Cours – Variables aléatoires discrètes infinies
Chapitre 05
ECT2 (2e année) — Chapitre 05. Tribus, espaces probabilisés, variables aléatoires discrètes infinies, lois géométrique et de Poisson, fonctions génératrices.
Ce chapitre a été réalisé conformément au programme marocain de mathématiques de la filière ECT.
1 Espaces probabilisés
1.1 Tribus
Définition 1.1 — (Tribu)
Soit \Omega un ensemble non vide. Une tribu (ou \sigma-algèbre) \mathcal{T} sur \Omega est une partie de \mathcal{P}(\Omega) vérifiant :
- \Omega \in \mathcal{T}
- Si A \in \mathcal{T}, alors \overline{A} = \Omega \setminus A \in \mathcal{T}
- Si (A_n)_{n \in \mathbb{N}} est une suite d’éléments de \mathcal{T}, alors \bigcup_{n \in \mathbb{N}} A_n \in \mathcal{T}
Le couple (\Omega, \mathcal{T}) est appelé espace probabilisable.
Proposition 1.1
Soit (\Omega, \mathcal{T}) un espace probabilisable. Alors :
- \varnothing \in \mathcal{T}
- Si (A_n)_{n \in \mathbb{N}} est une suite d’éléments de \mathcal{T}, alors \bigcap_{n \in \mathbb{N}} A_n \in \mathcal{T}
- Si A, B \in \mathcal{T}, alors A \setminus B \in \mathcal{T} et A \cup B \in \mathcal{T}
Exemple 1.1 — (Exemples de tribus)
- La tribu grossière : \{\varnothing, \Omega\} est une tribu sur \Omega.
- La tribu discrète : \mathcal{P}(\Omega) est une tribu sur \Omega.
- Si \Omega = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\} (lancer d’un dé), la tribu engendrée par l’événement « obtenir un nombre pair » est : \mathcal{T} = \{\varnothing, \{2, 4, 6\}, \{1, 3, 5\}, \Omega\}
1.2 Probabilités
Définition 1.2 — (Probabilité)
Soit (\Omega, \mathcal{T}) un espace probabilisable. Une probabilité P sur (\Omega, \mathcal{T}) est une application P : \mathcal{T} \to [0, 1] vérifiant :
- P(\Omega) = 1
- Pour toute suite (A_n)_{n \in \mathbb{N}} d’événements deux à deux disjoints : P\left(\bigcup_{n=0}^{+\infty} A_n\right) = \sum_{n=0}^{+\infty} P(A_n)
Le triplet (\Omega, \mathcal{T}, P) est appelé espace probabilisé.
Proposition 1.2 — (Propriétés des probabilités)
Soit (\Omega, \mathcal{T}, P) un espace probabilisé. Alors :
- P(\varnothing) = 0
- P(\overline{A}) = 1 - P(A)
- Si A \subset B, alors P(A) \leq P(B)
- P(A \cup B) = P(A) + P(B) - P(A \cap B)
- Inégalité de Boole : P\left(\bigcup_{k=1}^n A_k\right) \leq \sum_{k=1}^n P(A_k)
1.3 Systèmes complets d’événements
Définition 1.3 — (Système complet d’événements)
Une famille (A_i)_{i \in I} d’événements est un système complet d’événements si :
- Les A_i sont deux à deux incompatibles : A_i \cap A_j = \varnothing pour i \neq j
- \bigcup_{i \in I} A_i = \Omega
Théorème 1.1 — (Formule des probabilités totales)
Soit (A_i)_{i \in I} un système complet d’événements avec P(A_i) > 0 pour tout i. Alors pour tout événement B : P(B) = \sum_{i \in I} P(B \mid A_i) \cdot P(A_i)
Théorème 1.2 — (Formule de Bayes)
Soit (A_i)_{i \in I} un système complet d’événements avec P(A_i) > 0 pour tout i. Alors pour tout événement B avec P(B) > 0 : P(A_j \mid B) = \frac{P(B \mid A_j) \cdot P(A_j)}{\sum_{i \in I} P(B \mid A_i) \cdot P(A_i)}
2 Variables aléatoires discrètes infinies
2.1 Définition
Définition 2.1 — (Variable aléatoire discrète)
Une variable aléatoire réelle X définie sur (\Omega, \mathcal{T}, P) est discrète si X(\Omega) est un ensemble fini ou dénombrable.
