Université Pierre et Marie Curie
L3 - Mathématiques
Probabilités - LM390
Année 2011-2012
Second semestre
Groupe 1
Correction Interrogation N˚1 – 5 mars 2012
Exercice 1. 1. L’espace probabilisé associé à cette expérience peut s’écrire
Ω = {(a1, a2, a3) : ai= 0,...,9}.
Le cardinal de l’ensemble est card(Ω) = 103. La probabilité définie sur P(Ω) est la probabilité
uniforme, i.e. ω,P({ω})=1/103. La probabilité de tout élément Ade P(Ω) se calcule alors
ainsi
P(A) = X
ωA
P({ω}) = card(A)
card(Ω) .
2. (a) Soit A1l’ensemble de tous les triplets dans un ordre strictement croissant. Alors il est clair
que le nombre d’éléments de A1est le nombre de combinaisons C3
10 = 10!/(3!7!). La probabi-
lité d’obtenir quatre nombres dans un ordre strictement croissant est donc P(A1) = C3
10/103.
(b) Soit A2l’ensemble de tous les triplets dans un ordre croissant au sens large. Dans A2,ilya
10 tridruplets de nombres tous identiques, 2×C2
10 triplets de nombres dont deux sont égaux
et C3
10 triplets de nombres tous distincts. Soit P(A2) = (10 + 2 ×C2
10 +C3
10)/103.
On peut aussi raisonner de la manière suivante : l’application
(a1, a2, a3)7−(a1, a2+ 1, a3+ 2)
est une bijection de A2sur l’ensemble A0
2={(a1, a2, a3) : a1< a2< a3, ai= 0,...,11}. Le
cardinal de A2est donc égal à celui de A0
2, c’est à dire C3
12.
(c) Notons A3cet événement. Compter les triplets de nombres compris entre 0 et 9 dont la
somme est égale à 8 revient à compter les triplets de nombres compris entre 1 et 10 dont la
somme est égale à 11, i.e. le nombre de manières de choisir 2 points parmi les 10 intervalles
qui séparent 11 objets alignés, soit card(A3)=C2
10 et P(A3) = C2
10/103.
Exercice 2. Si n= 2, le premier passager a une chance sur deux de s’asseoir à sa place et donc
la probabilité que le dernier (ici le second) soit à sa place est de 1
2.
Si n= 3, notons Akl’événement “le passager kest à sa place” et Ac
kson complémentaire. Alors
P(A3) = P(A3|A1)P(A1) + P(A3|Ac
1)P(Ac
1) = 1
3+2
3P(A3|Ac
1)
=1
3+2
3(P(A3|Ac
1, A2)P(A2|Ac
1) + P(A3|Ac
1, Ac
2)P(Ac
2|Ac
1))
=1
3+2
30.1
2+1
2.1
2=1
2.
1
Dans le cas général, on dénote par pnla probabilité que le dernier passager trouve sa place dans
un avion de nplaces. Fixons n > 2. Quand le premier passager prend sa place, il choisit la place
kavec probabilité 1/n. Si k= 1, le dernier passager est sûr d’avoir sa place, si k=n, il est sûr de
ne pas l’avoir. Si 1< k < n, alors les passagers numéros 2 à k1prennent leur place et le k-ième
passager se retrouve maintenant dans la même situation que le premier passager, mais avec un
avion de nk+ 1 places. On a alors la récurrence
pn= 1/n + 1/n(p2+· · · +pn1).
Montrons que pn= 1/2pour tout n2. On sait que cela est vrai pour n= 2. Supposons pour
un nfixé que c’est vrai pour tout 2k < n. On a alors pn= 1/n + 1/n(p2+· · · +pn1) =
1/n + (n2)/(2n)=1/2, ce qui donne le résultat.
Exercice 3. 1. L’espace probabilisé associé à cette expérience peut s’écrire
Ω = {(a1, a2, . . . , am) : ai∈ {1, . . . , M}, ai6=ai, si i6=j}.
