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Chapitre 15 · Cours écrit

Sommes de variables aléatoires

Un gain total à deux jeux, un ticket de caisse, un nombre de succès, une note moyenne : beaucoup de grandeurs aléatoires sont des sommes. Dans ce chapitre, on apprend à calculer l'espérance et la variance d'une somme, souvent sans connaître sa loi. On en déduit l'espérance et la variance de la loi binomiale, annoncées au chapitre 11, puis celles de la moyenne d'un échantillon, qui prépare le chapitre 16.

Leçon 1 : Somme de deux variables aléatoires, linéarité de l'espérance

Voir la vidéo de la leçon 1

1.1 Rappels de Première

Une variable aléatoire XX associe un nombre réel à chaque issue d'une expérience aléatoire. Sa loi donne les probabilités pi=P(X=xi)p_i = P(X = x_i) de ses valeurs x1,…,xmx_1, \ldots, x_m.

  • Espérance : E(X)=∑ipi xiE(X) = \displaystyle\sum_i p_i\,x_i. C'est la moyenne des valeurs, pondérée par les probabilités.
  • Variance : V(X)=∑ipi (xi−E(X))2V(X) = \displaystyle\sum_i p_i\,\big(x_i - E(X)\big)^2. C'est la moyenne pondérée des carrés des écarts à l'espérance.
  • Écart type : σ(X)=V(X)\sigma(X) = \sqrt{V(X)}. Il mesure la dispersion de XX autour de E(X)E(X), dans la même unité que XX.

1.2 Somme de deux variables : un exemple

Exemple 1 (deux roues de loterie). Au marché de Noël, un stand propose deux roues. La première fait gagner 00, 22 ou 44 euros, la seconde 00 ou 55 euros. On note XX le gain à la première roue, YY le gain à la seconde, et S=X+YS = X + Y le gain total.

xx 00 22 44
P(X=x)P(X = x) 0,50{,}5 0,30{,}3 0,20{,}2
yy 00 55
P(Y=y)P(Y = y) 0,80{,}8 0,20{,}2

Les deux roues tournent séparément : ce sont deux épreuves indépendantes (chapitre 11), et la probabilité d'une issue est le produit des probabilités. Le tableau suivant donne, pour chaque issue, la valeur de SS et sa probabilité.

y=0y = 0 y=5y = 5
x=0x = 0 S=0S = 0 ; 0,40{,}4 S=5S = 5 ; 0,10{,}1
x=2x = 2 S=2S = 2 ; 0,240{,}24 S=7S = 7 ; 0,060{,}06
x=4x = 4 S=4S = 4 ; 0,160{,}16 S=9S = 9 ; 0,040{,}04

On en déduit la loi de SS :

ss 00 22 44 55 77 99
P(S=s)P(S = s) 0,40{,}4 0,240{,}24 0,160{,}16 0,10{,}1 0,060{,}06 0,040{,}04

Calculons trois espérances :

  • à partir de la loi de SS : E(S)=0×0,4+2×0,24+4×0,16+5×0,1+7×0,06+9×0,04=2,4E(S) = 0 \times 0{,}4 + 2 \times 0{,}24 + 4 \times 0{,}16 + 5 \times 0{,}1 + 7 \times 0{,}06 + 9 \times 0{,}04 = 2{,}4 ;
  • E(X)=0×0,5+2×0,3+4×0,2=1,4E(X) = 0 \times 0{,}5 + 2 \times 0{,}3 + 4 \times 0{,}2 = 1{,}4 ;
  • E(Y)=0×0,8+5×0,2=1E(Y) = 0 \times 0{,}8 + 5 \times 0{,}2 = 1.

On constate que E(S)=E(X)+E(Y)E(S) = E(X) + E(Y).

1.3 Pourquoi l'espérance d'une somme est la somme des espérances

On écrit l'espérance comme une moyenne pondérée sur l'ensemble des issues : c'est le même calcul, avant de regrouper les issues qui donnent la même valeur.

E(S)=∑issuesP(issue)×(x+y)=∑issuesP(issue)×x+∑issuesP(issue)×y.E(S) = \sum_{\text{issues}} P(\text{issue}) \times (x + y) = \sum_{\text{issues}} P(\text{issue}) \times x + \sum_{\text{issues}} P(\text{issue}) \times y.

