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Chapitre 16 · Cours écrit

Loi des grands nombres

Une moyenne sur cent mesures est plus fiable qu'une seule mesure, et la fréquence d'une face d'un dé se rapproche de sa probabilité : tu le constates depuis longtemps sur des simulations. Ce chapitre le démontre. Il couronne la partie « Probabilités » de l'année. L'outil est l'inégalité de Bienaymé-Tchebychev, qui fait de l'écart type l'unité naturelle des écarts. Elle conduit à l'inégalité de concentration, puis à la loi des grands nombres.

Leçon 1 : L'inégalité de Bienaymé-Tchebychev

Voir la vidéo de la leçon 1

1.1 L'écart type, unité naturelle d'écart

Soit XX une variable aléatoire d'espérance μ\mu, de variance V(X)V(X) et d'écart type σ\sigma. L'écart type mesure la dispersion de XX autour de μ\mu : c'est l'unité naturelle pour parler des écarts. Par construction, il est naturel d'observer des écarts de XX à μ\mu de l'ordre de σ\sigma, en deçà ou au-delà.

Exemple 1 (une laverie). Dans une laverie automatique, le nombre XX de machines occupées à midi suit la loi suivante.

xx 22 33 44 55 66
P(X=x)P(X = x) 0,10{,}1 0,20{,}2 0,40{,}4 0,20{,}2 0,10{,}1

On trouve μ=2×0,1+3×0,2+4×0,4+5×0,2+6×0,1=4\mu = 2 \times 0{,}1 + 3 \times 0{,}2 + 4 \times 0{,}4 + 5 \times 0{,}2 + 6 \times 0{,}1 = 4, puis V(X)=0,1×4+0,2×1+0,4×0+0,2×1+0,1×4=1,2,V(X) = 0{,}1 \times 4 + 0{,}2 \times 1 + 0{,}4 \times 0 + 0{,}2 \times 1 + 0{,}1 \times 4 = 1{,}2, et σ=1,2≈1,10\sigma = \sqrt{1{,}2} \approx 1{,}10. Un écart de 11 à l'espérance, de l'ordre de σ\sigma, est tout à fait normal : P(X=3 ou X=5)=0,4P(X = 3 \text{ ou } X = 5) = 0{,}4.

1.2 L'inégalité

Propriété (inégalité de Bienaymé-Tchebychev). Pour une variable aléatoire XX d'espérance μ\mu et de variance V(X)V(X), et quel que soit le réel strictement positif δ\delta : P(∣X−μ∣⩾δ)⩽V(X)δ2.P\big(\lvert X - \mu \rvert \geqslant \delta\big) \leqslant \frac{V(X)}{\delta^2}.

L'événement ∣X−μ∣⩾δ\lvert X - \mu \rvert \geqslant \delta signifie que XX tombe loin de μ\mu : X⩽μ−δX \leqslant \mu - \delta ou X⩾μ+δX \geqslant \mu + \delta.

Elle vaut pour toutes les lois, et il suffit de connaître μ\mu et V(X)V(X). On peut donc l'utiliser sans connaître la loi de XX.

Exemple 2 (vérification). Dans la laverie, prenons δ=2\delta = 2. L'événement ∣X−4∣⩾2\lvert X - 4 \rvert \geqslant 2 est réalisé quand X=2X = 2 ou X=6X = 6, donc P(∣X−4∣⩾2)=0,2P\big(\lvert X - 4 \rvert \geqslant 2\big) = 0{,}2. L'inégalité annonce au plus 1,222=0,3\dfrac{1{,}2}{2^2} = 0{,}3 : c'est bien vrai.

Avec δ=1\delta = 1, la borne vaut 1,21{,}2. Elle dépasse 11 : l'inégalité est vraie, mais elle ne dit rien.

1.3 Pourquoi elle est vraie

Cette preuve n'est pas exigible. Elle n'est pas dans la liste des démonstrations du programme, mais elle est courte et elle éclaire le résultat.

On note x1,…,xmx_1, \ldots, x_m les valeurs de XX et p1,…,pmp_1, \ldots, p_m leurs probabilités.

  • La variance est une somme de termes positifs : V(X)=∑ipi (xi−μ)2V(X) = \displaystyle\sum_i p_i\,(x_i - \mu)^2.
  • On retire tous les termes où ∣xi−μ∣<δ\lvert x_i - \mu \rvert < \delta : la somme diminue.
  • Dans les termes qui restent, (xi−μ)2⩾δ2(x_i - \mu)^2 \geqslant \delta^2.