Le cardinal de cet ensemble est card()=Am
M=M(M1) · · · (Mm+ 1). Celui-ci étant muni
de la probabilité uniforme, on a pour tout A∈ P(Ω),
P(A) = X
ωA
P({ω}) = card(A)
card(Ω) .
2. D’une part, Ak:= {Bk= 1}={(a1,· · · , am)Ω : ak∈ {1,2,· · · , b}}. D’autre part, l’application
AkA1
(a1, . . . , ak, . . . , am)7→ (ak, a2, . . . , ak1, a1, ak+1, . . . , am)
est une bijection de Akdans A1, d’où Card(Ak) = Card(A1). Or Card(A1) = b(M1) · · · (M
m+ 1) et l’on a P(Ak) = b/M. (Remarquons que la probabilité de l’événement Akne dépend pas
de ket est égale à la proportion de boules blanches dans l’urne).
Pour k6=`, de même qu’à la question précédente, on peut établir une bijection entre {Bk=
1} ∩ {B`= 1)}et {B1= 1} ∩ {B2= 1)}, d’où P(Bk= 1, B`= 1) = P(B1= 1, B2= 1) =
Card({B1=1}∩{B2=1)})
Card(Ω) et Card({B1= 1}∩{B2= 1)}) = b(b1)(M2) · · · (Mm+ 1). D’où
P(Bk= 1, B`= 1) = b(b1)
M(M1) 6=P(Bk= 1)P(B`= 1) = b2
M2.
Donc les v.a. (Bk)1kmne sont pas indépendantes.
3. Pour 1km, par le même argument de bijection, on a
P(Sm=k) = Ck
m
Ak
bAmk
Mb
Am
M
(où Ak
n=n!
(nk)! désigne le nombre d’arrangements de kéléments parmi net Ck
n=n!
k!(nk)! le
nombre de combinaisons de kéléments parmi n) et E[Sm] = Pm
k=1 E[Bk] = Pm
k=1 b
M=mb
M.
2
4. On a Var(Bk) = E[B2
k]E[Bk]2=P(Bk= 1) E[Bk]2=b
M1b
M.
Pour 1k, ` m,k6=`,
Cov(Bk, B`) = E[BkB`]E[Bk]E[B`] = X
i,j∈{0,1}
ijP(Bk=i, B`=j)E[Bk]E[B`]
=P(Bk= 1, B`= 1) E[Bk]E[B`] = b(b1)
M(M1) b2
M2=b
Mb1
M1b
M.
On en déduit que
Var(Sm) = Var m
X
k=1
Bk!=
m
X
k=1
Var(Bk)+2 X
1k<`m
Cov(Bk, B`)
=
m
X
k=1
b
M1b
M+ 2 X
1k<`m
b
Mb1
M1b
M
=mb
M1b
M+m(m1)b
Mb1
M1b
M=mb
M1b
M+ (m1) b1
M1b
M.
Exercice 4. 1. La loi de Mest donnée par P(M=k) = P(Mk)P(Mk+ 1),kN. Or
P(Mk) = P(Uk, V k) = P(Uk)P(Vk)
et
P(Uk) = P(Vk) = X
jk
P(U=j) = X
jk
p(1 p)j=p(1 p)kX
j0
(1 p)j= (1 p)k.
D’où P(Mk) = (1 p)2ket
P(M=k) = P(Mk)P(Mk+1) = (1p)2k(1p)2k+2 = (1p)2k(1(1p2)) = p(2p)(1p)2k.
2. Pour kNet rZ,
P(M=k, W =r) = P(min(U, V ) = k, V U=r) = (P(U=k, V U=r)si r0
P(V=k, V U=r)si r < 0.
Donc, si r0,
P(M=k, W =r) = P(U=k, V =r+k) = P(U=k)P(V=r+k) = p2(1 p)2k+r
et si r < 0,
P(M=k, W =r) = P(V=k, U =kr) = P(V=k)P(U=kr) = p2(1 p)2kr.
