = k) = (2k − 1)/36. On passe par F plutôt que de dénombrer à la main.
- Deux variables X et Y indépendantes, de loi de Bernoulli de paramètre 1/2. Elles ont la même loi, mais X + Y et 2X n'ont pas la même loi. En effet, P(X + Y = 1) = 1/2 alors que P(2X = 1) = 0. La loi d'une somme dépend du couple, pas seulement des lois.
- Dé équilibré. E(X/[X pair]) = 4 et E(X/[X impair]) = 3. La moyenne (4 + 3)/2 redonne 3,5. C'est la plus petite vérification de la formule de l'espérance totale.
- La condition 2 est nécessaire. Soit X telle que P(X = 2n) = 2−n pour n ≥ 1, et An = [X = 2n]. Chaque E(X/An) = 2n existe, mais la série des 2n × 2−n diverge, et X n'a pas d'espérance.
- La valeur absolue est indispensable. Soit X prenant les valeurs 2n et −2n avec probabilité 2−n−1 chacune, pour n ≥ 1, et An = [|X| = 2n]. Alors E(X/An) = 0, et la série des E(X/An)P(An) converge vers 0. Pourtant E(|X|) est infinie, donc X n'a pas d'espérance.
Techniques du chapitre
Passer de la queue à la loi. Mini-exercice : X est à valeurs dans N et P(X > k) = 1/(k + 1) pour tout k ∈ N. D'abord, P(X = 0) = 1 − P(X > 0) = 0. Pour k ≥ 1, P(X = k) = P(X > k − 1) − P(X > k) = 1/k − 1/(k + 1) = 1/(k(k + 1)). Comme k P(X = k) = 1/(k + 1) n'est pas sommable, X n'a pas d'espérance.
Maximum et minimum par F. Mini-exercice : X₁, …, Xn sont indépendantes et uniformes sur {1, …, N}. Pour le maximum, P(M ≤ k) = (k/N)n. Pour le minimum, P(m > k) = ((N − k)/N)n, pour k entre 0 et N.
Transformation affine. Mini-exercice : X est uniforme sur {1, …, 6} et Y = 7 − X. Pour tout réel y, P(Y ≤ y) = P(X ≥ 7 − y) = 1 − P(X < 7 − y). L'inégalité devient stricte, on ne peut donc pas écrire 1 − FX(7 − y). Les valeurs 7 − k parcourant {1, …, 6} avec probabilité 1/6, Y a la même loi que X.
Reconnaître la loi conditionnelle. Mini-exercice : N est uniforme sur {1, …, n}, et sachant [N = k], X est uniforme sur {1, …, k}. Alors E(X/[N = k]) = (k + 1)/2. Le système est fini, donc E(X) = (1/n) Σ (k + 1)/2 = (n + 3)/4.
Système complet infini et positivité. Mini-exercice : N suit la loi géométrique de paramètre p, et sachant [N = n], X suit la loi binomiale de paramètres n et 1/2. On a E(X/[N = n]) = n/2. Comme X ≥ 0, la série à vérifier est celle des (n/2)P(N = n), qui converge vers E(N)/2. Donc E(X) = 1/(2p).
Conditionnement par le premier pas, existence d'abord. Mini-exercice : T est le rang du premier pile, pile ayant la probabilité p. On sait déjà que T suit une loi géométrique, donc E(T) existe. Sachant pile au premier lancer, T = 1. Sachant face, T a la loi de 1 + T. D'où E(T) = p + q(1 + E(T)), soit E(T) = 1/p. Sans l'existence, l'équation ne prouve rien, car +∞ la « vérifie » aussi.
Exercices classiques corrigés
Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.
Exercice 1. Reconnaître une fonction de répartition
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
On considère trois fonctions.
- F₁ vaut 0 sur ]−∞, 1[, 1/3 sur [1, 2[ et 1 sur [2, +∞[.
- F₂ vaut 0 sur ]−∞, 1], 1/3 sur ]1, 2] et 1 sur ]2, +∞[.
- F₃ vaut 1/2 partout.
Lesquelles sont des fonctions de répartition ? Pour celle qui en est une, calculer P(1 < X ≤ 2) et P(1 ≤ X < 2).
Technique tester les propriétés, puis exhiber une variable.
Voir le corrigé
- F₃ ne tend pas vers 0 en −∞, elle est exclue.
- F₂(1) = 0, mais F₂ vaut 1/3 juste à droite de 1. Elle n'est pas continue à droite, elle est exclue.
- Soit X à valeurs dans {1, 2} avec P(X = 1) = 1/3 et P(X = 2) = 2/3. Sa fonction de répartition est F₁. Par caractérisation, toute variable de fonction de répartition F₁ a cette loi.
- P(1 < X ≤ 2) = F₁(2) − F₁(1) = 2/3, et P(1 ≤ X < 2) = P(X = 1) = 1/3.
piège : Conclure pour F₁ par « elle vérifie les quatre propriétés ». Cette réciproque n'est pas au programme, on exhibe une variable.