V(X)⩾∑∣xi−μ∣⩾δpi (xi−μ)2⩾∑∣xi−μ∣⩾δpi δ2=δ2 P(∣X−μ∣⩾δ).V(X) \geqslant \sum_{\lvert x_i - \mu \rvert \geqslant \delta} p_i\,(x_i - \mu)^2 \geqslant \sum_{\lvert x_i - \mu \rvert \geqslant \delta} p_i\,\delta^2 = \delta^2\,P\big(\lvert X - \mu \rvert \geqslant \delta\big).

On divise par δ2\delta^2, qui est strictement positif.

1.4 Des écarts mesurés en sigma

Prenons δ=kσ\delta = k\sigma, avec k>0k > 0 (et σ>0\sigma > 0). La borne devient σ2k2σ2=1k2\dfrac{\sigma^2}{k^2\sigma^2} = \dfrac{1}{k^2} : P(∣X−μ∣⩾kσ)⩽1k2.P\big(\lvert X - \mu \rvert \geqslant k\sigma\big) \leqslant \frac{1}{k^2}.

kk 11 22 33 55
Probabilité au plus 11 14\dfrac14 19\dfrac19 125\dfrac{1}{25}

Pour k=1k = 1, la borne ne dit rien : un écart de l'ordre de σ\sigma n'a rien d'étonnant. En revanche, des écarts de quelques σ\sigma deviennent improbables.

Exemple 3 (la piscine). Une piscine municipale accueille chaque mercredi un nombre XX de nageurs, d'espérance 200200 et d'écart type 1515. On ne connaît pas la loi de XX. Une journée à 260260 nageurs ou plus est-elle rare ?

On a V(X)=225V(X) = 225, et 260−200=60=4σ260 - 200 = 60 = 4\sigma. Si X⩾260X \geqslant 260, alors ∣X−200∣⩾60\lvert X - 200 \rvert \geqslant 60. Donc P(X⩾260)⩽P(∣X−200∣⩾60)⩽225602=116=0,0625.P(X \geqslant 260) \leqslant P\big(\lvert X - 200 \rvert \geqslant 60\big) \leqslant \frac{225}{60^2} = \frac{1}{16} = 0{,}0625.

1.5 Un peu d'histoire

Le mathématicien français Bienaymé (en 1853, publication en 1867) et le mathématicien russe Tchebychev (en 1867) démontrent l'inégalité qui porte leur nom, en parlant de fréquences d'échantillons plutôt que de variables aléatoires.

Leçon 2 : Appliquer l'inégalité, et voir ses limites

Voir la vidéo de la leçon 2

2.1 L'événement contraire

L'événement contraire de ∣X−μ∣⩾δ\lvert X - \mu \rvert \geqslant \delta est ∣X−μ∣<δ\lvert X - \mu \rvert < \delta, c'est-à-dire μ−δ<X<μ+δ\mu - \delta < X < \mu + \delta. On en déduit : P(μ−δ<X<μ+δ)=P(∣X−μ∣<δ)⩾1−V(X)δ2.P\big(\mu - \delta < X < \mu + \delta\big) = P\big(\lvert X - \mu \rvert < \delta\big) \geqslant 1 - \frac{V(X)}{\delta^2}.

2.2 Avec une loi binomiale

Exemple 4 (le bus). Dans une commune, un habitant sur quatre prend le bus chaque matin. On interroge 400400 habitants au hasard, ce que l'on assimile à un tirage avec remise. Le nombre XX de personnes qui prennent le bus suit la loi B(400 ;0,25)\mathcal{B}(400\,;0{,}25). D'après le chapitre 15, μ=400×0,25=100\mu = 400 \times 0{,}25 = 100 et V(X)=100×0,75=75V(X) = 100 \times 0{,}75 = 75.

Avec δ=20\delta = 20 : P(80<X<120)=P(∣X−100∣<20)⩾1−75400=0,8125.P(80 < X < 120) = P\big(\lvert X - 100 \rvert < 20\big) \geqslant 1 - \frac{75}{400} = 0{,}8125.