Dans l'exemple 1, on regroupe dans la première somme les issues où XX prend une même valeur : 0,24×2+0,06×2+0,16×4+0,04×4=2×0,3+4×0,2=E(X).0{,}24 \times 2 + 0{,}06 \times 2 + 0{,}16 \times 4 + 0{,}04 \times 4 = 2 \times 0{,}3 + 4 \times 0{,}2 = E(X). De même, dans la seconde somme : 0,1×5+0,06×5+0,04×5=5×0,2=E(Y).0{,}1 \times 5 + 0{,}06 \times 5 + 0{,}04 \times 5 = 5 \times 0{,}2 = E(Y).

Ce raisonnement n'utilise pas l'indépendance des deux roues. On admet qu'il se généralise.

Propriété (linéarité de l'espérance). Pour toutes variables aléatoires XX et YY définies sur un même univers, et pour tout réel aa : E(X+Y)=E(X)+E(Y)etE(aX)=a E(X).E(X + Y) = E(X) + E(Y) \qquad \text{et} \qquad E(aX) = a\,E(X).

Pour la seconde égalité, le nombre aa se met simplement en facteur : ∑ipi (a xi)=a∑ipi xi\sum_i p_i\,(a\,x_i) = a \sum_i p_i\,x_i.

Remarques.

  • La linéarité vaut pour des variables quelconques, indépendantes ou non.
  • Elle s'étend à plusieurs variables : E(X1+X2+⋯+Xn)=E(X1)+E(X2)+⋯+E(Xn)E(X_1 + X_2 + \cdots + X_n) = E(X_1) + E(X_2) + \cdots + E(X_n).
  • En particulier, E(X−Y)=E(X)−E(Y)E(X - Y) = E(X) - E(Y).

1.4 La force de la linéarité : une espérance sans la loi

Exemple 2 (un camion-restaurant). Dans un camion-restaurant, un client paie un plat, à 99 ou 1212 euros, et parfois un dessert à 44 euros. On note XX le prix du plat et YY le prix du dessert (00 s'il n'en prend pas) :

xx 99 1212
P(X=x)P(X = x) 0,70{,}7 0,30{,}3
yy 00 44
P(Y=y)P(Y = y) 0,40{,}4 0,60{,}6

Les deux choix ne sont pas indépendants, et l'on ne connaît pas la loi du ticket T=X+YT = X + Y. Pourtant, E(X)=9×0,7+12×0,3=9,9E(X) = 9 \times 0{,}7 + 12 \times 0{,}3 = 9{,}9 et E(Y)=4×0,6=2,4E(Y) = 4 \times 0{,}6 = 2{,}4, donc, par linéarité, E(T)=9,9+2,4=12,3.E(T) = 9{,}9 + 2{,}4 = 12{,}3. Le ticket moyen est de 12,3012{,}30 euros. Pour 8080 clients, on attend une recette de 80×12,3=98480 \times 12{,}3 = 984 euros.

Leçon 2 : Espérance et variance de aX + b

Voir la vidéo de la leçon 2

2.1 Un exemple

Exemple 3 (les bougies de Nadia). Nadia fabrique des bougies et les vend chaque samedi sur un marché. Le nombre XX de bougies vendues suit la loi suivante.

xx 1010 2020 3030
P(X=x)P(X = x) 0,20{,}2 0,50{,}5 0,30{,}3

On trouve E(X)=10×0,2+20×0,5+30×0,3=21E(X) = 10 \times 0{,}2 + 20 \times 0{,}5 + 30 \times 0{,}3 = 21, puis V(X)=0,2×(−11)2+0,5×(−1)2+0,3×92=49V(X) = 0{,}2 \times (-11)^2 + 0{,}5 \times (-1)^2 + 0{,}3 \times 9^2 = 49, et σ(X)=7\sigma(X) = 7. Chaque bougie rapporte 66 euros et l'emplacement coûte 4545 euros : le bénéfice du samedi est B=6X−45B = 6X - 45.

2.2 Espérance de aX + b

Une constante bb est une variable qui ne prend qu'une seule valeur : son espérance vaut bb. Par linéarité :

Propriété. Pour tous réels aa et bb, E(aX+b)=a E(X)+bE(aX + b) = a\,E(X) + b.