Exercice 2. Maximum et minimum de deux dés
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
On lance deux dés équilibrés indépendants, de résultats X et Y. On pose M = max(X, Y) et m = min(X, Y). Déterminer les lois de M et de m, puis leurs espérances.
Technique passer par F, puis contrôler par M + m = X + Y.
Voir le corrigé
- P(M ≤ k) = (k/6)², donc P(M = k) = (k² − (k − 1)²)/36 = (2k − 1)/36.
- E(M) = (2 Σ k² − Σ k)/36 = (182 − 21)/36 = 161/36.
- P(m > k) = ((6 − k)/6)², donc P(m = k) = ((7 − k)² − (6 − k)²)/36 = (13 − 2k)/36.
- E(m) = (13 × 21 − 2 × 91)/36 = 91/36.
- Contrôle. E(M) + E(m) = 252/36 = 7 = E(X + Y).
piège : Écrire P(M = k) = (k/6)², en confondant la fonction de répartition et la loi.
Exercice 3. Minimum de deux géométriques
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
X et Y sont indépendantes, de lois géométriques de paramètres p₁ et p₂ dans ]0, 1[, avec qi = 1 − pi. Déterminer la loi de m = min(X, Y), puis E(max(X, Y)).
Technique queue du minimum.
Voir le corrigé
- Pour k ∈ N, P(X > k) = q₁k, car les k premières épreuves sont des échecs.
- [m > k] = [X > k] ∩ [Y > k]. Par indépendance, P(m > k) = (q₁q₂)k.
- Pour k ≥ 1, P(m = k) = (q₁q₂)k−1 − (q₁q₂)k = (q₁q₂)k−1(1 − q₁q₂). Donc m suit la loi géométrique de paramètre 1 − q₁q₂, qui est dans ]0, 1[.
- Comme max + min = X + Y, on obtient E(max) = 1/p₁ + 1/p₂ − 1/(1 − q₁q₂).
piège : Écrire P(m ≤ k) = P(X ≤ k)P(Y ≤ k), formule qui est celle du maximum.
Exercice 4. Espérance par la queue
Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle
Soit X à valeurs dans N. Montrer que X admet une espérance si et seulement si la série des P(X ≥ k), pour k ≥ 1, converge, et qu'alors E(X) est sa somme. Appliquer à la loi géométrique.
Technique transformation d'Abel, c'est-à-dire un télescopage.
Voir le corrigé
- On écrit P(X = k) = P(X ≥ k) − P(X ≥ k + 1). Une réindexation donne Σk=0n k P(X = k) = Σk=1n P(X ≥ k) − n P(X ≥ n + 1).
- Si E(X) existe, n P(X ≥ n + 1) ≤ Σj ≥ n+1 j P(X = j), qui est un reste de série convergente et tend donc vers 0. On passe à la limite.
- Réciproquement, les sommes partielles de la série positive des k P(X = k) sont majorées par la somme des P(X ≥ k). Elle converge, et le point 2 conclut.
- Pour la loi géométrique, P(X ≥ k) = qk−1, et la somme vaut 1/p.
piège : Passer à la limite dans l'égalité du point 1 sans traiter le terme n P(X ≥ n + 1).
Exercice 5. Ponte et éclosion
Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit EDHEC ou Ecricome
Le nombre N d'œufs pondus suit la loi de Poisson de paramètre λ > 0. Chaque œuf éclot avec probabilité p ∈ ]0, 1[, indépendamment des autres. On note X le nombre d'éclosions, de sorte que sachant [N = n], X suit la loi binomiale de paramètres n et p. Calculer E(X), puis la loi de X.
Technique espérance totale sur un système infini.
Voir le corrigé
- Les événements [N = n], pour n ∈ N, forment un système complet, et P(N = n) = e−λλn/n! est non nul.
- On a E(X/[N = n]) = np. Comme X ≥ 0, la série à vérifier est celle des np P(N = n), qui converge vers pλ. Donc E(X) = λp.
- Pour k ∈ N, P(X = k) = Σn ≥ k C(n, k) pk qn−k e−λ λn/n!.
- En posant j = n − k, on obtient P(X = k) = e−λ (λp)k/k! × eλq = e−λp(λp)k/k!. X suit la loi de Poisson de paramètre λp, ce qui confirme le point 2.
piège : Écrire E(X) = Σ np P(N = n) sans justifier la convergence.
Exercice 6. Loi conditionnelle sachant une somme
Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit EDHEC ou emlyon
X et Y sont indépendantes, de même loi géométrique de paramètre p. Pour n ≥ 2, on note A = [X + Y = n]. Déterminer la loi de X sachant A, puis E(X/A).
Technique loi conditionnelle, puis symétrie.
Voir le corrigé
- P(A) = Σk=1n−1 pqk−1 pqn−k−1 = (n − 1)p²qn−2, qui est non nul.
- Pour k ∈ {1, …, n − 1}, PA(X = k) = p²qn−2/P(A) = 1/(n − 1). La loi est uniforme.
- Donc E(X/A) = n/2.
