Chapitre 17
Estimations et échantillonnages.
I Intervalle de fluctuation asymptotique.
1 L’intervalle de fluctuation pour une variable aléatoire qui suit une loi binomiale.
Xest une variable aléatoire qui suit la loi binomiale B(n;p).
On note Fla suite définie sur les entiers 0, 1, ···,n, par F(K) = P(X6K). Dans votre calculatrice cette fonction F
est dans l’écran des distributions, DISTR ,B :binomFRép.
Utilisons le programme ci-dessous :
Algorithme : Programme pour Texas Instrument
Entrée : On demande le nombre d’essais N et la pro-
babilité d’un succès P.
Input "NB ESSAIS : ",N
Input "PROBA SUCCES : ",P
Initialisation : la variable K prend la valeur 0 0 K
Traitement 1 :
Tant Que F(K)<0,025
la variable K prend la valeur K+1
Fin du Tant Que
While binomFRép(N,P,K) < 0.025
K+1 K
End
Affichage 1 : on affiche K Disp "A=",K
Traitement 2 :
Tant Que F(K)60,975
la variable K prend la valeur K+1
Fin du Tant Que
While binomFRép(N,P,K) 60.975
K+1 K
End
Affichage 2 : on affiche K Disp "B=",K
Que réalise ce programme, cet algorithme ? Vous pouvez l’utiliser avec la variable aléatoire Xqui suit la loi B(100; 0,6).
Ainsi, les nombres A et B affichés vérifient :
177
178
CHAPITRE 17. ESTIMATIONS ET ÉCHANTILLONNAGES.
wP(X < A)<0,025 et P(X6A)>0,025.
wP(X6B)60,975 et P(X > B)>0,975.
wAinsi P(A6X6B)>0,95.
soit ici wP(X < ···)<0,025 et P(X6···)>0,025.
wP(X6···)60,975 et P(X > ···)>0,975.
wAinsi P(······6X6······)>0,95.
On définit la variable aléatoire Fpar F=X
n, donc, avec l’exemple précédent, F=X
100. Cette variable aléatoire
représente les fréquences de la variable aléatoire X. Avec les notation précédentes :
A6X6B
A
n6X
n6B
n
Ainsi, PA
n6F6B
n>0,95. On peut aussi écrire en utilisant un intervalle PFA
n;B
n>0,95.
Définition Cet intervalle est l’intervalle de fluctuation de Fau seuil de 95%.
Donner l’intervalle de fluctuation obtenue avec le programme précédent :
Remarque Si on finit une suite de variables aléatoires Xnnest un entier naturel strictement positif, Xn
suivant la loi binomiale B(n;p), on obtient ainsi une suite d’intervalles au seuil de 95%. Le problème ici, c’est que
nous n’avons aucune formule explicite qui permette de déterminer cette suite d’intervalles.
2 Avec le théorème de Moivre-Laplace.
On rappelle ce théorème :
Théorème pest un nombre réel de l’intervalle ]0; 1[.Zest une variable aléatoire qui suit la loi normale N(0; 1).
6On définit une suite de variables aléatoires Xnnest un entier naturel strictement positif. Quel que soit le nombre
entier naturel n>1,Xnsuit la loi binomiale B(n;p).
6Pour tout entier naturel n,µ=Xn=np et σ=pnp(1 p).
6Pour tout entier n>1, on note Znla variable centrée réduite associée à la variable aléatoire Xn,Zn=Xnnp
pnp(1 p).
Alors, quels que soient les nombres réels aet b(a < b),
lim
n+P(a < Zn< b) = P(a < Z < b) = Zb
a
1
2πex2
2dx
I. INTERVALLE DE FLUCTUATION ASYMPTOTIQUE.
179
On peut réécrire ce théorème en introduisant la suite de variables aléatoires (Fn)définie pour tout entier n>1par
Fn=Xn
n, pour un encadrement du type u < Zn< u. On a alors :
wOn note alors que :
P(u < Zn< u) = P u < Xnnp
pnp(1 p)< u!
P(u < Zn< u) = Pupnp(1 p)< Xnnp < upnp(1 p)
P(u < Zn< u) = Pnp upnp(1 p)< Xn< np +upnp(1 p)
P(u < Zn< u) = P pupnp(1 p)
n< Fn< p +upnp(1 p)
n!