2.3 Un intervalle non centré, une seule borne

L'inégalité porte sur un intervalle centré en μ\mu. Sinon, on se ramène à un intervalle centré.

Exemple 5 (intervalle non centré). Toujours avec μ=100\mu = 100 et V(X)=75V(X) = 75, minorons P(85<X<120)P(85 < X < 120). L'intervalle ]85 ;115[]85\,;115[ est centré en 100100 et contenu dans ]85 ;120[]85\,;120[. Donc P(85<X<120)⩾P(∣X−100∣<15)⩾1−75152=23.P(85 < X < 120) \geqslant P\big(\lvert X - 100 \rvert < 15\big) \geqslant 1 - \frac{75}{15^2} = \frac23.

Avec une seule borne. Si X⩾120X \geqslant 120, alors ∣X−100∣⩾20\lvert X - 100 \rvert \geqslant 20. Donc P(X⩾120)⩽P(∣X−100∣⩾20)⩽75400=0,1875.P(X \geqslant 120) \leqslant P\big(\lvert X - 100 \rvert \geqslant 20\big) \leqslant \frac{75}{400} = 0{,}1875.

2.4 Une inégalité loin d'être optimale

Pour l'exemple 4, le calcul exact avec la loi binomiale donne P(80<X<120)≈0,976P(80 < X < 120) \approx 0{,}976, alors que l'inégalité garantit 0,81250{,}8125.

L'écart de 2σ2\sigma est encore plus parlant. Pour tout XX, l'inégalité donne P(∣X−μ∣⩾2σ)⩽14P\big(\lvert X - \mu \rvert \geqslant 2\sigma\big) \leqslant \dfrac14. Or, sur des lois usuelles, la vraie probabilité est bien plus petite :

Loi de XX B(400 ;0,25)\mathcal{B}(400\,;0{,}25) B(100 ;0,5)\mathcal{B}(100\,;0{,}5) B(20 ;0,1)\mathcal{B}(20\,;0{,}1) Un dé
P(∣X−μ∣⩾2σ)P\big(\lvert X - \mu \rvert \geqslant 2\sigma\big) ≈0,043\approx 0{,}043 ≈0,057\approx 0{,}057 ≈0,043\approx 0{,}043 00
Borne 0,250{,}25 0,250{,}25 0,250{,}25 0,250{,}25

C'est ce que montraient les simulations de Première : la proportion des cas où l'écart dépasse 2σ2\sigma tourne souvent autour de 0,050{,}05.

L'inégalité est donc loin d'être optimale. C'est la contrepartie de son caractère universel : elle vaut pour toutes les lois, y compris les plus défavorables (l'exercice 4 en donne une, où elle devient une égalité).

2.5 Pourquoi on la garde

  • Elle s'applique sans connaître la loi, avec seulement μ\mu et V(X)V(X).
  • Elle donne une garantie : une borne trop large reste une borne. C'est un raisonnement par condition suffisante, qui servira à choisir la taille d'un échantillon.
  • Elle permet de démontrer la loi des grands nombres.

Leçon 3 : L'inégalité de concentration

Voir la vidéo de la leçon 3

3.1 Rappels du chapitre 15

Soit XX une variable aléatoire d'espérance μ\mu et de variance VV. Un échantillon de taille nn de sa loi est une liste (X1,…,Xn)(X_1, \ldots, X_n) de variables indépendantes, de même loi que XX. On note Sn=X1+⋯+XnS_n = X_1 + \cdots + X_n et Mn=SnnM_n = \dfrac{S_n}{n}. Alors : E(Mn)=μ,V(Mn)=Vn,σ(Mn)=σn.E(M_n) = \mu, \qquad V(M_n) = \frac{V}{n}, \qquad \sigma(M_n) = \frac{\sigma}{\sqrt{n}}.

3.2 L'inégalité de concentration

Propriété (inégalité de concentration). Si MnM_n est la variable aléatoire moyenne d'un échantillon de taille nn d'une variable aléatoire d'espérance μ\mu et de variance VV, alors pour tout δ>0\delta > 0 : P(∣Mn−μ∣⩾δ)⩽Vn δ2.P\big(\lvert M_n - \mu \rvert \geqslant \delta\big) \leqslant \frac{V}{n\,\delta^2}.