Exemple 3 (suite). E(B)=6×21−45=81E(B) = 6 \times 21 - 45 = 81 : le bénéfice moyen est de 8181 euros.

2.3 Variance et écart type de aX + b

Propriété. Pour tous réels aa et bb : V(aX+b)=a2 V(X)etσ(aX+b)=∣a∣ σ(X).V(aX + b) = a^2\,V(X) \qquad \text{et} \qquad \sigma(aX + b) = |a|\,\sigma(X). En particulier, V(aX)=a2 V(X)V(aX) = a^2\,V(X).

Démonstration. Soit Y=aX+bY = aX + b. Ses valeurs sont les yi=a xi+by_i = a\,x_i + b, avec les mêmes probabilités pip_i, et E(Y)=a E(X)+bE(Y) = a\,E(X) + b. Donc yi−E(Y)=(a xi+b)−(a E(X)+b)=a(xi−E(X)).y_i - E(Y) = (a\,x_i + b) - \big(a\,E(X) + b\big) = a\big(x_i - E(X)\big). La constante bb a disparu. En élevant au carré : V(Y)=∑ipi a2(xi−E(X))2=a2∑ipi(xi−E(X))2=a2 V(X).V(Y) = \sum_i p_i\,a^2\big(x_i - E(X)\big)^2 = a^2 \sum_i p_i\big(x_i - E(X)\big)^2 = a^2\,V(X). Enfin, σ(Y)=a2 V(X)=∣a∣ V(X)=∣a∣ σ(X)\sigma(Y) = \sqrt{a^2\,V(X)} = |a|\,\sqrt{V(X)} = |a|\,\sigma(X). ■\blacksquare

Exemple 3 (suite). V(B)=62×49=1 764V(B) = 6^2 \times 49 = 1\,764 et σ(B)=6×7=42\sigma(B) = 6 \times 7 = 42 euros. On peut le vérifier directement : BB prend les valeurs 1515, 7575 et 135135 avec les probabilités 0,20{,}2 ; 0,50{,}5 et 0,30{,}3, d'où E(B)=81E(B) = 81 et V(B)=0,2×662+0,5×62+0,3×542=1 764V(B) = 0{,}2 \times 66^2 + 0{,}5 \times 6^2 + 0{,}3 \times 54^2 = 1\,764.

2.4 Déplacer ou étaler

  • Ajouter une constante déplace le diagramme de la loi sans le déformer : l'espérance change, pas l'écart type. Par exemple, X+30X + 30 a pour espérance 5151 et pour écart type 77.
  • Multiplier par un nombre étale le diagramme : les écarts à l'espérance sont multipliés. Par exemple, 2X2X a pour espérance 4242 et pour écart type 1414.

2.5 Deux pièges

  • La variance n'est pas linéaire. V(2X)=4 V(X)V(2X) = 4\,V(X), et non 2 V(X)2\,V(X). De plus, V(X+b)=V(X)V(X + b) = V(X).
  • Le nombre aa peut être négatif. La variance reste positive ou nulle, grâce au carré, et l'écart type fait intervenir ∣a∣|a|.

Exemple 3 (suite). Nadia apporte 4040 bougies. Il lui en reste R=40−XR = 40 - X le soir, soit a=−1a = -1 et b=40b = 40. Alors E(R)=40−21=19E(R) = 40 - 21 = 19, V(R)=(−1)2×49=49V(R) = (-1)^2 \times 49 = 49 et σ(R)=7\sigma(R) = 7.

Leçon 3 : Variables indépendantes et variance d'une somme

Voir la vidéo de la leçon 3

3.1 Variables indépendantes

Dans ce chapitre, comme dans le programme, les variables indépendantes sont toujours envisagées dans le cadre d'une succession d'épreuves indépendantes (chapitre 11).

Variables indépendantes. Dans une succession d'épreuves indépendantes, si XX ne dépend que d'une épreuve et YY seulement d'une autre, on dit que XX et YY sont indépendantes. Connaître la valeur de XX n'apprend alors rien sur YY : pour toutes valeurs xx et yy, P(X=x et Y=y)=P(X=x)×P(Y=y).P(X = x \text{ et } Y = y) = P(X = x) \times P(Y = y).

