Preuve du Théorème de Moivre-Laplace dans le cas p=1/2
Théorème (Moivre Laplace dans le cas p=1/2)
On suppose que pour tout nN,Xnsuit la loi binomiale B(n, 1
2)avec p]0; 1[.
On pose Zn=Xnn/2
n/2. Alors pour tous réels a et b vérifiant a<b, on a
lim
n+P(aZnb) =
b
Z
a
1
2πet2/2dt
Preuve
P(aZnb) = Pan
2+n
2Xnbn
2+n
2.
Notons In={k[0; n]/an
2+n
2kbn
2+n
2}.
Ainsi P(aZnb) = PkInP(Xn=k)
Quatre remarques qui seront utiles lors de l’examen de P(Xn=k):
1. Comme kan
2+n
2, lorsque ntend vers+,ktend aussi vers +.
2. De l’encadrement an
2+n
2kbn
2+n
2, on déduit que a
2n+1
2k
nb
2n+1
2.
Ainsi,k=O(n)et k
n=1
2+O(1
n).
3. On a de même nk=O(n)et 1k
n=1
2+O(1
n).
4. Pour nous assurer que ket nkdiffèrent de 0, on peut supposer que n > sup(a2;b2)
On va maintenant chercher un équivalent de P(Xn=k)à l’aide de la formule de Stirling que l’on rappelle ci-dessous.
Propriété (formule de Stirling)
n! = 2πnnnen×(1 + εn)avec |εn|<A
nAest une constante réelle indépendante de n.
Soit nun entier naturel strictement supérieur à sup(a2;b2)et soit kIn.
P(Xn=k) = n!
k!(nk)! ×1
2n
=1
2n×2πnnnen(1 + εn)
2πkkkek(1 + εk)×2πnk(nk)nke(nk)(1 + εnk)
(1)
On peut simplifier des 2πet les termes en exponentielles.On obtient :
P(Xn=k) = 1
2π×1
2n×rn
k(nk)×nn
kk(nk)nk×1 + εn
(1 + εk)(1 + εnk)(2)
1
Nous allons examiner successivement les différents facteurs de l’expression ci-dessus.
Commençons par qn
k(nk):
On peut remarquer que qn
k(nk)=1
n×1
k
n(1k
n).
En utilisant les remarques 2 et 3 ci-dessus et le développement limité 1
1+u= 1 + O(u), on déduit que :
rn
k(nk)=1
n×1
q1
4+O(1
n)
=1
n×1
1
2×q1 + O(1
n)
=2
n×(1 + O(1
n)(3)
Etudions maintenant 1
2n×nn
kk(nk)nk:
En remarquant que 2n= 2k×2nket nn=nk×bnk,on peut écrire :
1
2n×nn
kk(nk)nk=1
(2 k
n)k×2(1 k
n)nk(4)
Prenons le logarithme népérien de cette dernière expression :
ln 1
(2 k
n)k×2(1 k
n)nk!=k×ln(2k
n)(nk)ln(2 2k
n)
=k×ln 1+(2k
n1)(nk)ln 1 + (1 2k
n)
(5)
On applique maintenant le développement limité ln(1+t) = tt2
2+O(t3)dans un premier temps à ln 1+(2k
n1)
puis ensuite à ln 1 + (1 2k
n).
#ln 1+(2k
n1)=2k
n11
2×2k
n12+O(2k
n1)3
#ln 1 + (1 2k
n)= 1 2k
n1
2×(1 2k
n)2+O(1 2k
n)3
On réinjecte ces deux D.L dans l’équation (5), on développe, on réduit et on factorise le tout avec Xcas
et on obtient (2kn)2
2n.
On réécrit l’expression (2kn)2
2nafin de faire apparaître l’espérance et la variance d’une loi B(n, 1
2):
(2kn)2
2n=4(kn/2)2
2n=1
2
(kn/2)2
n/4(6)
N’oublions pas les termes en O(2k
n1)3des deux DL.
Réinjectés dans l’équation (5), ils donnent kO (2k
n1)3+ (nk)O(1 2k
n)3
De l’expression k
n=1
2+O(1
n)obtenue dans la remarque no2,on déduit que 2k
n1 = O(1
n).