Démonstration. On applique l'inégalité de Bienaymé-Tchebychev à la variable MnM_n, d'espérance μ\mu et de variance Vn\dfrac{V}{n} : P(∣Mn−μ∣⩾δ)⩽V(Mn)δ2=V/nδ2=Vn δ2.P\big(\lvert M_n - \mu \rvert \geqslant \delta\big) \leqslant \frac{V(M_n)}{\delta^2} = \frac{V/n}{\delta^2} = \frac{V}{n\,\delta^2}.

Plus l'échantillon est grand, plus il est improbable que la moyenne s'écarte de μ\mu.

Exemple 6 (des clémentines). La masse XX d'une clémentine, en grammes, suit la loi suivante.

xx 6060 7070 8080 9090
P(X=x)P(X = x) 0,20{,}2 0,40{,}4 0,30{,}3 0,10{,}1

On trouve μ=73\mu = 73, V=0,2×169+0,4×9+0,3×49+0,1×289=81V = 0{,}2 \times 169 + 0{,}4 \times 9 + 0{,}3 \times 49 + 0{,}1 \times 289 = 81 et σ=9\sigma = 9.

On pèse 100100 clémentines, qui forment un échantillon de cette loi. Avec δ=3\delta = 3 : P(∣M100−73∣⩾3)⩽81100×32=81900=0,09.P\big(\lvert M_{100} - 73 \rvert \geqslant 3\big) \leqslant \frac{81}{100 \times 3^2} = \frac{81}{900} = 0{,}09. Pour une seule clémentine (n=1n = 1), la borne vaudrait 819=9\dfrac{81}{9} = 9, et elle ne dirait rien.

3.3 Somme ou moyenne

Comme Sn=n MnS_n = n\,M_n, les événements ∣Sn−nμ∣⩾nδ\lvert S_n - n\mu \rvert \geqslant n\delta et ∣Mn−μ∣⩾δ\lvert M_n - \mu \rvert \geqslant \delta sont le même événement. Pour une question sur une somme, on se ramène donc à la moyenne.

Exemple 7 (la masse totale). E(S100)=7 300E(S_{100}) = 7\,300, et P(∣S100−7 300∣⩾300)=P(∣M100−73∣⩾3)⩽0,09.P\big(\lvert S_{100} - 7\,300 \rvert \geqslant 300\big) = P\big(\lvert M_{100} - 73 \rvert \geqslant 3\big) \leqslant 0{,}09.

3.4 Le facteur 1/n1/\sqrt{n}

Prenons δ=kσn\delta = \dfrac{k\sigma}{\sqrt{n}} avec k>0k > 0. Alors Vn δ2=σ2n×nk2σ2=1k2\dfrac{V}{n\,\delta^2} = \dfrac{\sigma^2}{n} \times \dfrac{n}{k^2\sigma^2} = \dfrac{1}{k^2} : P(∣Mn−μ∣⩾kσn)⩽1k2.P\Big(\lvert M_n - \mu \rvert \geqslant \frac{k\sigma}{\sqrt{n}}\Big) \leqslant \frac{1}{k^2}.

La borne ne dépend plus de nn. Pour un même risque, la largeur de l'intervalle autour de μ\mu est proportionnelle à 1n\dfrac{1}{\sqrt{n}} : quand nn est multiplié par 44, la largeur est divisée par 22. C'est le facteur 1/n1/\sqrt{n} de la théorie de l'estimation, aperçu expérimentalement en classe de Seconde.

Pour les clémentines, avec k=2k = 2, la demi-largeur vaut 18n\dfrac{18}{\sqrt{n}} grammes :

nn 11 44 1616 6464 256256
Demi-largeur (g) 1818 99 4,54{,}5 2,252{,}25 1,1251{,}125

Leçon 4 : Choisir la taille d'un échantillon

Voir la vidéo de la leçon 4

4.1 La méthode

On fixe deux nombres : la précision δ\delta, l'écart à μ\mu que l'on accepte, et le risque α\alpha, la probabilité que l'on accepte de dépasser cet écart. On cherche nn tel que P(∣Mn−μ∣⩾δ)⩽αP\big(\lvert M_n - \mu \rvert \geqslant \delta\big) \leqslant \alpha.

D'après l'inégalité de concentration, il suffit que Vn δ2⩽α\dfrac{V}{n\,\delta^2} \leqslant \alpha, c'est-à-dire n⩾Vα δ2.n \geqslant \frac{V}{\alpha\,\delta^2}.

