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Compléments sur les variables aléatoires réelles en prépa ECS et ECG : espérance totale, indépendance, covariance, exercices corrigés

Variables aléatoires réelles quelconques et fonction de répartition, fonctions de variables aléatoires, maximum et minimum, espérance conditionnelle et formule de l'espérance totale, n-uplets de variables, indépendance mutuelle et lemme des coalitions, espérance d'un produit, covariance, coefficient de corrélation, variance d'une somme, simulation en Python.

Les nombres sont ceux du chapitre complet ; chaque filière voit la partie qui correspond à son programme.

Une durée, comme un temps de connexion, n'est pas une variable discrète : sa loi se décrit par sa fonction de répartition FX(x)=P(X⩽x)F_X(x) = P(X \leqslant x), dont chaque saut donne la probabilité d'une valeur. On en tire des variables discrètes, comme 1+⌊T⌋1 + \lfloor T\rfloor, qui suit une loi géométrique quand P(T>t)=e−λtP(T > t) = e^{-\lambda t}, et l'on obtient la loi du maximum et du minimum de variables indépendantes par [max⁡⩽x]=⋂[Xi⩽x][\max \leqslant x] = \bigcap[X_i \leqslant x] et [min⁡>x]=⋂[Xi>x][\min > x] = \bigcap[X_i > x]. La formule de l'espérance totale, E(X)=∑E(X∣An)P(An)E(X) = \sum E(X \mid A_n)P(A_n), calcule une espérance en découpant l'expérience, avec sa condition d'existence. Le lemme des coalitions justifie l'indépendance de variables construites ; la covariance, Cov(X,Y)=E(XY)−E(X)E(Y)\mathrm{Cov}(X, Y) = E(XY) - E(X)E(Y), donne la variance d'une somme et le coefficient de corrélation, compris entre −1-1 et 11. Ce chapitre suit la première période du programme marocain de deuxième année ECS et le troisième semestre de l'ECG maths approfondies ; il couvre aussi les vecteurs aléatoires, les indicatrices, l'espérance d'un produit et la simulation en Python. Ces questions reviennent au CNAEM, à l'ISCAE, à la BCE et à ECRICOME.

Ce que tu sauras faire

En première année, une variable aléatoire prend un nombre fini ou dénombrable de valeurs. Une durée, comme le temps de connexion d'un client ou le temps de traitement d'une caisse sur une ligne de calibrage, peut prendre toutes les valeurs d'un intervalle : aucune valeur n'a alors une probabilité non nulle, et l'on décrit sa loi par sa fonction de répartition. Ce chapitre étudie ces variables aléatoires réelles quelconques et celles qu'on en tire (partie entière, maximum, minimum), l'espérance sachant un événement et la formule de l'espérance totale, puis les familles de variables : indépendance mutuelle, lemme des coalitions, covariance, coefficient de corrélation, variance d'une somme. À la fin, tu dois savoir :

L’essentiel du chapitre Extrait gratuit

Un extrait de la fiche « L'essentiel » du chapitre. Les démonstrations sont dans le cours détaillé.