On obtient finalement pour kNet rZ,P(M=k, W =r) = p2(1 p)2k+|r|.
3. La loi de West donnée, pour rZ, par
P(W=r) = X
kN
P(M=k, W =r) = X
kN
p2(1 p)2k+|r|=p(1 p)|r|
2p.
On voit alors que, pour tous kNet rZ,P(M=k, W =r) = P(Mk)P(W=r)donc M
et Wsont indépendantes.
3
Exercice 5. 1. Par définition, la fonction génératrice de Sest, pour s[0,1],
GS(s) = E[sS] = s0P(N= 0) + X
k1
EhsPk
i=1 Xi1{N=k}i.
Puisque Net la suite (Xi)sont indépendantes, on a
GS(s) = P(N= 0) + X
k1
EhsPk
i=1 XiiP(N=k).
Enfin, puisque les Xisont indépendantes et de même loi, on a
EhsPk
i=1 Xii=
k
Y
i=1
GXi(s) = GX1(s)k.
Ceci vaut 1 pour k= 0. Donc
GS(s) = X
k0GX1(s)kP(N=k) = GNGX1(s)=GNGX1(s).
De plus, GX1(s)=1p+ps.
On a E[S] = G0
S(1) et Var(S) = G00
S(1) + G0
S(s)G0
S(s)2. Or, G0
S(s) = G0
NGX1(s)G0
X1(s)et
G00
S(s) = G0
NGX1(s)G00
X1(s) + G00
NGX1(s)G0
X1(s)2.
Donc E[S] = E[N]E[X1]car GX1(1) = 1,E[S2] = E[N]E[X1(X11)] + E[N2]E[X1]2, d’où
Var(S) = E[N]Var(X1) + Var(N)E[X1]2.
2. (a) Si N∼ P(λ),λ > 0, alors la fonction génératrice de Nest GN(s) = eλ(s1),s[0,1], et
celle de Sest GS(s) = GNGX1(s) = eλp(s1). Donc Ssuit une loi de Poisson de paramètre
λp.
(b) On remarque que Test la somme arrêtée en Nde v.a. i.i.d. de loi de Bernoulli de paramètre
1p, donc Tsuit une loi de Poisson de paramètre λ(1 p). On a donc pour j, k N,
P(S=k) = (λp)k
k!eλp,P(T=j) = (λ(1p))j
j!eλ(1p)et
P(S=k, T =j) = P(S=k, N =j+k) = P N
X
i=1
Xi=k, N =j+k!
=P j+k
X
i=1
Xi=k, N =j+k!=P j+k
X
i=1
Xi=k!P(N=j+k)
=Ck
j+kpk(1 p)jλj+k
(j+k)!eλ=(λp)k
k!eλp (λ(1 p))j
j!eλ(1p)
=P(S=k)P(T=j).
3. (a) Comme p=1
2,Set Tont même loi, à savoir Pλ
2. Comme N=S+Tet que Set Tsont
indépendantes, on a en utilisant le résultat de la question 1.
s[0,1], GN(s) = GS+T(s) = GS(s)GT(s) = GS(s)2=GN1 + s
22
.
4
Par récurrence, en prenant pour cas initial n= 1 prouver ci-dessus, et en faisant l’hypothèse
que la propriété est satisfaite au rang k,i.e. pour tout s[0,1],GN(s) = GN1 + s1
2k2k,
on a au rang k+ 1
GN(s) = GN1 + s1
2k2k
=
GN 1 + 1 + s1
2k
2!2
2k
=GN1 + s1
2k+1 2k+1
.
La propriété est donc vraie pour tout nN.
(b) En effectuant un développement limité de GN, à s[0,1] fixé, quand ntend vers +, on a
GN(s) = GN1 + s1
2n2n
=GN(1) + s1
2nG0
N(1) + os1
2n2n
=1 + s1
2nc+os1
2n2n
n→∞ ec(s1)
en utilisant que ex= limn→∞ 1 + x
nn. Donc Nsuit une loi de Poisson de paramètre c.
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