Les gains XX et YY des deux roues de l'exemple 1 sont indépendants. L'indépendance fait partie du modèle : on la justifie par la situation, on ne cherche pas à la démontrer.

3.2 L'additivité de la variance

Propriété (admise). Si XX et YY sont indépendantes, alors V(X+Y)=V(X)+V(Y).V(X + Y) = V(X) + V(Y).

Contrairement à la linéarité de l'espérance, cette égalité exige l'indépendance.

Exemple 1 (suite). V(X)=0,5×1,42+0,3×0,62+0,2×2,62=2,44V(X) = 0{,}5 \times 1{,}4^2 + 0{,}3 \times 0{,}6^2 + 0{,}2 \times 2{,}6^2 = 2{,}44 et V(Y)=0,8×12+0,2×42=4V(Y) = 0{,}8 \times 1^2 + 0{,}2 \times 4^2 = 4. Avec la loi de SS, la formule V(S)=∑ipi si2−E(S)2V(S) = \sum_i p_i\,s_i^2 - E(S)^2 donne V(S)=12,2−2,42=6,44V(S) = 12{,}2 - 2{,}4^2 = 6{,}44. C'est bien 2,44+42{,}44 + 4.

3.3 Écarts types et différences

Ce sont les variances qui s'ajoutent, pas les écarts types. Dans l'exemple 1, σ(S)=6,44≈2,54\sigma(S) = \sqrt{6{,}44} \approx 2{,}54, alors que σ(X)+σ(Y)≈1,56+2=3,56\sigma(X) + \sigma(Y) \approx 1{,}56 + 2 = 3{,}56.

Pour une différence, les variances s'ajoutent encore. Si XX et YY sont indépendantes, XX et −Y-Y le sont aussi, et V(−Y)=(−1)2 V(Y)=V(Y)V(-Y) = (-1)^2\,V(Y) = V(Y). Donc V(X−Y)=V(X)+V(−Y)=V(X)+V(Y).V(X - Y) = V(X) + V(-Y) = V(X) + V(Y).

3.4 Sans indépendance

L'additivité peut être fausse si les variables ne sont pas indépendantes.

  • Cas extrême. Avec Y=XY = X : V(X+X)=V(2X)=4 V(X)V(X + X) = V(2X) = 4\,V(X), et non 2 V(X)2\,V(X) (sauf si V(X)=0V(X) = 0).

Exemple 2 (suite). On connaît maintenant la répartition des quatre choix possibles au camion-restaurant.

Plat, dessert 99 ; 00 99 ; 44 1212 ; 00 1212 ; 44
Ticket TT 99 1313 1212 1616
Probabilité 0,30{,}3 0,40{,}4 0,10{,}1 0,20{,}2

Ces probabilités ne sont pas des produits : P(X=9 et Y=0)=0,3P(X = 9 \text{ et } Y = 0) = 0{,}3, alors que P(X=9)×P(Y=0)=0,7×0,4=0,28P(X = 9) \times P(Y = 0) = 0{,}7 \times 0{,}4 = 0{,}28. On retrouve E(T)=12,3E(T) = 12{,}3, comme annoncé par la linéarité. Mais V(T)=6,21V(T) = 6{,}21, alors que V(X)+V(Y)=1,89+3,84=5,73V(X) + V(Y) = 1{,}89 + 3{,}84 = 5{,}73.

3.5 Plus de deux variables

Si X1,X2,…,XnX_1, X_2, \ldots, X_n sont associées à nn épreuves indépendantes, chacune à la sienne, elles sont indépendantes (au sens d'une indépendance de toutes les variables entre elles), et V(X1+X2+⋯+Xn)=V(X1)+V(X2)+⋯+V(Xn).V(X_1 + X_2 + \cdots + X_n) = V(X_1) + V(X_2) + \cdots + V(X_n). On l'obtient de proche en proche : X1+⋯+Xn−1X_1 + \cdots + X_{n-1} ne dépend que des n−1n - 1 premières épreuves, donc elle est indépendante de XnX_n.

