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A propos de l’article de Chebyshev, D´
emonstration ´
el´
ementaire
d’une proposition g´
en´
erale de la th´
eorie des probabilit´
es, 1846
Didier Trotoux
avril 2013
Cet article a ´
et´
e publi´
e par P. L. Chebyshev dans le Journal de Crelle en 1846 (B. 33, p. 259-267). Comme il
l’indique d`
es le premier paragraphe, Chebyshev propose de d´
emontrer la proposition : On peut toujours assigner
un nombre d’´
epreuves tel que la probabilit´
e de ce que le rapport des r´
ep´
etitions de l’´
ev´
enement E`
a celui des
´
epreuves ne s’´
ecartera pas de la moyenne des chances de Eau del`
a des limites donn´
ees, quelques resserr´
ees
que soient ces limites, s’approchera autant qu’on le voudra de la certitude . S. D. Poisson avait d´
emontr´
e cette
proposition qu’il avait appel´
ee Loi des grands nombres, dans ses Recherches sur la probabilit´
e des jugements
(Bachelier, Paris, 1837), en la d´
eduisant d’une formule qu’il avait obtenue par l’approximation de la valeur d’une
int´
egrale d´
efinie assez compliqu´
ee. Chebyshev trouvant cette d´
emonstration incompl`
ete car ne fournissant pas
l’erreur que comportait cette approximation et manquant de rigueur `
a cause de cette incertitude, propose d’en
donner une d´
emonstration rigoureuse en utilisant des consid´
erations ´
el´
ementaires.
L’objet de cet article est de pr´
esenter cette d´
emonstration en la commentant.
Dans le deuxi`
eme paragraphe, Chebyshev s’int´
eresse `
a la r´
ealisation d’un ´
ev´
enement Elors de la r´
ep´
etition de
µ´
epreuves cons´
ecutives. piest la probabilit´
e que Ese r´
ealise lors de l’´
epreuve iet Pmla probabilit´
e que E arrivera
au moins mfois au cours de ces µ´
epreuves. Il indique que Pms’obtient en prenant la somme des coefficients de
tm, tm+1,...tµdans le d´
eveloppement du produit (p1t+ 1 −p1)(p2t+ 1 −p2)···(pµt+ 1 −pµ).
Commentaire :
Notons Xila variable qui vaut 1 si l’´
ev´
enement Ese produit lors de l’´
epreuve iet 0 dans le cas contraire. La variable Xisuit
une loi de Bernoulli B(pi). La variable ´
egale au nombre total de succ`
es au cours des µ´
epreuves vaut X1+X2+· · · +Xµet
la probabilit´
ePms’´
ecrit Pm=P(X1+X2+· · · +Xµ≥m).
Rappelons que la fonction g´
en´
eratrice d’une variable al´
eatoire Xest d´
efinie par gX(t) = Pk=+∞
k=0 P(X=k)·tk. Pour une
variable Xsuivant une loi de Bernoulli de param`
etre p,gX(t) = (1 −p)t0+pt =pt + 1 −pet comme on a, pour deux
variables ind´
ependantes Xet Y,gX+Y(t) = gX(t)×gY(t), on obtient gX1+X2+···+Xµ(t) = (p1t+ 1 −p1)(p2t+ 1 −
p2)· · · (pµt+ 1 −pµ)et le r´
esultat ´
enonc´
e.
L’observation de cette expression lui permet de faire les deux remarques suivantes :
1. Pmest une fonction du premier degr´
e des variables p1, p2,...pµ
2. Pmest une fonction sym´
etrique des variables p1, p2,...pµ
ce qui lui permet d’´
ecrire Pmsous la forme Pm=U+V p1+V1p2+W p1p2o`
uU, V, V1, W ne d´
ependent pas de
p1et p2(d’apr`
es 1.) puis, Pm=U+V(p1+p2) + W p1p2o`
uU, V, W ne d´
ependent pas de p1et p2(d’apr`
es 2.).
Il peut alors ´
enoncer un premier th´
eor`
eme :
Th´
eor`
eme 1
Si p1et p2ne sont pas ´
egales, on peut sans changer les valeurs de p1+p2, p3,...pµ, augmenter celle de Pm
en prenant p1=p2; ou on peut parvenir `
a une des ´
equations suivantes : p1= 0, p1= 1 sans diminuer la
valeur de Pm.
Commentaire :
Pm(p1, p2, p3,· · · pµ) = U+V(p1+p2)+W p1p2est une expression alg´
ebrique o`
u l’on peut, suivant le signe de W, modifier
les valeurs de p1et p2tout en gardant p1+p2constant sans la diminuer.
1. Si W > 0,Pm(1
2(p1+p2),1
2(p1+p2), p3,· · · pµ)−Pm(p1, p2, p3,· · · pµ) = 1
4W(p1−p2)2.
2. Si W≤0et p1+p2≤1,Pm(0, p1+p2, p3,· · · pµ)−Pm(p1, p2, p3,· · · pµ) = −W p1p2
3. Si W≤0et p1+p2≥1,Pm(1, p1+p2−1, p3,· · · pµ)−Pm(p1, p2, p3,· · · pµ) = −W(1 −p1)(1 −p2)
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