Comme nn est un entier, on arrondit à l'entier supérieur.

Exemple 8 (retour aux clémentines). On veut la masse moyenne à 22 grammes près, avec un risque d'au plus 5 %5\,\%. Avec V=81V = 81, δ=2\delta = 2, α=0,05\alpha = 0{,}05 : n⩾810,05×22=810,2=405.n \geqslant \frac{81}{0{,}05 \times 2^2} = \frac{81}{0{,}2} = 405. Il suffit de peser 405405 clémentines.

4.2 Un sondage

On veut estimer une proportion pp inconnue. La personne numéro ii donne une variable XiX_i de Bernoulli de paramètre pp, qui vaut 11 si elle répond oui et 00 sinon. On assimile le choix des personnes à un tirage avec remise. Alors MnM_n est la fréquence FnF_n des réponses oui, avec E(Xi)=pE(X_i) = p et V=p(1−p)V = p(1 - p).

La variance dépend de pp, justement inconnu. Mais pour tout pp de [0 ;1][0\,;1], on a p(1−p)⩽14p(1 - p) \leqslant \dfrac14 (maximum atteint pour p=12p = \dfrac12, chapitre 15). Donc P(∣Fn−p∣⩾δ)⩽p(1−p)n δ2⩽14n δ2.P\big(\lvert F_n - p \rvert \geqslant \delta\big) \leqslant \frac{p(1 - p)}{n\,\delta^2} \leqslant \frac{1}{4n\,\delta^2}.

Il suffit alors que n⩾14α δ2n \geqslant \dfrac{1}{4\alpha\,\delta^2}.

Exemple 9 (une piste cyclable). Une mairie veut connaître la part pp d'habitants favorables à une nouvelle piste cyclable, avec une précision de 0,030{,}03 (trois points) et un risque d'au plus 5 %5\,\% : n⩾14×0,05×0,032≈5 555,6.n \geqslant \frac{1}{4 \times 0{,}05 \times 0{,}03^2} \approx 5\,555{,}6. Il suffit d'interroger 5 5565\,556 personnes.

4.3 Une condition suffisante, pas nécessaire

Ce nombre suffit, mais il n'est pas nécessaire. Si p=0,5p = 0{,}5, le calcul exact avec la loi binomiale donne P(∣F1 068−0,5∣⩾0,03)≈0,047P\big(\lvert F_{1\,068} - 0{,}5 \rvert \geqslant 0{,}03\big) \approx 0{,}047 : 1 0681\,068 personnes suffisent déjà. L'inégalité n'est pas optimale.

C'est un raisonnement par condition suffisante : on ne cherche pas la plus petite taille, on cherche une taille qui convient à coup sûr, quel que soit pp.

4.4 Précision, risque et taille

Comme nn est proportionnel à 1α δ2\dfrac{1}{\alpha\,\delta^2} :

  • si on divise la précision δ\delta par 22, la taille est multipliée par 44 ;
  • si on divise le risque α\alpha par 22, la taille est multipliée par 22.
Précision δ\delta Risque α\alpha n⩾14α δ2n \geqslant \dfrac{1}{4\alpha\,\delta^2}
0,050{,}05 0,050{,}05 2 0002\,000
0,0250{,}025 0,050{,}05 8 0008\,000
0,050{,}05 0,0250{,}025 4 0004\,000

Si la taille est imposée, on inverse le calcul. Pour n=1 000n = 1\,000 et δ=0,05\delta = 0{,}05, la borne vaut 14×1 000×0,052=0,1\dfrac{1}{4 \times 1\,000 \times 0{,}05^2} = 0{,}1. Pour n=1 000n = 1\,000 et α=0,05\alpha = 0{,}05, il faut δ⩾14nα=0,005≈0,071\delta \geqslant \sqrt{\dfrac{1}{4n\alpha}} = \sqrt{0{,}005} \approx 0{,}071.

Leçon 5 : La loi des grands nombres

Voir la vidéo de la leçon 5

5.1 L'énoncé

Théorème (loi des grands nombres). Soit MnM_n la moyenne d'un échantillon de taille nn d'une variable aléatoire d'espérance μ\mu. Pour tout réel δ>0\delta > 0 : lim⁡n→+∞P(∣Mn−μ∣⩾δ)=0.\lim_{n \to +\infty} P\big(\lvert M_n - \mu \rvert \geqslant \delta\big) = 0.