À retenir Fonction de répartition
  • FX(x)=P(X⩽x)F_X(x) = P(X \leqslant x) : croissante, continue à droite, limites 00 en −∞-\infty et 11 en +∞+\infty.
  • P(a<X⩽b)=FX(b)−FX(a)P(a < X \leqslant b) = F_X(b) - F_X(a) ; P(X>a)=1−FX(a)P(X > a) = 1 - F_X(a).
  • P(X=a)P(X = a) = hauteur du saut de FXF_X en aa ; P(X<a)=lim⁡x→a−FX(x)P(X < a) = \lim_{x \to a^-}F_X(x).
  • FXF_X continue en aa : P(X=a)=0P(X = a) = 0, inégalités larges et strictes équivalentes.
  • La fonction de répartition caractérise la loi (admis).
À retenir Fonctions d'une variable
  • Traduire [Y⩽y][Y \leqslant y] ou [Y=k][Y = k] en un événement sur XX, puis lire FXF_X.
  • [1+⌊T⌋=k]=[k−1⩽T<k][1 + \lfloor T\rfloor = k] = [k - 1 \leqslant T < k].
  • Si P(T>t)=e−λtP(T > t) = e^{-\lambda t} pour t⩾0t \geqslant 0 : 1+⌊T⌋↪G(1−e−λ)1 + \lfloor T\rfloor \hookrightarrow \mathcal{G}(1 - e^{-\lambda}).
  • min⁡(T,c)\min(T, c) : FF de TT avant cc, puis 11 ; saut P(T⩾c)P(T \geqslant c) en cc.
À retenir Maximum et minimum
  • [max⁡⩽x]=⋂[Xi⩽x][\max \leqslant x] = \bigcap[X_i \leqslant x] ; [min⁡>x]=⋂[Xi>x][\min > x] = \bigcap[X_i > x].
  • Indépendantes : Fmax⁡=∏FXiF_{\max} = \prod F_{X_i} ; P(min⁡>x)=∏P(Xi>x)P(\min > x) = \prod P(X_i > x).
  • Même loi : FnF^n et 1−(1−F)n1 - (1 - F)^n.
  • Entiers : P(M=k)=FM(k)−FM(k−1)P(M = k) = F_M(k) - F_M(k - 1).
  • Deux variables : max⁡+min⁡=X1+X2\max + \min = X_1 + X_2.
À retenir Espérance conditionnelle et espérance totale (XX discrète)
  • E(X∣A)E(X \mid A) : espérance de XX pour PAP_A, P(A)≠0P(A) \neq 0 ; E(X∣A)=E(X1A)P(A)E(X \mid A) = \frac{E(X\mathbf{1}_A)}{P(A)}.
  • (An)(A_n) système complet, P(An)≠0P(A_n) \neq 0 : XX admet une espérance si et seulement si chaque E(X∣An)E(X \mid A_n) existe et ∑E(∣X∣∣An)P(An)\sum E(\lvert X\rvert \mid A_n)P(A_n) converge ; alors E(X)=∑E(X∣An)P(An)E(X) = \sum E(X \mid A_n)P(A_n).
  • Système fini : il suffit que chaque E(X∣Ak)E(X \mid A_k) existe.
  • Moyenne pondérée des espérances conditionnelles.
  • Somme aléatoire, NN indépendante des XiX_i : E(X1+⋯+XN)=E(N)E(X1)E(X_1 + \dots + X_N) = E(N)E(X_1).
  • E(X∣Y)E(X \mid Y) comme variable aléatoire : hors programme.
À retenir Indépendance
  • Mutuelle : F(X1,…,Xn)=∏FXiF_{(X_1, \dots, X_n)} = \prod F_{X_i} ; caractérisée par les intervalles (admis) ; discrètes : par les [Xi=xi][X_i = x_i] (admis).
  • Les lois marginales ne déterminent pas la loi du vecteur.
  • Lemme des coalitions (admis) : une fonction de X1,…,XkX_1, \dots, X_k est indépendante d'une fonction de Xk+1,…,XnX_{k+1}, \dots, X_n ; groupes disjoints.
  • Phrase type : « ne dépend que de … ; d'après le lemme des coalitions, … sont indépendantes ».
  • Nier l'indépendance : un couple de valeurs de probabilité conjointe nulle et de marginales non nulles, ou une covariance non nulle.
À retenir Espérances
  • Linéarité, croissance, domination : étendues aux variables quelconques (admis).
  • XX, YY indépendantes ayant une espérance : E(XY)=E(X)E(Y)E(XY) = E(X)E(Y) (admis) ; de même pour nn variables.
  • E(1A1B)=P(A∩B)E(\mathbf{1}_A\mathbf{1}_B) = P(A \cap B).
  • Comptage X=∑1AiX = \sum\mathbf{1}_{A_i} : E(X2)=∑P(Ai)+2∑i<jP(Ai∩Aj)E(X^2) = \sum P(A_i) + 2\sum_{i < j}P(A_i \cap A_j).

Une méthode du chapitre Extrait gratuit

Un exercice corrigé Extrait gratuit

Dans le chapitre complet

Le cours détaillé, toute la fiche « L'essentiel », 17 méthodes, 18 pièges corrigés, la carte mentale, 42 exercices corrigés, 7 problèmes de concours, les fiches à mémoriser et l'assistant qui répond à tes questions. Les trois premiers chapitres de chaque matière sont offerts avec un compte d’essai gratuit.

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Plan du cours

Les méthodes du chapitre

Chaque méthode est une fiche : quand l'utiliser, le rappel de cours, les étapes, la rédaction attendue sur la copie, un exemple traité, les erreurs à éviter.

  1. Exploiter une fonction de répartition
  2. Déterminer la loi d'une variable discrète définie à partir d'une autre
  3. Déterminer la fonction de répartition d'une variable non discrète définie à partir d'une autre
  4. Loi du maximum et du minimum de variables indépendantes
  5. Utiliser des indicatrices
  6. Calculer une espérance conditionnelle
  7. Appliquer la formule de l'espérance totale
  8. Conditionner par une variable discrète, somme d'un nombre aléatoire de termes
  9. Utiliser l'indépendance de variables quelconques
  10. Justifier une indépendance par le lemme des coalitions
  11. Montrer que deux variables ne sont pas indépendantes
  12. Calculer une covariance directement
  13. Calculer une covariance indirectement
  14. Calculer la variance d'une somme
  15. Calculer et interpréter un coefficient de corrélation
  16. Justifier l'existence d'une espérance, espérance d'un produit de variables indépendantes
  17. Simuler une variable définie à partir d'autres et estimer une loi, une espérance conditionnelle ou une covariance

Les exercices corrigés

Chaque exercice a ses indications, sa correction rédigée et ce qu'il faut en retenir.

