Statistiques
Chapitre 1: Rappels de calcul de Probabilité
Catherine Bruneau
Année 2004
1Expériencealéatoire
Denition 1 Uneexpérienceestditealéatoiresionnepeutpasprévoirlissue
avec certitude
Example 2 : on lance un dé et on ne sait pas quelle face va apparaître
Denition 3 On appelle l’ensemble des issues possibles, notées ω.
Example 4 On lance deux dés: l’ensemble comporte 36 éléments; il est déni
par:
={(1,1),(1,2),...,(6,6)}
Denition 5 Un évènement Aest une partie de donc un ensemble d’issues
possibles ω.
Example 6 Un évènement élémentaire est réduit à une seule issue: {ω}
Example 7 un évènement possible lorqu’on lance deux dés noir et rouge: A:
lasommedespointsdesdeuxfacesapparuesest10:
A={(4,6); (6,4); (5,5); (5,6); (6,5); (6,6)}
Denition 8 A tout évènement Aon associe son contraire: Aqui est déni
comme le complémentaire de Adans :
AA=
AA=φ
φdésigne le sous-ensemble vide (complémentaire de dans ). est
l’évènement cetain: n’importe quelle issue réalise
1
Denition 9 Un sous-ensemble Ade l’ensemble P()des parties de ,est
une tribu d’évènements dénie sur ,sielleobéitauxtroisaxiomes:
i) AA,AA
ii) Pour toute suite nie ou innie (dénombrable) d’évènements Ai,i =
1,2, ... d’évènements de A,iAiA
iii) A
(,A)est appelé espace probabilisable
Denition 10 Deux évènements Aet Bsont dits incompatibles si leur inter-
section est vide: AB=φ
Example 11 on lance un dé: A={la face tirée est paire}={2,4,6}.B=
{la face tirée est impaire}={1,3,5}
Denition 12 Une partition de est une suite nie d’évènements disjoints
(ou incompatibles) k,1kK(kk0=φ,pourk6=k0) dont l’union
donne :
[
1kK
k=
Example 13 Exemple On lance un dé: 1={la face tirée est inférieure ou égale à 2};
2={la face tirée est comprise entre 2et 4};3={la face tirée est supérieure ou égale à 5}.
Exemple Le temps de demain; 1={il fait beau};2={il fait mauvais}
2 Probabilité
Denition 14 (Axiomatique de Kolmogorov): On appelle probabilité sur l’espace
probabilisable (,A)une application de Adans [0,1]qui à chaque évènement A
de associe sa probabilité P(A)), satisfaisant les axiomes suivants:
i) P()=1
ii) Pour toute suite nie ou non (mais dénombrable) d’évènements Ai,
incompatibles:
P([
i
Ai)=X
i
P(Ai)
On parle alors d’espace probabili(,A,P).
PropriéAC, P(A)=1P(A)
Denition 15 Propriété P(AB)=P(A)+P(B)P(AB)
PropriéSi on a une partition de ,{k,1kK}, pour tout évènement
Ade , la propriété suivante est vériée:
P(A)=
K
X
k=1
P(Ak)
2
Exercice: établir les diérentes propriétés
Remarque: historiquement la probabilité d’un évènement a été introduite
comme limite de la fréquence d’occurrence de cet évènement, observée en re-
produisant de manière indépendante une même expérience aléatoire un grand
nombre de fois. Il s’agit de l’approche fréquentiste de Bernouilli. Par exemple;
onlancelemêmedé(nonpipé)nfois, et on note combien de fois l’évènement
”la face est 3” s’est produit lors des nlancés, soit n3. la fréquence n3
ntend vers
1
6lorsque ntend vers l’inni: 1
6est la probabilité d’observer la face 3(lorsque
le dé n’est pas pipé, car alors les 6faces sont équiprobables).
On dénit la probabilité conditionnelle de la manière suivante:
Denition 16 Etant donnés deux évènements Aet Bon appelle probabilité
coinditionnelle ”sachant B”la probabilité dénie sur par:
AP(A/B)=P(AB)
P(B)
Exercice:vérier que cette application dénit bien une probabilité sur
Example 17 On lance successivement deux dés; il y a 36 issues possibles comme
vu précédemment. Soit Bl’évènement : ”la somme des deux faces est paire”;
Soit Al’évènement: ”la face du premier dé est paire”.
B=½(1,1); (1,3); (1,5); (2,2); (2,4); (2,6); (3,1); (3,3); (3,5); (4,2);
(4,4); (4,6); (5,1); (5,3); (5,5); (6,2); (6,4); (6,6) ¾
nit le nouvel ensemble des issues possibles. Il y en a 18.