L'écart entre la moyenne de l'échantillon et l'espérance ne dépasse une valeur donnée à l'avance qu'avec une probabilité qui tend vers zéro quand la taille de l'échantillon tend vers l'infini.

5.2 La démonstration

Soit δ>0\delta > 0. Pour tout entier n⩾1n \geqslant 1, une probabilité étant positive, l'inégalité de concentration donne 0⩽P(∣Mn−μ∣⩾δ)⩽Vn δ2.0 \leqslant P\big(\lvert M_n - \mu \rvert \geqslant \delta\big) \leqslant \frac{V}{n\,\delta^2}. Le nombre Vδ2\dfrac{V}{\delta^2} est une constante et lim⁡n→+∞1n=0\displaystyle\lim_{n \to +\infty} \frac1n = 0, donc lim⁡n→+∞Vn δ2=0\displaystyle\lim_{n \to +\infty} \frac{V}{n\,\delta^2} = 0. D'après le théorème des gendarmes (chapitre 2), lim⁡n→+∞P(∣Mn−μ∣⩾δ)=0\displaystyle\lim_{n \to +\infty} P\big(\lvert M_n - \mu \rvert \geqslant \delta\big) = 0.

5.3 Fréquence et probabilité

Pour une épreuve de Bernoulli de paramètre pp, MnM_n est la fréquence FnF_n du succès en nn épreuves, et μ=p\mu = p. La loi des grands nombres dit que, pour tout δ>0\delta > 0, P(∣Fn−p∣⩾δ)P\big(\lvert F_n - p \rvert \geqslant \delta\big) tend vers 00. Elle relie la fréquence et la probabilité.

Exemple 10 (un dé). On lance un dé équilibré, et XX vaut 11 si on obtient six, 00 sinon : μ=16\mu = \dfrac16 et V=16×56=536V = \dfrac16 \times \dfrac56 = \dfrac{5}{36}. Avec δ=0,05\delta = 0{,}05, la borne vaut 5/36n×0,052\dfrac{5/36}{n \times 0{,}05^2} :

nn 100100 1 0001\,000 10 00010\,000
Borne ≈0,556\approx 0{,}556 ≈0,056\approx 0{,}056 ≈0,0056\approx 0{,}0056

5.4 Ce qu'elle ne dit pas

  • Le hasard ne compense pas. Après cinq lancers sans six, la probabilité d'obtenir six au lancer suivant vaut toujours 16\dfrac16, car les lancers sont indépendants. La moyenne se rapproche de μ\mu parce que les anciens résultats pèsent de moins en moins, pas parce qu'ils sont corrigés.
  • La somme ne se concentre pas. C'est MnM_n qui se rapproche de μ\mu. L'écart ∣Sn−nμ∣\lvert S_n - n\mu \rvert, lui, peut grandir : σ(Sn)=n σ\sigma(S_n) = \sqrt{n}\,\sigma (voir la marche aléatoire, leçon 7).
  • Elle ne dit pas que Mn=μM_n = \mu pour nn grand : elle parle d'une probabilité d'écart, qui tend vers 00.

5.5 Un peu d'histoire

La parution de l'Ars Conjectandi de Jacques Bernoulli (1713) marque une rupture dans l'histoire des probabilités. Un résultat majeur de cet ouvrage est son « théorème d'or », la loi des grands nombres, qui relie fréquences et probabilité, valide le principe de l'échantillonnage et est le premier exemple de « théorème limite » en théorie des probabilités. En démontrant leur inégalité, Bienaymé et Tchebychev fournissent la possibilité d'une démonstration plus simple : c'est celle de cette leçon.

L'introduction de méthodes statistiques en sociologie est l'œuvre du mathématicien et astronome belge Quételet, dans les années 1830.

5.6 Pour aller plus loin : des ordres de grandeur

Approfondissement possible du programme, non exigible. La borne 14n δ2\dfrac{1}{4n\,\delta^2} vaut pour toute fréquence.