Application directe (16)

Entraînement (19)

Approfondissement (7)

Les problèmes de concours

Des extraits de sujets réels, corrigés en entier, avec la durée conseillée et les méthodes mobilisées.

Questions fréquentes

Comment lire une probabilité sur une fonction de répartition ?

On écrit l'événement avec ⩽\leqslant ou >> : P(a<X⩽b)=FX(b)−FX(a)P(a < X \leqslant b) = F_X(b) - F_X(a) et P(X>a)=1−FX(a)P(X > a) = 1 - F_X(a). La probabilité d'une valeur aa est la hauteur du saut de FXF_X en aa : P(X=a)=FX(a)−lim⁡x→a−FX(x)P(X = a) = F_X(a) - \lim_{x \to a^-}F_X(x), nulle si FXF_X est continue en aa. Une variable qui n'est pas discrète peut avoir des sauts : min⁡(T,3)\min(T, 3), pour une durée TT, vaut 33 avec la probabilité P(T⩾3)P(T \geqslant 3).

Comment appliquer la formule de l'espérance totale ?

On choisit un système complet (An)(A_n) d'événements de probabilités non nulles, on calcule chaque espérance conditionnelle E(X∣An)E(X \mid A_n), puis la moyenne pondérée E(X)=∑E(X∣An)P(An)E(X) = \sum E(X \mid A_n)P(A_n). Pour un système infini, il faut justifier la convergence de la série ∑E(∣X∣∣An)P(An)\sum E(\lvert X\rvert \mid A_n)P(A_n). Par exemple, avec trois vergers fournissant 50 %50\,\%, 30 %30\,\% et 20 %20\,\% des caisses et des moyennes de 22, 33 et 55 fruits déclassés, E(X)=2,9E(X) = 2{,}9, et non la moyenne simple 3,333{,}33.

Comment obtenir la loi du maximum ou du minimum de variables indépendantes ?

Le maximum est inférieur ou égal à xx si et seulement si toutes les variables le sont, donc Fmax⁡=∏FXiF_{\max} = \prod F_{X_i}. Le minimum dépasse xx si et seulement si toutes le dépassent, donc P(min⁡>x)=∏P(Xi>x)P(\min > x) = \prod P(X_i > x). Pour deux variables géométriques indépendantes de paramètres p1p_1 et p2p_2, P(min⁡>k)=(q1q2)kP(\min > k) = (q_1q_2)^k : le minimum suit la loi géométrique de paramètre 1−q1q21 - q_1q_2, et non q1q2q_1q_2.

À quoi sert le lemme des coalitions ?

Si X1,…,XnX_1, \dots, X_n sont mutuellement indépendantes, toute fonction de X1,…,XkX_1, \dots, X_k est indépendante de toute fonction de Xk+1,…,XnX_{k+1}, \dots, X_n. On le cite dès qu'on a besoin de l'indépendance de variables construites, par exemple dans une récurrence : Sn=X1+⋯+XnS_n = X_1 + \dots + X_n ne dépend que de X1,…,XnX_1, \dots, X_n, donc SnS_n et Xn+1X_{n+1} sont indépendantes. Les deux groupes doivent être disjoints : le lemme ne dit rien de X1+X2X_1 + X_2 et X2+X3X_2 + X_3.

Une covariance nulle implique-t-elle l'indépendance ?

Non. Deux variables indépendantes ont une covariance nulle, mais la réciproque est fausse : avec XX uniforme sur {−1,0,1}\{-1, 0, 1\} et Y=X2Y = X^2, Cov(X,Y)=0\mathrm{Cov}(X, Y) = 0, alors que P([X=0]∩[Y=1])=0≠29P([X = 0] \cap [Y = 1]) = 0 \neq \frac{2}{9}. En revanche, une covariance non nulle prouve que les variables ne sont pas indépendantes. Au Maroc, la covariance est au programme pour des variables discrètes ; en ECG, pour toutes les variables admettant une variance.

Comment calculer la variance d'une somme de variables aléatoires ?

Pour deux variables, V(X+Y)=V(X)+V(Y)+2 Cov(X,Y)V(X + Y) = V(X) + V(Y) + 2\,\mathrm{Cov}(X, Y) ; pour nn variables, on ajoute aux variances le double de toutes les covariances Cov(Xi,Xj)\mathrm{Cov}(X_i, X_j), i<ji < j. Si les variables sont mutuellement indépendantes, il ne reste que la somme des variances. Dans un tirage sans remise, les covariances sont négatives : on les calcule par les indicatrices, avec E(1A1B)=P(A∩B)E(\mathbf{1}_A\mathbf{1}_B) = P(A \cap B).

Comment y accéder

Ce chapitre fait partie de l'accès complet. Les trois premiers chapitres de chaque matière (deux par bloc en économie et droit, en management et gestion) sont offerts avec un compte d'essai gratuit. Créer un compte d'essai ou se connecter. Pour l'accès complet, les tarifs ou une question, écris-nous sur WhatsApp.

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