A={(2,2); (2,4); (2,6); (4,2); (4,4); (4,6); (6,2); (6,4); (6,6)}
Aest réalisé quand on observe l’une des 9issues précédentes sur les 18
possibles, ce qui donne une probabilité:
P(A/B)= 9
18=1
2
On vériequeAB={(2,2); (2,4); (2,6); (4,2); (4,4); (4,6); (6,2); (6,4); (6,6)}.
P(AB)= 9
36 =1
4;P(B)=18
36 =1
2
donc P(AB)
P(B)=
1
4
1
2
=1
2=P(A/B)
Proposition 18 nition Aet Bsont deux évènements indépendants si et
seulement si P(B/A)=P(B)
PropriéAet Bsont deux évènements indépendants si et seulement si P(A
B)=P(A)P(B)
3
3 Probabilité a priori, a posteriori et formule de
Bayes
Proposition 19 FormuledeBayes.Etantdonnéeunepartitionde,=
S1kKket kk0=φpour k6=k0,etAun évènement (A), on a:
P(k0/A)= P(A/k0)P(k0)
P1kKP(A/k)P(k)
En eet: P(A/k0)P(k0)=P(Ak0)et
P1kKP(A/k)P(k)=P1kKP(Ak)=P(A).
Cette formule s’interprète de la manière suivante: on appelle P(k0)la
probabilité a priori de l’évènement k0et P(k0/A)la probabilité a posteriori,
c’est-à-dire ”sachant que l’évènement As’est réalisé”.
On donne l’exemple suivant.
On s’intéresse à la prévision du temps du lendemain en utilisant un baromètre.
On considère la partition de en deux évènements 1: ”il fait beau” et 2:
”il fait mauvais temps”.
Des statistiques météorologiques fournissent une estimation des probabilités
apriori: π1=P(1)et π2=1π1pourunerégionetunepériodedelannée
données, soit:
π1=0.60
Les caractéristiques du baromètre sont telles qu’il prévoit à tort du beau
temps -respectivement du mauvais temps- 1fois sur 10- respectivement 2fois
sur 10 pour la prévision du beau temps et 12 fois sur 100 pour la prévision
du mauvais temps. On appelle Al’évènement :”prévision de beau temps”. Par
nition, l’évènement Acorrespond à la prévision de mauvais temps.
Les performances prédictives du baromètre sont donc les suivantes:
P(A/1)=0.20
P(A/2)=0.10
Par suite, si le baromètre indique qu’il va faire beau, la probabilité qu’il fasse
eectivement beau -probabilité a posteriori- est donnée par:
P(1/A)= P(A/1)P(1)
P(A/1)P(1)+P(A/2)P(2)
=0.80x0.60
0.80x0.60 + 0.20x0.40
=0.86
à comparer à la probabilité de 0.60, donnée sans référence au baromètre.
4
4 Variable aléatoire
Une variable aléatoire varie selon l’aléa: sa valeur dépend de l’aléa ω.
Denition 20 Etant donné un espace muni d’une tribu d’évènements A,on
appelle variable aléatoire réelle Xnie sur (,A) toute application de dans
(R, B)telle que:
BB,X1(B)A
Bdésigne la tribu des boréliens de l’ensemble des réels R, c’est-à-dire la plus
petite tribu dénie sur Rqui contient les intervalles ouverts de R.
4.1 Variables alétoires discrètes
Denition 21 Une variable alétoire est dite discrète si elle ne prend qu’un
nombre ni ou dénombrable de valeurs: X(ω){x1, ..., xK, ...}.
Denition 22 Si (,A)estmuniduneprobabilitéP, la distribution -ou loi-
de probabilité de Xest caractérisée par la donnée de pk=P(X=xk)=
P({ω/X(ω)=xk}).
Remarque: On a Pkpk=1.
Exemple: On jette un dé jusqu’à ce que la face 1apparaisse. On appelle X
la variable aléatoire qui est égale au numéro du lancé qui fait apparaître 1pour
la première fois. L’ensemble des valeurs possibles est l’ensemble des entiers, N.
Dans ce cas, pour tout entier k,X=kavec la probabilité pk=1
6x¡5
6¢k1.
Denition 23 On appelle espérance d’une variable aléatoire X,laquantité
EX =Pkpkxk.
Denition 24 On appelle variance de Xla quantiVarX =E¡(XEX)2¢=
Pkpk(xkEX)2
Rappel: on montre que VarX =E(X2)(EX)2
Denition 25 On appelle covariance de deux variables aléatoires Xet Ynies
sur un espace (,A,P), la quantité:
cov(X, Y )=E((XEX)x(YEY ))
=E(XxY)EXxEY
PropriéPour deux variables aléatoires réelles Xet Ynies sur une space
(,A,P), et tous scalaires λet µ,onaE(λX+µY )=λE(X)+µE(Y)
1. et Var(λX+µY )=λ2Var(X)+µ2Var(Y)+2λµcov(X, Y )
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