Leçon 4 : Espérance, variance et écart type de la loi binomiale

Voir la vidéo de la leçon 4

4.1 Le nombre de succès est une somme

On considère un schéma de Bernoulli de paramètres nn et pp, et le nombre de succès XX, qui suit la loi B(n,p)\mathcal{B}(n, p). Pour chaque rang ii de 11 à nn, on pose Xi=1X_i = 1 si l'épreuve numéro ii est un succès, et Xi=0X_i = 0 sinon.

Additionner ces uns et ces zéros revient à compter les succès : X=X1+X2+⋯+Xn.X = X_1 + X_2 + \cdots + X_n.

Par exemple, pour n=5n = 5, l'issue (S ;S‾ ;S ;S ;S‾)(S\,;\overline{S}\,;S\,;S\,;\overline{S}) donne 1+0+1+1+0=31 + 0 + 1 + 1 + 0 = 3 succès.

4.2 Le théorème

Théorème. Si XX suit la loi binomiale B(n,p)\mathcal{B}(n, p), alors E(X)=np,V(X)=np(1−p),σ(X)=np(1−p).E(X) = np, \qquad V(X) = np(1 - p), \qquad \sigma(X) = \sqrt{np(1 - p)}.

Démonstration. On écrit X=X1+X2+⋯+XnX = X_1 + X_2 + \cdots + X_n comme ci-dessus. Chaque XiX_i suit la loi de Bernoulli de paramètre pp. D'après le chapitre 11, E(Xi)=pE(X_i) = p et V(Xi)=p(1−p)V(X_i) = p(1 - p).

  • Espérance. Par linéarité, E(X)=E(X1)+⋯+E(Xn)=npE(X) = E(X_1) + \cdots + E(X_n) = np.
  • Variance. Chaque XiX_i ne dépend que de l'épreuve numéro ii, et les épreuves d'un schéma de Bernoulli sont indépendantes : les XiX_i sont indépendantes. Par additivité, V(X)=V(X1)+⋯+V(Xn)=np(1−p)V(X) = V(X_1) + \cdots + V(X_n) = np(1 - p).
  • Écart type. σ(X)=V(X)=np(1−p)\sigma(X) = \sqrt{V(X)} = \sqrt{np(1 - p)}. ■\blacksquare

L'espérance est très naturelle : sur nn essais, avec une proportion pp de réussite, on attend npnp succès.

4.3 Exemples

Exemple 4 (les lancers francs de Maëlle, chapitre 11). Le nombre XX de lancers réussis sur trois suit la loi B(3 ;0,8)\mathcal{B}(3\,;0{,}8), de loi :

kk 00 11 22 33
P(X=k)P(X = k) 0,0080{,}008 0,0960{,}096 0,3840{,}384 0,5120{,}512

Les formules donnent E(X)=3×0,8=2,4E(X) = 3 \times 0{,}8 = 2{,}4 et V(X)=3×0,8×0,2=0,48V(X) = 3 \times 0{,}8 \times 0{,}2 = 0{,}48. Le calcul direct donne le même résultat : 1×0,096+2×0,384+3×0,512=2,41 \times 0{,}096 + 2 \times 0{,}384 + 3 \times 0{,}512 = 2{,}4, et 1×0,096+4×0,384+9×0,512−2,42=6,24−5,76=0,481 \times 0{,}096 + 4 \times 0{,}384 + 9 \times 0{,}512 - 2{,}4^2 = 6{,}24 - 5{,}76 = 0{,}48.

Exemple 5 (un élevage de poules). Dans un élevage de 120120 poules, chacune pond un œuf dans la journée avec la probabilité 0,750{,}75, indépendamment des autres. Le nombre XX de poules qui pondent suit la loi B(120 ;0,75)\mathcal{B}(120\,;0{,}75). Donc E(X)=120×0,75=90E(X) = 120 \times 0{,}75 = 90, V(X)=90×0,25=22,5V(X) = 90 \times 0{,}25 = 22{,}5 et σ(X)=22,5≈4,74\sigma(X) = \sqrt{22{,}5} \approx 4{,}74.