Situation Taille nn Écart δ\delta Borne
Sondage 1 0001\,000 0,050{,}05 0,10{,}1
Naissances (part des filles) 10610^{6} 0,010{,}01 0,00250{,}0025
Atomes radioactifs (part des atomes désintégrés au bout d'une demi-vie, p=12p = \frac12) 102310^{23} 10−910^{-9} 2,5×10−62{,}5 \times 10^{-6}

À l'échelle de 102310^{23} atomes, le hasard est invisible.

Leçon 6 : Simuler des échantillons avec Python

Voir la vidéo de la leçon 6

6.1 Simuler un échantillon

Ce programme reprend les listes vues en Première, sans notion nouvelle. En langage naturel, on écrirait « ← » pour l'affectation.

On reprend la loi des clémentines. Dans une liste de dix valeurs, chaque masse apparaît autant de fois que le demande sa probabilité. Tirer un indice au hasard entre 00 et 99 donne donc chaque masse avec la bonne probabilité.

from random import randint
from math import sqrt

urne = [60, 60, 70, 70, 70, 70, 80, 80, 80, 90]

def moyenne(n):
    ech = [urne[randint(0, 9)] for i in range(n)]
    return sum(ech) / n

def moyennes(N, n):
    return [moyenne(n) for i in range(N)]

6.2 L'écart type des moyennes

def ecart_type(L):
    m = sum(L) / len(L)
    return sqrt(sum([(x - m)**2 for x in L]) / len(L))

Une exécution avec N=1 000N = 1\,000 et n=100n = 100 a donné s≈0,89s \approx 0{,}89. La théorie annonce σn=910=0,9\dfrac{\sigma}{\sqrt{n}} = \dfrac{9}{10} = 0{,}9. L'accord est excellent.

6.3 La proportion des moyennes proches de μ\mu

def proportion(L, mu, e):
    proches = [m for m in L if abs(m - mu) <= e]
    return len(proches) / len(L)

La même exécution a donné :

kk 11 22 33
Proportion, écart ⩽k s\leqslant k\,s 0,6640{,}664 0,9540{,}954 0,9960{,}996
Proportion, écart ⩽k σn\leqslant k\,\dfrac{\sigma}{\sqrt{n}} 0,6640{,}664 0,9640{,}964 0,9960{,}996
Garantie 1−1k21 - \dfrac{1}{k^2} 00 0,750{,}75 ≈0,889\approx 0{,}889

La garantie vient de la leçon 3 : P(∣Mn−μ∣<kσn)⩾1−1k2P\Big(\lvert M_n - \mu \rvert < \dfrac{k\sigma}{\sqrt{n}}\Big) \geqslant 1 - \dfrac{1}{k^2}. Elle est respectée, et loin d'être optimale. On retrouve le constat de Première : environ 95 %95\,\% des moyennes sont à moins de 2σn\dfrac{2\sigma}{\sqrt{n}} de μ\mu.

Chaque exécution donne d'autres valeurs : ces résultats ne sont pas exacts, seule leur allure compte.

Leçon 7 : Loi binomiale et marche aléatoire en Python

Voir la vidéo de la leçon 7

7.1 Calculer la vraie probabilité

Soit SnS_n une variable de loi B(n,p)\mathcal{B}(n, p) : E(Sn)=pnE(S_n) = pn et V(Sn)=np(1−p)V(S_n) = np(1 - p). L'inégalité de Bienaymé-Tchebychev, avec δ=n\delta = \sqrt{n}, donne P(∣Sn−pn∣⩾n)⩽np(1−p)n=p(1−p).P\big(\lvert S_n - pn \rvert \geqslant \sqrt{n}\big) \leqslant \frac{np(1 - p)}{n} = p(1 - p). Un écart strictement supérieur à n\sqrt{n} est aussi un écart supérieur ou égal, donc P(∣Sn−pn∣>n)⩽p(1−p)P\big(\lvert S_n - pn \rvert > \sqrt{n}\big) \leqslant p(1 - p). La borne ne dépend pas de nn.

