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.
- 17méthodes
- 42exercices corrigés
- 7problèmes
- 18pièges
- 30figures
Une durée, comme un temps de connexion, n'est pas une variable discrète : sa loi se décrit par sa fonction de répartition , dont chaque saut donne la probabilité d'une valeur. On en tire des variables discrètes, comme , qui suit une loi géométrique quand , et l'on obtient la loi du maximum et du minimum de variables indépendantes par et . La formule de l'espérance totale, , calcule une espérance en découpant l'expérience, avec sa condition d'existence. Le lemme des coalitions justifie l'indépendance de variables construites ; la covariance, , donne la variance d'une somme et le coefficient de corrélation, compris entre et . 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 :
- exploiter une fonction de répartition : probabilités d'intervalles, sauts, nature de la variable ;
- déterminer la loi d'une variable définie à partir d'une autre (partie entière, minimum avec une constante, transformation affine) ;
- trouver la loi du maximum et du minimum de variables indépendantes ;
- calculer une espérance conditionnelle et appliquer la formule de l'espérance totale avec sa condition d'existence ;
- justifier une indépendance par le lemme des coalitions, ou prouver que deux variables ne sont pas indépendantes ;
- calculer une covariance, la variance d'une somme, un coefficient de corrélation, et les interpréter ;
- simuler ces variables en Python et comparer la simulation à la théorie.
L’essentiel du chapitre Extrait gratuit
- : croissante, continue à droite, limites en et en .
- ; .
- = hauteur du saut de en ; .
- continue en : , inégalités larges et strictes équivalentes.
- La fonction de répartition caractérise la loi (admis).
- Traduire ou en un événement sur , puis lire .
- .
- Si pour : .
- : de avant , puis ; saut en .
- ; .
- Indépendantes : ; .
- Même loi : et .
- Entiers : .
- Deux variables : .
- : espérance de pour , ; .
- système complet, : admet une espérance si et seulement si chaque existe et converge ; alors .
- Système fini : il suffit que chaque existe.
- Moyenne pondérée des espérances conditionnelles.
- Somme aléatoire, indépendante des : .
- comme variable aléatoire : hors programme.
- Mutuelle : ; caractérisée par les intervalles (admis) ; discrètes : par les (admis).
- Les lois marginales ne déterminent pas la loi du vecteur.
- Lemme des coalitions (admis) : une fonction de est indépendante d'une fonction de ; 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.
- Linéarité, croissance, domination : étendues aux variables quelconques (admis).
- , indépendantes ayant une espérance : (admis) ; de même pour variables.
- .
- Comptage : .
Une méthode du chapitre Extrait gratuit
L'expérience se découpe en cas (origine d'une pièce, résultat d'une première épreuve) dans lesquels l'espérance de est connue ou facile à calculer.
système complet, : admet une espérance si et seulement si chaque existe et converge ; alors . Pour un système fini, la convergence est automatique.
- Nommer le système complet et vérifier que les probabilités sont non nulles.
- Calculer chaque .
- Justifier l'existence : système fini, ou convergence de la série des (pour positive, c'est la série elle-même), ou existence connue.
- Calculer la somme pondérée ; pour un temps d'attente, conditionner par la première épreuve et résoudre l'équation en .
« est un système complet d'événements de probabilités non nulles, et chaque existe. D'après la formule de l'espérance totale, admet une espérance et . »
On lance un dé équilibré. Sur un , on attend le premier pile d'une pièce équilibrée ; sinon, le premier succès d'épreuves de probabilité . est le rang de ce premier succès. Avec le système : et (lois géométriques), donc .
- Faire la moyenne non pondérée des espérances conditionnelles.
- Utiliser un système qui n'est pas complet, ou contient un événement de probabilité nulle.
- Résoudre sans savoir que existe.
Exercices 9, 10, 21 et 34 ; problèmes 6 et 7.