Si X(\Omega) est infini, on dit que X est une variable aléatoire discrète infinie.
2.2 Loi d’une variable aléatoire discrète
Définition 2.2 — (Loi d’une variable aléatoire discrète)
Soit X une variable aléatoire discrète avec X(\Omega) = \{x_0, x_1, x_2, \ldots\}. La loi de X est déterminée par la famille (P(X = x_k))_{k \geq 0} vérifiant : \sum_{k=0}^{+\infty} P(X = x_k) = 1
2.3 Espérance et variance
Définition 2.3 — (Espérance)
Soit X une variable aléatoire discrète infinie. On dit que X admet une espérance si la série \sum_{k=0}^{+\infty} x_k P(X = x_k) est absolument convergente. On pose alors : E(X) = \sum_{k=0}^{+\infty} x_k P(X = x_k)
Définition 2.4 — (Moment d’ordre \boldsymbol{k})
Soit k \in \mathbb{N}^*. La variable X admet un moment d’ordre k si la série \sum_{k=0}^{+\infty} x_k^k P(X = x_k) est absolument convergente. On pose alors : E(X^k) = \sum_{k=0}^{+\infty} x_k^k P(X = x_k)
Définition 2.5 — (Variance)
Si X admet un moment d’ordre 2, la variance de X est : V(X) = E((X - E(X))^2) = E(X^2) - (E(X))^2 L’écart-type est \sigma(X) = \sqrt{V(X)}.
Proposition 2.1 — (Formule de transfert)
Soit X une variable aléatoire discrète et g : \mathbb{R} \to \mathbb{R} une fonction. Alors g(X) admet une espérance si et seulement si la série \sum_{k=0}^{+\infty} g(x_k) P(X = x_k) est absolument convergente, et : E(g(X)) = \sum_{k=0}^{+\infty} g(x_k) P(X = x_k)
3 Loi géométrique
Définition 3.1 — (Loi géométrique)
Soit p \in ]0, 1[. On dit que X suit la loi géométrique de paramètre p, notée X \hookrightarrow \mathcal{G}(p), si : \forall k \in \mathbb{N}^*, \quad P(X = k) = p(1-p)^{k-1}
Proposition 3.1 — (Vérification)
On a bien : \sum_{k=1}^{+\infty} p(1-p)^{k-1} = p \cdot \frac{1}{1-(1-p)} = 1
Proposition 3.2 — (Espérance et variance)
Si X \hookrightarrow \mathcal{G}(p), alors : E(X) = \frac{1}{p}, \quad V(X) = \frac{1-p}{p^2}
Proposition 3.3 — (Absence de mémoire)
Si X \hookrightarrow \mathcal{G}(p), alors pour tous n, m \in \mathbb{N}^* : P(X > n + m \mid X > m) = P(X > n)
Exemple 3.1 — (Interprétation)
On lance une pièce (probabilité de pile p) jusqu’à obtenir pile. Si X est le numéro du lancer où apparaît le premier pile, alors X \hookrightarrow \mathcal{G}(p).
4 Loi de Poisson
Définition 4.1 — (Loi de Poisson)
Soit \lambda > 0. On dit que X suit la loi de Poisson de paramètre \lambda, notée X \hookrightarrow \mathcal{P}(\lambda), si : \forall k \in \mathbb{N}, \quad P(X = k) = e^{-\lambda} \frac{\lambda^k}{k!}
Proposition 4.1 — (Vérification)
On a bien : \sum_{k=0}^{+\infty} e^{-\lambda} \frac{\lambda^k}{k!} = e^{-\lambda} \cdot e^{\lambda} = 1
Proposition 4.2 — (Espérance et variance)
Si X \hookrightarrow \mathcal{P}(\lambda), alors : E(X) = \lambda, \quad V(X) = \lambda
Proposition 4.3 — (Stabilité par somme)
Si X \hookrightarrow \mathcal{P}(\lambda) et Y \hookrightarrow \mathcal{P}(\mu) sont indépendantes, alors : X + Y \hookrightarrow \mathcal{P}(\lambda + \mu)
Exemple 4.1 — (Interprétation)
La loi de Poisson modélise le nombre d’arrivées d’événements rares sur un intervalle de temps : nombre d’appels reçus par un standard téléphonique, nombre de clients arrivant à un guichet, etc.