La fonction suivante calcule la vraie probabilité, en additionnant les P(Sn=k)P(S_n = k) pour les kk concernés.

from math import comb, sqrt

def proba_ecart(n, p):
    total = 0
    for k in range(n + 1):
        if abs(k - p * n) > sqrt(n):
            total = total + comb(n, k) * p**k * (1 - p)**(n - k)
    return total
nn 2525 100100 400400 1 0001\,000 Borne
p=0,5p = 0{,}5 0,04330{,}0433 0,03520{,}0352 0,04020{,}0402 0,04630{,}0463 0,250{,}25
p=0,1p = 0{,}1 0,00230{,}0023 0,00080{,}0008 0,00070{,}0007 0,00090{,}0009 0,090{,}09

7.2 Une marche aléatoire

Un pion part de 00 sur une droite graduée. À chaque étape, il avance ou recule d'une case, avec la probabilité 12\dfrac12. On note XiX_i son déplacement à l'étape ii : Xi=1X_i = 1 ou Xi=−1X_i = -1. Alors E(Xi)=0E(X_i) = 0 et V(Xi)=1V(X_i) = 1.

La position après nn étapes est Sn=X1+⋯+XnS_n = X_1 + \cdots + X_n. Les étapes étant indépendantes : E(Sn)=0,V(Sn)=n,σ(Sn)=n.E(S_n) = 0, \qquad V(S_n) = n, \qquad \sigma(S_n) = \sqrt{n}.

from random import random

def marche(n):
    x = 0
    positions = [0]
    for i in range(n):
        if random() < 0.5:
            x = x + 1
        else:
            x = x - 1
        positions.append(x)
    return positions

L'inégalité de Bienaymé-Tchebychev donne, pour chaque nn : P(∣Sn∣⩾2n)⩽14P\big(\lvert S_n \rvert \geqslant 2\sqrt{n}\big) \leqslant \dfrac14.

7.3 La somme et la moyenne

La loi des grands nombres dit que Mn=SnnM_n = \dfrac{S_n}{n} se rapproche de 00 : le déplacement moyen par étape devient négligeable. Pourtant, la position SnS_n ne reste pas proche de 00 : son écart type n\sqrt{n} grandit. La moyenne se concentre, la somme s'étale.

Pour n=400n = 400 : P(∣S400∣⩾40)≈0,051P\big(\lvert S_{400} \rvert \geqslant 40\big) \approx 0{,}051. Sur une simulation de 1 0001\,000 marches, on a observé une proportion de 0,0590{,}059. La borne vaut 0,250{,}25.

Ce qu'il faut retenir du chapitre

  1. Bienaymé-Tchebychev : pour tout δ>0\delta > 0, P(∣X−μ∣⩾δ)⩽V(X)δ2P\big(\lvert X - \mu \rvert \geqslant \delta\big) \leqslant \dfrac{V(X)}{\delta^2}. Elle vaut pour toutes les lois. L'écart type est l'unité naturelle : P(∣X−μ∣⩾kσ)⩽1k2P\big(\lvert X - \mu \rvert \geqslant k\sigma\big) \leqslant \dfrac{1}{k^2}.
  2. Événement contraire : P(μ−δ<X<μ+δ)⩾1−V(X)δ2P\big(\mu - \delta < X < \mu + \delta\big) \geqslant 1 - \dfrac{V(X)}{\delta^2}. Pour un intervalle non centré, on se ramène à un intervalle centré en μ\mu, contenu dans le premier.
  3. Pas optimale : un écart d'au moins 2σ2\sigma a une probabilité d'au plus 14\dfrac14, et souvent proche de 0,050{,}05 en réalité. Une borne qui dépasse 11 ne dit rien.
  4. Concentration : P(∣Mn−μ∣⩾δ)⩽Vn δ2P\big(\lvert M_n - \mu \rvert \geqslant \delta\big) \leqslant \dfrac{V}{n\,\delta^2}. C'est Bienaymé-Tchebychev appliquée à MnM_n.
  5. Taille d'échantillon : il suffit que n⩾Vα δ2n \geqslant \dfrac{V}{\alpha\,\delta^2}. Pour une fréquence, p(1−p)⩽14p(1 - p) \leqslant \dfrac14 donne n⩾14α δ2n \geqslant \dfrac{1}{4\alpha\,\delta^2}. C'est une condition suffisante, pas nécessaire.
  6. Loi des grands nombres : pour tout δ>0\delta > 0, lim⁡n→+∞P(∣Mn−μ∣⩾δ)=0\displaystyle\lim_{n \to +\infty} P\big(\lvert M_n - \mu \rvert \geqslant \delta\big) = 0. Elle se démontre avec l'inégalité de concentration et le théorème des gendarmes.
  7. Attention : le hasard ne compense rien, et c'est la moyenne qui se concentre, pas la somme.
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