Un exercice corrigé Extrait gratuit
Une coopérative reçoit des pièces de trois ateliers : la moitié vient de l'atelier , un tiers de l'atelier , le reste de l'atelier . Le nombre de défauts d'une pièce suit, sachant qu'elle vient de l'atelier , la loi de Poisson de paramètre , ou selon que , ou . On note l'événement « la pièce vient de l'atelier ».
- Donner pour .
- Justifier que admet une espérance et la calculer. Comparer à la moyenne des trois espérances conditionnelles.
- Système complet fini : la condition d'existence se réduit à l'existence de chaque .
1. Sous , suit une loi de Poisson, dont l'espérance est son paramètre : , , .
2. est un système complet fini d'événements, de probabilités , , non nulles, et chaque existe. La série de la formule de l'espérance totale n'a qu'un nombre fini de termes : admet une espérance et
La moyenne non pondérée est fausse : elle donne trop de poids à l'atelier , qui ne fournit qu'une pièce sur six.
Dans la formule de l'espérance totale, chaque espérance conditionnelle est pondérée par la probabilité de son événement. Voir la méthode 7.
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.
Ouvrir l'essai gratuitUne question ? WhatsAppPlan du cours
- 0. Rappels de première année
- 0.1 Probabilités sur un univers quelconque
- 0.2 Variable discrète
- 0.3 Espérance, variance, moments
- 0.4 Lois usuelles
- 0.5 Couples de variables discrètes
- 1. Variables aléatoires réelles quelconques
- 1.1 Une durée n'est pas une variable discrète
- 1.2 Fonction de répartition
- 1.3 Loi d'une variable aléatoire
- 1.4 Ni discrète, ni continue
- 1.5 Fonctions d'une variable aléatoire
- 1.6 Opérations sur une famille finie de variables
- 2. Espérance conditionnelle et formule de l'espérance totale
- 2.1 Espérance sachant un événement
- 2.2 La formule de l'espérance totale
- 2.3 Conditionner par une variable discrète
- 2.4 Conditionner par la première épreuve
- 3. Vecteurs aléatoires et indépendance
- 3.1 Loi d'un vecteur aléatoire
- 3.2 Indépendance mutuelle
- 3.3 Le lemme des coalitions
- 3.4 Maximum et minimum de variables indépendantes
- 3.5 Une variable discrète indépendante d'une variable quelconque
- 4. Espérance : propriétés généralisées
- 4.1 Linéarité, croissance, domination
- 4.2 Espérance d'un produit de variables indépendantes
- 4.3 Indicatrices
- 5. Covariance
- 5.1 Définition
- 5.2 Formule de Huygens
- 5.3 Propriétés
- 5.4 Indépendance et covariance
- 5.5 Covariance de deux indicatrices
- 5.6 Covariance de variables quelconques
- 6. Variance d'une somme
- 6.1 Deux variables
- 6.2 Somme de variables
- 6.3 Un comptage sans remise
- 7. Coefficient de corrélation linéaire
- 7.1 Définition
- 7.2 Encadrement
- 7.3 Cas et interprétation
- 7.4 Corrélation de variables quelconques
- 8. Simuler en Python
- 8.1 Une variable définie à partir d'une autre
- 8.2 Fonction de répartition empirique
- 8.3 Estimer une espérance conditionnelle
- 8.4 Estimer une covariance
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.