4.4 Remarques

  • Le nombre d'échecs. n−Xn - X suit la loi B(n,1−p)\mathcal{B}(n, 1 - p) (chapitre 11). Son espérance vaut n(1−p)n(1 - p) et sa variance est la même que celle de XX, ce qu'annonce aussi la formule V(aX+b)=a2 V(X)V(aX + b) = a^2\,V(X) avec a=−1a = -1.
  • Pour nn fixé, la variance np(1−p)np(1 - p) est la plus grande pour p=12p = \frac12 : elle vaut alors n4\frac{n}{4}. Elle est faible quand le succès est très rare ou très fréquent.

Leçon 5 : Échantillon d'une loi, somme et moyenne

Voir la vidéo de la leçon 5

5.1 Échantillon de taille n

Définition. Un échantillon de taille nn d'une loi de probabilité est une liste (X1,X2,…,Xn)(X_1, X_2, \ldots, X_n) de variables aléatoires indépendantes et identiques, suivant toutes cette loi.

Un échantillon modélise nn répétitions indépendantes d'une même expérience. On note XX une variable de cette loi, et : Sn=X1+X2+⋯+XnetMn=Snn.S_n = X_1 + X_2 + \cdots + X_n \qquad \text{et} \qquad M_n = \frac{S_n}{n}. SnS_n est la somme de l'échantillon, MnM_n sa moyenne.

5.2 La somme

Propriété. E(Sn)=n E(X)E(S_n) = n\,E(X),   V(Sn)=n V(X)\;V(S_n) = n\,V(X) et σ(Sn)=n  σ(X)\sigma(S_n) = \sqrt{n}\;\sigma(X).

Justification. Par linéarité, E(Sn)E(S_n) est la somme de nn termes égaux à E(X)E(X). Les XiX_i sont indépendantes : par additivité, V(Sn)V(S_n) est la somme de nn termes égaux à V(X)V(X). Enfin, σ(Sn)=n V(X)=n  σ(X)\sigma(S_n) = \sqrt{n\,V(X)} = \sqrt{n}\;\sigma(X).

Attention. L'écart type est multiplié par n\sqrt{n}, et non par nn.

5.3 La moyenne

Propriété. E(Mn)=E(X)E(M_n) = E(X),   V(Mn)=V(X)n\;V(M_n) = \dfrac{V(X)}{n} et σ(Mn)=σ(X)n\sigma(M_n) = \dfrac{\sigma(X)}{\sqrt{n}}.

Justification. Mn=1n SnM_n = \dfrac1n\,S_n. Avec a=1na = \dfrac1n : E(Mn)=1n×n E(X)=E(X)etV(Mn)=1n2×n V(X)=V(X)n.E(M_n) = \frac1n \times n\,E(X) = E(X) \qquad \text{et} \qquad V(M_n) = \frac{1}{n^2} \times n\,V(X) = \frac{V(X)}{n}. Enfin, σ(Mn)=V(X)n=σ(X)n\sigma(M_n) = \sqrt{\dfrac{V(X)}{n}} = \dfrac{\sigma(X)}{\sqrt{n}}.

La moyenne a la même espérance que XX, mais sa dispersion diminue quand nn augmente. Le facteur 1n\dfrac{1}{\sqrt{n}} est essentiel : pour diviser l'écart type par 22, il faut 44 fois plus de données ; pour le diviser par 1010, il en faut 100100 fois plus.

5.4 Un exemple

Exemple 6 (les notes d'un gîte). La note XX laissée par un client d'un gîte suit la loi suivante.

xx 22 33 44 55
P(X=x)P(X = x) 0,10{,}1 0,20{,}2 0,30{,}3 0,40{,}4

On trouve E(X)=4E(X) = 4 et V(X)=0,1×22+0,2×12+0,3×02+0,4×12=1V(X) = 0{,}1 \times 2^2 + 0{,}2 \times 1^2 + 0{,}3 \times 0^2 + 0{,}4 \times 1^2 = 1, donc σ(X)=1\sigma(X) = 1. Les notes de nn clients pris au hasard forment un échantillon de cette loi.

nn E(Sn)E(S_n) V(Sn)V(S_n) σ(Sn)\sigma(S_n) E(Mn)E(M_n) V(Mn)V(M_n) σ(Mn)\sigma(M_n)
2525 100100 2525 55 44 0,040{,}04 0,20{,}2
100100 400400 100100 1010 44 0,010{,}01 0,10{,}1

Une note isolée s'écarte typiquement de 11 point de l'espérance, une moyenne de cent notes de 0,10{,}1 point. Le chapitre 16 précisera ce que cela implique pour les probabilités d'écart.