P(u < Zn< u) = P pupp(1 p)
n< Fn< p +upp(1 p)
n!
wEn écrivant ces inégalités sous forme d’intervalle, on obtient :
P(Zn[u;u]) = P Fn"pupp(1 p)
n;p+upp(1 p)
n#!
wOn peut alors appliquer le théorème de Moivre-Laplace :
lim
n+P pupp(1 p)
n< Fn< p +upp(1 p)
n!=P(u < Z < u)
Où bien, avec des intervalles :
lim
n+P Fn"pupp(1 p)
n;p+upp(1 p)
n#!=P(Z[u;u])
On rappelle que Zsuit la loi normale N(0; 1).
Théorème pest un nombre réel de l’intervalle ]0; 1[.Zest une variable aléatoire qui suit la loi normale N(0; 1).
6On définit une suite de variables aléatoires Xnnest un entier naturel strictement positif. Quel que soit le nombre
entier naturel n>1,Xnsuit la loi binomiale B(n;p).
6La suite de variables aléatoires (Fn)est définie pour tout entier n>1par Fn=Xn
n.
6αest un nombre réel, 0< α < 1. On note ul’unique réel qui vérifie P(u6Z6u) = 1 α.
6On note Inl’intervalle "pupp(1 p)
n;p+upp(1 p)
n#.
Alors lim
n+P(FnIn) = P(u < Z < u) = 1 α.
Définition L’intervalle In="pupp(1 p)
n;p+upp(1 p)
n#est l’intervalle de fluctuation asymptotique de
Fn=Xn
nau seuil de 1α. C’est à dire que, Fnappartient à l’intervalle Inavec une probabilité proche de 1α.
En utilisant le cours sur la loi normale N(0; 1) :
6avec α= 0,05, on a vu que u= 1,96 ;
6avec α= 0,01, on a vu que u= 2,58.
On obtient deux intervalles de fluctuation asymptotiques de référence :
180
CHAPITRE 17. ESTIMATIONS ET ÉCHANTILLONNAGES.
6In ="p1,96 pp(1 p)
n;p+ 1,96 pp(1 p)
n#est l’intervalle de fluctuation asymptotique
de Fn=Xn
nau seuil de 95% ;
6In ="p2,58 pp(1 p)
n;p+ 2,58 pp(1 p)
n#est l’intervalle de fluctuation asymptotique
de Fn=Xn
nau seuil de 99%
On peut l’illustrer avec un tableur :
Exercice sur le livre : faire l’exercice n7 page 444.
3 L’intervalle de fluctuation vu en seconde.
Remarque On note que les bornes supérieures et inférieures des intervalles de fluctuation asymptotiques au seuil
de 95% dépendent de la fonction f:p7−1,96pp(1 p)0< p < 1. On peut étudier cette fonction pour la
majorer.
I. INTERVALLE DE FLUCTUATION ASYMPTOTIQUE.
181
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.2
0.2 0.4 0.6 0.8 1.00.2
On peut voir sur la représentation graphique de fque le maximum est inférieur à 1. On fait une étude des variations
pour le prouver. On note que f(p) = 1,96ppp2.
f(p) = 1,96 12p
2ppp2. On voit que cette dérivée est du signe de 12p.
Le tableau de variation de fest :
p01
21
signe de f(p) + 0
f1
2
f(p)
✸ ◗
s
0 0
Le maximum est f1
2= 1,96r1
21
4= 1,96 ×1
2= 0,98.
Ainsi, pour tout p]0; 1[,1,96pp(1 p)<1. L’intervalle Jn=p1
n;p+1
ncontient l’intervalle In. L’intervalle
de fluctuation du cours de seconde est plus grand que celui de terminale, c’est pourquoi :
PFnp1
n;p+1
n>0,95
4 En pratique.
6Ces intervalles de fluctuation asymptotique peuvent être utilisés dès que n>30,np >5et n(1 p)>5.
6On les utilise aussi quand on veut estimer si une probabilité p0est égale où pas à une valeur donnée connue
autrement p. Autrement dit, est ce que l’hypothèse p=p0est vraie ou pas ?
La méthode de prise de décision au seuil de 95 % est la suivante :
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