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Terminale · Chapitre 11 · Probabilités et statistiques

Sommes de variables aléatoires et loi des grands nombres

30 exercices corrigés

1 Variable aléatoire et somme

Soit \(X\) une variable aléatoire réelle d'espérance \(E(X) = \mu\) et de variance \(V(X) = \sigma^2\).

Si on répète \(n\) fois la même expérience aléatoire de façon indépendante, on obtient \(n\) variables aléatoires \(X_1, X_2, \ldots, X_n\), indépendantes et de même loi que \(X\) (échantillon i.i.d.).

Somme : \(S_n = X_1 + X_2 + \cdots + X_n\) Moyenne : \(M_n = \dfrac{S_n}{n} = \dfrac{X_1 + X_2 + \cdots + X_n}{n}\)

Échantillon i.i.d. de n tiragesX₁X₂X₃...XₙSₙ = X₁+…+XₙMₙ = Sₙ / nMêmes lois, indépendantes → moyenne converge vers μ
Schéma de \(n\) tirages indépendants \(X_1, X_2, \ldots, X_n\) alignés verticalement, avec leur somme \(S_n\) et leur moyenne \(M_n = S_n/n\) à droite

2 Espérance et variance de la somme et de la moyenne

Pour deux variables quelconques

\(E(X + Y) = E(X) + E(Y)\) et \(E(aX + b) = aE(X) + b\) (linéarité). Si \(X\) et \(Y\) sont indépendantes, \(V(X + Y) = V(X) + V(Y)\) ; de plus \(V(aX + b) = a^2V(X)\).

Espérance de \(S_n\) : Par linéarité, \[E(S_n) = E(X_1) + \cdots + E(X_n) = n\mu\]

Variance de \(S_n\) : Comme les \(X_i\) sont indépendantes, \[V(S_n) = V(X_1) + \cdots + V(X_n) = n\sigma^2\]

Espérance et variance de la moyenne : \[\boxed{E(M_n) = \mu \quad ; \quad V(M_n) = \frac{\sigma^2}{n}}\]

Interprétation cruciale : la variance de \(M_n\) tend vers \(0\) quand \(n \to +\infty\) → \(M_n\) se concentre autour de \(\mu\).

3 Inégalité de Bienaymé-Tchebychev

Théorème (admis) : Soit \(X\) une variable aléatoire d'espérance \(\mu\) et de variance \(\sigma^2\). Pour tout réel \(\delta > 0\) :

\[\boxed{P(|X - \mu| \geq \delta) \leq \frac{\sigma^2}{\delta^2}}\]

Interprétation : La probabilité que \(X\) s'éloigne de son espérance d'au moins \(\delta\) est majorée par \(\sigma^2/\delta^2\).

Inégalité de Bienaymé-Tchebychevμμ−δμ+δP(|X − μ| ≥ δ) ≤ σ² / δ²
Distribution de \(X\) centrée sur \(\mu\), avec deux barres rouges en \(\mu-\delta\) et \(\mu+\delta\), et zones extérieures hachurées représentant \(P(|X-\mu|\geq\delta)\)

Exemple : \(X\) d'espérance \(\mu = 50\) et de variance \(\sigma^2 = 25\) (donc \(\sigma = 5\)).

\(P(|X - 50| \geq 10) \leq \dfrac{25}{100} = 0{,}25\) → au plus \(25\%\) de chance d'être à \(10\) ou plus de l'espérance.

4 Inégalité de concentration

En appliquant Bienaymé-Tchebychev à la moyenne \(M_n\) (qui a pour espérance \(\mu\) et variance \(\sigma^2/n\)) :

\[\boxed{P(|M_n - \mu| \geq \delta) \leq \frac{\sigma^2}{n\delta^2}}\]

Interprétation fondamentale : Plus \(n\) est grand, plus la probabilité que la moyenne empirique \(M_n\) s'écarte de la vraie moyenne \(\mu\) est petite.

Exemple : Une pièce équilibrée donne \(X = 1\) (pile) avec proba \(0{,}5\), sinon \(X = 0\). Alors \(\mu = 0{,}5\) et \(\sigma^2 = 0{,}25\).

Combien de lancers \(n\) faut-il pour que \(P(|M_n - 0{,}5| \geq 0{,}05) \leq 0{,}01\) ?

\[\frac{\sigma^2}{n\delta^2} = \frac{0{,}25}{n \times 0{,}0025} \leq 0{,}01\] \[n \geq \frac{0{,}25}{0{,}0025 \times 0{,}01} = \frac{0{,}25}{0{,}000025} = 10\,000\]

→ Au moins \(10\,000\) lancers pour garantir cet écart de \(0{,}05\) avec proba \(\geq 99\%\).

5 Loi (faible) des grands nombres

Théorème : Soit \((X_n)\) une suite de variables aléatoires indépendantes et de même loi, d'espérance \(\mu\) et de variance \(\sigma^2\) finie. Alors pour tout \(\delta > 0\) :

\[\boxed{\lim_{n \to +\infty} P(|M_n - \mu| \geq \delta) = 0}\]

Énoncé en français : La moyenne empirique de \(n\) tirages indépendants d'une même variable aléatoire converge "en probabilité" vers l'espérance de cette variable, quand \(n \to +\infty\).

Démonstration : Bienaymé-Tchebychev donne \(P(|M_n - \mu| \geq \delta) \leq \dfrac{\sigma^2}{n\delta^2}\). Comme \(\dfrac{\sigma^2}{n\delta^2} \to 0\) quand \(n \to +\infty\), et que la probabilité est positive, le théorème des gendarmes donne le résultat.

Convergence de la moyenne Mₙ vers μ = 0,5xyOμ = 0,5nMₙ3 simulations indépendantes convergent vers μ
Graphe de \(M_n\) en fonction de \(n\) pour 3 simulations différentes de lancers de pièce — les 3 courbes oscillent puis convergent toutes vers \(\mu = 0{,}5\) quand \(n\) augmente

6 Application : fréquence et probabilité

Pour une expérience à deux issues (succès / échec) de probabilité de succès \(p\) :

  • \(X_i = 1\) si succès, \(0\) sinon (\(X_i\) suit la loi de Bernoulli \(\mathcal{B}(p)\)).
  • \(E(X_i) = p\), \(V(X_i) = p(1-p)\).
  • \(M_n = \dfrac{X_1 + \cdots + X_n}{n}\) est la fréquence observée \(F_n\) de succès.

Loi des grands nombres : \(F_n \to p\) quand \(n \to +\infty\).

Application concrète : C'est la justification mathématique de l'approche fréquentiste des probabilités. Lorsqu'on simule un grand nombre d'expériences, la fréquence observée tend vers la probabilité théorique.

7 Lien avec la loi binomiale

Si \(X_1, \ldots, X_n\) sont des Bernoulli\((p)\) indépendantes, alors \(S_n = X_1 + \cdots + X_n\) suit la loi binomiale \(\mathcal{B}(n, p)\).

Rappel : \(E(S_n) = np\) ; \(V(S_n) = np(1-p)\) ; \(E(F_n) = p\) ; \(V(F_n) = \dfrac{p(1-p)}{n}\).

8 Synthèse pratique

Question Outil utilisé
Majorer \(P(\text{écart} \geq \delta)\) Bienaymé-Tchebychev
Choisir \(n\) pour garantir une précision Inégalité de concentration
Justifier que \(M_n \to \mu\) Loi des grands nombres
Lien fréquence / probabilité théorique Application aux Bernoulli

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