5.5 Un peu d'histoire

Au début du XIXe siècle, la modélisation des erreurs de mesure devient centrale. Après Legendre (1805), Gauss (1809, 1821) imagine une méthode des moindres carrés, qu'il applique avec succès à la prédiction de la position d'un astéroïde. Il propose de comprendre l'écart type comme une « erreur moyenne à craindre ».

Leçon 6 : Décomposer une variable en somme de variables simples

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6.1 La méthode

  1. Repérer ce que la variable compte ou additionne.
  2. Écrire X=X1+X2+⋯+XnX = X_1 + X_2 + \cdots + X_n, avec des variables simples, souvent des variables qui valent 11 ou 00.
  3. Espérance : calculer les E(Xi)E(X_i) et les additionner. La linéarité marche toujours, même si les XiX_i ne sont pas indépendantes.
  4. Variance : additionner les V(Xi)V(X_i) seulement si les XiX_i sont indépendantes.

Une variable qui vaut 11 ou 00 suit une loi de Bernoulli : si P(Xi=1)=piP(X_i = 1) = p_i, alors E(Xi)=piE(X_i) = p_i et V(Xi)=pi(1−pi)V(X_i) = p_i(1 - p_i).

6.2 Des probabilités différentes

Exemple 7 (trois candidatures). Lou envoie trois candidatures pour un travail d'été, à des employeurs différents. Elle obtient une réponse positive avec les probabilités 0,30{,}3, 0,50{,}5 et 0,60{,}6, indépendamment. Soit XX le nombre de réponses positives. Les probabilités diffèrent : XX ne suit pas une loi binomiale.

On écrit X=X1+X2+X3X = X_1 + X_2 + X_3, où Xi=1X_i = 1 si la candidature numéro ii aboutit. Alors :

  • E(X)=0,3+0,5+0,6=1,4E(X) = 0{,}3 + 0{,}5 + 0{,}6 = 1{,}4 ;
  • les XiX_i sont indépendantes, donc V(X)=0,3×0,7+0,5×0,5+0,6×0,4=0,21+0,25+0,24=0,7V(X) = 0{,}3 \times 0{,}7 + 0{,}5 \times 0{,}5 + 0{,}6 \times 0{,}4 = 0{,}21 + 0{,}25 + 0{,}24 = 0{,}7.

On le vérifie avec la loi de XX : P(X=0)=0,14P(X = 0) = 0{,}14, P(X=1)=0,41P(X = 1) = 0{,}41, P(X=2)=0,36P(X = 2) = 0{,}36 et P(X=3)=0,09P(X = 3) = 0{,}09.

6.3 Une variable dont la loi est difficile

Exemple 8 (un échange de cadeaux). Pour un échange de cadeaux à Noël, nn amis écrivent leur nom sur un papier, et chacun en tire un au hasard, sans remise. Soit XX le nombre d'amis qui tirent leur propre nom. La loi de XX est difficile à obtenir pour nn quelconque.

On écrit X=X1+⋯+XnX = X_1 + \cdots + X_n, où Xi=1X_i = 1 si l'ami numéro ii tire son propre nom. Chaque ami a la même chance de tirer chacun des nn noms : E(Xi)=P(Xi=1)=1nE(X_i) = P(X_i = 1) = \dfrac1n. Par linéarité, E(X)=n×1n=1.E(X) = n \times \frac1n = 1. Quel que soit le nombre d'amis, on attend une seule personne qui tire son propre nom.

Vérification pour n=4n = 4. Il y a 4!=244! = 24 tirages possibles. En les énumérant, on obtient :

kk 00 11 22 44
P(X=k)P(X = k) 924\dfrac{9}{24} 824\dfrac{8}{24} 624\dfrac{6}{24} 124\dfrac{1}{24}

On trouve bien E(X)=0+8+12+424=1E(X) = \dfrac{0 + 8 + 12 + 4}{24} = 1.

