Cours – Variables aléatoires discrètes infinies
Chapitre 06
ECS (2e année) — Chapitre 06. Tribus, espaces probabilisés, lois géométrique et de Poisson, fonctions génératrices.
Ce chapitre a été réalisé conformément au programme marocain de mathématiques de la filière ECS.
1 Tribus et espaces probabilisés
1.1 Tribu
Définition 1.1 — (Tribu)
Soit \Omega un ensemble non vide. Une tribu (ou \sigma-algèbre) \mathcal{A} sur \Omega est une partie de \mathcal{P}(\Omega) vérifiant :
- \Omega \in \mathcal{A}.
- A \in \mathcal{A} \Rightarrow \overline{A} \in \mathcal{A}.
- Pour toute suite (A_n)_{n \in \mathbb{N}} d’éléments de \mathcal{A} : \bigcup_{n=0}^{+\infty} A_n \in \mathcal{A}.
Définition 1.2 — (Espace probabilisable)
Le couple (\Omega, \mathcal{A}) est un espace probabilisable.
Exemple 1.1
- \mathcal{P}(\Omega) est une tribu (tribu discrète).
- \{\varnothing, \Omega\} est une tribu (tribu grossière).
- La tribu borélienne \mathcal{B}(\mathbb{R}) est la plus petite tribu contenant les intervalles de \mathbb{R}.
1.2 Probabilité
Définition 1.3 — (Probabilité)
Une probabilité sur (\Omega, \mathcal{A}) est une application P : \mathcal{A} \to [0,1] vérifiant :
- P(\Omega) = 1.
- Pour toute suite (A_n)_{n \in \mathbb{N}} d’événements deux à deux incompatibles : P\left(\bigcup_{n=0}^{+\infty} A_n\right) = \sum_{n=0}^{+\infty} P(A_n)
Définition 1.4 — (Espace probabilisé)
Le triplet (\Omega, \mathcal{A}, P) est un espace probabilisé.
Proposition 1.1 — (Continuité des probabilités)
- Si (A_n) est croissante : P\left(\bigcup_{n=0}^{+\infty} A_n\right) = \lim_{n \to +\infty} P(A_n).
- Si (A_n) est décroissante : P\left(\bigcap_{n=0}^{+\infty} A_n\right) = \lim_{n \to +\infty} P(A_n).
2 Variables aléatoires discrètes infinies
2.1 Définition
Définition 2.1 — (Variable aléatoire discrète)
Une variable aléatoire X : \Omega \to E (où E est au plus dénombrable) est discrète si : \forall x \in E, \quad X^{-1}(\{x\}) = \{X = x\} \in \mathcal{A}
Définition 2.2 — (Loi d’une variable discrète)
La loi de X est la donnée des P(X = x) pour x \in X(\Omega), avec : \sum_{x \in X(\Omega)} P(X = x) = 1
3 Lois usuelles discrètes infinies
3.1 Loi géométrique
Définition 3.1 — (Loi géométrique)
X \hookrightarrow \mathcal{G}(p) (p \in ]0,1]) si : P(X = k) = p(1-p)^{k-1}, \quad k \in \mathbb{N}^*
X compte le nombre de lancers nécessaires pour obtenir le premier succès.
Proposition 3.1 — (Espérance et variance)
E(X) = \frac{1}{p}, \quad V(X) = \frac{1-p}{p^2}
Proposition 3.2 — (Absence de mémoire)
P(X > n + k \mid X > k) = P(X > n)
3.2 Loi de Poisson
Définition 3.2 — (Loi de Poisson)
X \hookrightarrow \mathcal{P}(\lambda) (\lambda > 0) si : P(X = k) = e^{-\lambda} \frac{\lambda^k}{k!}, \quad k \in \mathbb{N}
Proposition 3.3 — (Espérance et variance)
E(X) = \lambda, \quad V(X) = \lambda
Proposition 3.4 — (Somme de Poisson indépendantes)
Si X \hookrightarrow \mathcal{P}(\lambda_1) et Y \hookrightarrow \mathcal{P}(\lambda_2) sont indépendantes, alors : X + Y \hookrightarrow \mathcal{P}(\lambda_1 + \lambda_2)
4 Fonctions génératrices
4.1 Définition
Définition 4.1 — (Fonction génératrice)
Soit X une variable aléatoire à valeurs dans \mathbb{N}. La fonction génératrice de X est : G_X(s) = E(s^X) = \sum_{k=0}^{+\infty} P(X = k) s^k définie au moins sur [-1, 1].
4.2 Propriétés
Proposition 4.1 — (Lien avec espérance et variance)
- G_X(1) = 1.
- X admet une espérance \iff G_X est dérivable en 1, et E(X) = G_X'(1).
- X admet un moment d’ordre 2 \iff G_X est deux fois dérivable en 1, et : V(X) = G_X''(1) + G_X'(1) - (G_X'(1))^2
Proposition 4.2 — (Fonction génératrice d’une somme)
Si X et Y sont indépendantes à valeurs dans \mathbb{N} : G_{X+Y}(s) = G_X(s) \cdot G_Y(s)
Exemple 4.1 — (Fonctions génératrices usuelles)
- Si X \hookrightarrow \mathcal{B}(p) : G_X(s) = 1 - p + ps.
- Si X \hookrightarrow \mathcal{B}(n,p) : G_X(s) = (1-p+ps)^n.
- Si X \hookrightarrow \mathcal{G}(p) : G_X(s) = \frac{ps}{1-(1-p)s} pour |s| < \frac{1}{1-p}.
- Si X \hookrightarrow \mathcal{P}(\lambda) : G_X(s) = e^{\lambda(s-1)}.
5 Exercices
Exercice 5.1
On lance une pièce équilibrée jusqu’à obtenir pile. Soit X le nombre de lancers nécessaires.
- Déterminer la loi de X.
- Calculer E(X) et V(X).
Exercice 5.2
Soit X \hookrightarrow \mathcal{P}(\lambda).
- Déterminer G_X(s).
- En déduire E(X) et V(X).
Exercice 5.3
Soient X \hookrightarrow \mathcal{P}(\lambda_1) et Y \hookrightarrow \mathcal{P}(\lambda_2) indépendantes. Montrer que X + Y \hookrightarrow \mathcal{P}(\lambda_1 + \lambda_2).
Exercice 5.4
Soit X une variable aléatoire à valeurs dans \mathbb{N} de fonction génératrice G_X(s) = \frac{1}{2-s}. Déterminer la loi de X.
Exercice 5.5
Soit X \hookrightarrow \mathcal{G}(p). Montrer que P(X > n) = (1-p)^n.
Exercice 5.6
Soit (X_n) une suite de variables aléatoires avec X_n \hookrightarrow \mathcal{B}(n, \lambda/n). Montrer que X_n \xrightarrow{\mathcal{L}} \mathcal{P}(\lambda).
Exercice 5.7
Soit X une variable aléatoire à valeurs dans \mathbb{N} avec P(X = k) = \frac{c}{k!} pour k \geq 0. Déterminer c et la loi de X.
Exercice 5.8
Soit X \hookrightarrow \mathcal{G}(p). Montrer l’absence de mémoire : P(X > n + k \mid X > k) = P(X > n).