5 Fonctions génératrices
Définition 5.1 — (Fonction génératrice)
Soit X une variable aléatoire discrète à valeurs dans \mathbb{N}. La fonction génératrice de X est : G_X(s) = E(s^X) = \sum_{k=0}^{+\infty} P(X = k) \cdot s^k définie pour s \in [-1, 1].
Proposition 5.1 — (Propriétés)
Soit X une variable aléatoire discrète à valeurs dans \mathbb{N}.
- G_X(1) = 1
- Si X admet une espérance : G_X'(1) = E(X)
- Si X admet un moment d’ordre 2 : G_X''(1) = E(X(X-1)) et V(X) = G_X''(1) + G_X'(1) - (G_X'(1))^2
Proposition 5.2 — (Caractérisation de la loi)
La fonction génératrice détermine entièrement la loi de X : P(X = k) = \frac{G_X^{(k)}(0)}{k!}
Proposition 5.3 — (Somme de variables indépendantes)
Si X et Y sont indépendantes à valeurs dans \mathbb{N}, alors : G_{X+Y}(s) = G_X(s) \cdot G_Y(s)
Exemple 5.1 — (Fonctions génératrices usuelles)
| Loi | Fonction génératrice |
|---|---|
| \mathcal{G}(p) | G_X(s) = \frac{ps}{1-(1-p)s} |
| \mathcal{P}(\lambda) | G_X(s) = e^{\lambda(s-1)} |
| \mathcal{B}(n, p) | G_X(s) = (1-p+ps)^n |
6 Exercices
Exercice 6.1
On lance une pièce équilibrée jusqu’à obtenir pile. Soit X le numéro du lancer où apparaît le premier pile.
- Déterminer la loi de X.
- Calculer E(X) et V(X).
- Calculer P(X > 5).
Exercice 6.2
Soit X \hookrightarrow \mathcal{P}(\lambda).
- Vérifier que \sum_{k=0}^{+\infty} e^{-\lambda} \frac{\lambda^k}{k!} = 1.
- Calculer E(X) et V(X).
- Calculer P(X = 0), P(X = 1), P(X = 2).
Exercice 6.3
Soient X \hookrightarrow \mathcal{P}(2) et Y \hookrightarrow \mathcal{P}(3) indépendantes.
- Déterminer la loi de X + Y.
- Calculer E(X + Y) et V(X + Y).
Exercice 6.4
Soit X une variable aléatoire discrète à valeurs dans \mathbb{N} telle que P(X = k) = \frac{c}{k!} pour k \geq 0.
- Déterminer la constante c.
- Quelle loi suit X ?
- Calculer E(X) et V(X).
Exercice 6.5
Soit X une variable aléatoire discrète à valeurs dans \mathbb{N}^* telle que P(X = k) = \frac{c}{2^k} pour k \geq 1.
- Déterminer la constante c.
- Calculer E(X) et V(X).
Exercice 6.6
Soit X \hookrightarrow \mathcal{G}(p).
- Déterminer la fonction génératrice G_X(s).
- En déduire E(X) et V(X).
Exercice 6.7
Soit X \hookrightarrow \mathcal{P}(\lambda).
- Déterminer la fonction génératrice G_X(s).
- En déduire E(X) et V(X).
Exercice 6.8
Le nombre d’appels reçus par un standard téléphonique en une heure suit une loi de Poisson de paramètre \lambda = 4.
- Calculer la probabilité de recevoir exactement 3 appels en une heure.
- Calculer la probabilité de recevoir au moins un appel en une heure.
- Calculer la probabilité de recevoir au plus 2 appels en une heure.