Attention à la variance. Les XiX_i ne sont pas indépendantes : avec deux amis, si l'un tire son nom, l'autre aussi. Pour n=4n = 4, le calcul direct donne V(X)=1V(X) = 1, alors que la somme des variances vaut 4×14×34=0,754 \times \dfrac14 \times \dfrac34 = 0{,}75.

6.4 Un tirage sans remise

Exemple 9 (des jetons). Un sac contient 1010 jetons, dont 33 rouges. On en tire 44 au hasard, sans remise. Soit XX le nombre de jetons rouges obtenus. Ce n'est pas une loi binomiale, car les tirages ne sont pas indépendants.

On écrit X=X1+X2+X3+X4X = X_1 + X_2 + X_3 + X_4, où Xi=1X_i = 1 si le jeton tiré au rang ii est rouge. Par symétrie, le jeton tiré au rang ii peut être chacun des 1010 jetons, avec la même probabilité : E(Xi)=310E(X_i) = \dfrac{3}{10}. Par linéarité, E(X)=4×310=1,2.E(X) = 4 \times \frac{3}{10} = 1{,}2.

6.5 Un score

Exemple 10 (points négatifs). Un questionnaire compte 2020 questions à quatre réponses. Une bonne réponse rapporte 33 points, une mauvaise en retire 11. Un candidat répond au hasard à toutes les questions. Le nombre XX de bonnes réponses suit la loi B(20 ;0,25)\mathcal{B}(20\,;0{,}25), et son score est Y=3X−(20−X)=4X−20.Y = 3X - (20 - X) = 4X - 20. Comme E(X)=5E(X) = 5 et V(X)=3,75V(X) = 3{,}75, on obtient E(Y)=4×5−20=0E(Y) = 4 \times 5 - 20 = 0 et V(Y)=42×3,75=60V(Y) = 4^2 \times 3{,}75 = 60. Répondre au hasard ne rapporte rien en moyenne, mais le score reste très dispersé : σ(Y)=60≈7,75\sigma(Y) = \sqrt{60} \approx 7{,}75.

Ce qu'il faut retenir du chapitre

  1. Linéarité : E(X+Y)=E(X)+E(Y)E(X + Y) = E(X) + E(Y) et E(aX)=a E(X)E(aX) = a\,E(X), pour toutes variables, indépendantes ou non. On calcule ainsi une espérance sans connaître la loi de la somme.
  2. Changement affine : E(aX+b)=a E(X)+bE(aX + b) = a\,E(X) + b, V(aX+b)=a2 V(X)V(aX + b) = a^2\,V(X), σ(aX+b)=∣a∣ σ(X)\sigma(aX + b) = |a|\,\sigma(X). Ajouter déplace, multiplier étale.
  3. Variables indépendantes : dans une succession d'épreuves indépendantes, des variables liées à des épreuves différentes sont indépendantes. Cette indépendance fait partie du modèle.
  4. Additivité (admise) : si XX et YY sont indépendantes, V(X+Y)=V(X)+V(Y)V(X + Y) = V(X) + V(Y) et V(X−Y)=V(X)+V(Y)V(X - Y) = V(X) + V(Y). Sans indépendance, c'est faux en général. Les écarts types ne s'additionnent pas.
  5. Loi binomiale : le nombre de succès est une somme de nn variables de Bernoulli indépendantes, donc E(X)=npE(X) = np, V(X)=np(1−p)V(X) = np(1 - p), σ(X)=np(1−p)\sigma(X) = \sqrt{np(1 - p)}.
  6. Échantillon : nn variables indépendantes de même loi. E(Sn)=n E(X)E(S_n) = n\,E(X), V(Sn)=n V(X)V(S_n) = n\,V(X), σ(Sn)=n σ(X)\sigma(S_n) = \sqrt{n}\,\sigma(X) ; E(Mn)=E(X)E(M_n) = E(X), V(Mn)=V(X)nV(M_n) = \dfrac{V(X)}{n}, σ(Mn)=σ(X)n\sigma(M_n) = \dfrac{\sigma(X)}{\sqrt{n}}.
  7. Méthode : pour étudier une variable compliquée, on l'écrit comme une somme de variables simples, souvent des variables qui valent 11 ou 00.
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