- Contrôle. E(X/A) = E(Y/A) par symétrie, et leur somme vaut E(X + Y/A) = n.
piège : Faire aller k jusqu'à n, en oubliant que Y ≥ 1.
Exercice 7. Deux piles consécutifs
Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit emlyon
On lance indéfiniment une pièce donnant pile avec probabilité p ∈ ]0, 1[. On note T le rang du lancer où apparaissent pour la première fois deux piles consécutifs. Montrer que T admet une espérance et la calculer.
Technique existence par majoration, puis premier pas.
Voir le corrigé
- Découpons les lancers en blocs de deux. Si T > 2k, aucun des k premiers blocs n'est pile-pile. Par indépendance, P(T > 2k) ≤ (1 − p²)k. Donc T est finie presque sûrement, et P(T > n) ≤ (1 − p²)(n−1)/2.
- La série des P(T ≥ k) converge, donc E(T) = m existe, d'après l'exercice 4.
- Système complet : F₁, puis P₁F₂, puis P₁P₂, de probabilités q, pq et p². Les lancers étant indépendants, l'expérience repart de zéro après un face. On obtient E(T/F₁) = 1 + m, E(T/P₁F₂) = 2 + m et E(T/P₁P₂) = 2.
- D'où m = q(1 + m) + pq(2 + m) + 2p², soit p²m = q + 2pq + 2p² = 1 + p. Donc m = (1 + p)/p², qui vaut 6 pour p = 1/2.
piège : Poser l'équation sans avoir établi l'existence de m.
Exercice 8. Somme d'un nombre aléatoire de termes
Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit HEC ou ESSEC
Les Xi sont discrètes, de même loi, d'espérance μ. N est à valeurs dans N, admet une espérance, et P(N = n) > 0 pour tout n. N, X₁, X₂, … sont mutuellement indépendantes. On pose S = X₁ + … + XN, avec S = 0 si N = 0. Montrer que E(S) = μE(N).
Technique conditionner par N, puis utiliser l'indépendance.
Voir le corrigé
- Sur [N = n], S = X₁ + … + Xn.
- Xi est indépendante de [N = n], donc P[N=n](Xi = x) = P(Xi = x) et E(Xi/[N = n]) = μ.
- Par linéarité de l'espérance conditionnelle, E(S/[N = n]) = nμ. De même, E(|S|/[N = n]) ≤ nE(|X₁|).
- La série des nE(|X₁|)P(N = n) converge vers E(|X₁|)E(N). Par comparaison, la condition 2 est remplie, et E(S) = Σ nμP(N = n) = μE(N).
piège : Appliquer la linéarité à un nombre aléatoire de termes, ou oublier l'indépendance entre N et les Xi, sans laquelle le résultat est faux.
Exercice 9. Maximum d'un échantillon uniforme
Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit HEC ou ESSEC
X₁, …, Xn sont indépendantes et uniformes sur {1, …, N}, et M est leur maximum. Exprimer E(M), puis montrer que E(M)/N tend vers n/(n + 1) quand N tend vers l'infini, n étant fixé.
Technique queue du maximum, puis somme de Riemann.
Voir le corrigé
- P(M ≥ k) = 1 − P(M ≤ k − 1) = 1 − ((k − 1)/N)n, pour k entre 1 et N.
- Par l'exercice 4, E(M) = Σk=1N (1 − ((k − 1)/N)n) = N − Σj=0N−1 (j/N)n.
- E(M)/N = 1 − (1/N)Σj=0N−1 (j/N)n. C'est une somme de Riemann de t ↦ tn, continue sur [0, 1], qui tend vers ∫₀¹ tn dt = 1/(n + 1).
- Donc E(M)/N tend vers n/(n + 1). Contrôle pour n = 1 : E(M) = (N + 1)/2.
piège : Écrire P(M ≥ k) = 1 − (k/N)n, avec un décalage d'indice.
Erreurs fréquentes
- Traiter un minimum par [m ≤ x], qui est une réunion et non une intersection, au lieu de passer par [m > x].
- Écrire Fmax comme produit des FXi sans invoquer l'indépendance, ou pour des variables qui ne sont pas indépendantes.
- Appliquer l'espérance totale sur un système infini sans vérifier la convergence de la série des E(|X|/An)P(An). Ou résoudre une équation de premier pas sans avoir prouvé l'existence de l'espérance.
- Confondre inégalités larges et strictes. P(X < a) n'est pas FX(a) pour une variable discrète, et une transformation affine décroissante fait apparaître une inégalité stricte.
- Déduire de l'égalité des lois de X et Y celle des lois de X + Y et 2X, ou croire que deux variables de même loi sont égales.
Fiche de cours rédigée à partir du programme officiel d'ECG deuxième année, mathématiques approfondies (2021), enseignement du troisième semestre, partie III « Compléments de probabilités, couples et n-uplets de variables aléatoires réelles », paragraphe 1 « Compléments sur les variables aléatoires réelles ». Elle couvre la définition générale d'une variable aléatoire, la fonction de répartition, la notion de loi, les opérations sur les variables aléatoires, puis l'espérance conditionnelle et la formule de l'espérance totale pour les variables discrètes.