- Exploiter une fonction de répartition
- Déterminer la loi d'une variable discrète définie à partir d'une autre
- Déterminer la fonction de répartition d'une variable non discrète définie à partir d'une autre
- Loi du maximum et du minimum de variables indépendantes
- Utiliser des indicatrices
- Calculer une espérance conditionnelle
- Appliquer la formule de l'espérance totale
- Conditionner par une variable discrète, somme d'un nombre aléatoire de termes
- Utiliser l'indépendance de variables quelconques
- Justifier une indépendance par le lemme des coalitions
- Montrer que deux variables ne sont pas indépendantes
- Calculer une covariance directement
- Calculer une covariance indirectement
- Calculer la variance d'une somme
- Calculer et interpréter un coefficient de corrélation
- Justifier l'existence d'une espérance, espérance d'un produit de variables indépendantes
- 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)
- Lire une fonction de répartition
- Fonction de répartition ou non
- Partie entière d'une durée
- Partie entière et loi géométrique
- Une durée plafonnée
- Le plus grand de deux dés
- Le premier arrêt de deux machines
- Indicatrices et covariance
- Espérance d'un dé sachant la parité
- Trois ateliers
- Une loi définie par ses queues
- Une durée et une variable géométrique indépendantes
- Coalitions ou non
- Covariance nulle sans indépendance
- Variance d'une combinaison
- Calculer avec la covariance
Entraînement (19)
- Quotient d'une durée par un rang
- Les marginales ne suffisent pas
- Égalité de deux rangs
- Clients et achats
- Le premier succès par la première épreuve
- Mélange de deux lois
- Deux jetons sans remise
- Corrélation d'une somme et d'un produit
- Somme et plus grand chiffre
- Variance d'une loi hypergéométrique par les indicatrices
- Un nombre aléatoire d'épreuves
- Maximum et minimum de deux lois géométriques
- Espérance et variance d'un produit
- Une variable et le maximum
- Succès et échecs
- Simuler une loi géométrique par une durée
- Estimer une covariance par simulation
- Espérance sachant une attente déjà longue
- Covariance de variables quelconques
Approfondissement (7)
- Variance d'une somme aléatoire
- Écart de deux rangs
- L'espérance par les queues
- Comptages de trois catégories
- Composants en série et en parallèle
- Coalitions dans une récurrence
- Existence d'une espérance par domination
Les problèmes de concours
Des extraits de sujets réels, corrigés en entier, avec la durée conseillée et les méthodes mobilisées.
- Le maximum de quatre lancers de dé
- Les deux guichets de la gare
- Deux fournisseurs d'accès à internet
- Une suite de Fibonacci de variables de Poisson
- Fonction génératrice des moments d'une somme
- Retour d'un mobile et espérance totale
- Séries de piles consécutifs
Questions fréquentes
Comment lire une probabilité sur une fonction de répartition ?
On écrit l'événement avec ou : et . La probabilité d'une valeur est la hauteur du saut de en : , nulle si est continue en . Une variable qui n'est pas discrète peut avoir des sauts : , pour une durée , vaut avec la probabilité .
Comment appliquer la formule de l'espérance totale ?
On choisit un système complet d'événements de probabilités non nulles, on calcule chaque espérance conditionnelle , puis la moyenne pondérée . Pour un système infini, il faut justifier la convergence de la série . Par exemple, avec trois vergers fournissant , et des caisses et des moyennes de , et fruits déclassés, , et non la moyenne simple .
Comment obtenir la loi du maximum ou du minimum de variables indépendantes ?
Le maximum est inférieur ou égal à si et seulement si toutes les variables le sont, donc . Le minimum dépasse si et seulement si toutes le dépassent, donc . Pour deux variables géométriques indépendantes de paramètres et , : le minimum suit la loi géométrique de paramètre , et non .
À quoi sert le lemme des coalitions ?
Si sont mutuellement indépendantes, toute fonction de est indépendante de toute fonction de . On le cite dès qu'on a besoin de l'indépendance de variables construites, par exemple dans une récurrence : ne dépend que de , donc et sont indépendantes. Les deux groupes doivent être disjoints : le lemme ne dit rien de et .
Une covariance nulle implique-t-elle l'indépendance ?
Non. Deux variables indépendantes ont une covariance nulle, mais la réciproque est fausse : avec uniforme sur et , , alors que . 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, ; pour variables, on ajoute aux variances le double de toutes les covariances , . 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 .
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.