On a aussi vu dans les remarques (2) et (3) que k=O(n)et nk=O(n).
Ainsi, on peut écrire que :
kO (2k
n1)3+ (nk)O(1 2k
n)3=O(n)×O(1
n)3+O(n)×O(1
n)3=O1
n(7)
L’équation (5) devient donc :
ln 1
(2 k
n)k×2(1 k
n)nk!=1
2
(kn/2)2
n/4+O1
n(8)
2
En passant à l’exponentielle et en utilisant le développement limité eu= 1 + O(u),on peut écrire que :
1
(2 k
n)k×2(1 k
n)nk=e1
2
(kn/2)2
n/4+O1
n=e1
2
(kn/2)2
n/4×eO1
n=e1
2
(kn/2)2
n/4×(1 + O(1
n)) (9)
Il ne reste plus qu’à examiner le terme 1+εn
(1+εk)(1+εnk):
Par définition des « ε», il existe une constante réelle A telle que εn<A
n,εk<A
ket εnk<A
nk.
Ce qui signifie que εn=O(1
n),εk=O(1
k)et εnk=O(1
nk).
On a supposé n > sup(a2;b2), ce qui implique que 0< an
2+n
2kbn
2+n
2.
Par conséquent 1
bn
2+n
21
k1
an
2+n
2
.Ce qui s’écrit encore 1
n×2
b
n+1 1
k1
n×2
a
n+1 On déduit de cet
encadrement que 1
k=O(1
n). On peut obtenir de même que 1
nk=O(1
n). Ainsi tous les « ε»sont des O(1
n).
Ce qui permet d’affirmer que 1+εn
(1+εk)(1+εnk)=O(1
n).
En réinjectant le résultat ci-dessus ainsi que les résultats (3) et (9) dans l’égalité (2), on obtient :
P(Xn=k) = 1
2π×2
n×e1
2
(kn/2)2
n/4×(1 + O(1
n)) (10)
Remarque
On peut interpréter graphiquement le résultat ci-dessus avant de poursuivre la démonstration.
La densité de probabilité d’une loi normale d’espérance n
2et d’écart type n
2a pour expression fn(x) = e1
2
(xn/2)2
n/4.
La relation (10) implique donc que, lorsque n tend vers +,P(Xn=k)fn(k).
Le graphique ci-dessous illustre cela.
Retour à la preuve
Grâce à l’égalité (10), on peut écrire que
P(aZnb) = X
kIn
P(Xn=k) = X
kIn
1
2π×2
n×e1
2
(kn/2)2
n/4×(1 + O(1
n))
La variable aléatoire Znprend pour valeur les nombres zk=kn/2
n/2pour kallant de 1 à n.
Si on note fla densité de probabilité de la loi normale N(0; 1) qui est, rappelons le, définie par f(x) = 1
2π×ex2/2
alors P(aZnb) = PkIn
2
n×f(zk)×(1 + O(1
n)).
Notons i= min{kIn}et j= max{kIn}.
On a donc
P(aZnb) =
j
X
k=i
2
n×f(zk) +
j
X
k=i
2
n×f(zk)×O(1
n)
Pour démontrer le théorème de Moivre-Laplace,nous allons étudier la différence |P(aZnb)Rb
af(x)dx|
De ce qui précède et de l’inégalité triangulaire, on déduit que :
P(aZnb)Zb
a
f(x)dx
j
X
k=i
2
n×f(zk)Zb
a
f(x)dx
+
j
X
k=i
2
n×f(zk)× |O(1
n)|(11)
3
Nous allons étudier successivement les deux termes de la somme ci-dessus.
Commençons par le second :
Comme les zkforment une subdivision régulière de l’intervalle [a ;b] de pas 2
n, le nombre de termes de cette
somme est majorée par (ba)(n
2+ 1). En remarquant de plus que fest majorée par 1, on en déduit que :
j
X
k=i
2
n×f(zk)× |O(1
n)| ≤ (ba)(n
2+ 1) ×2
n× |O(1
n)| ≤ (ba)(1 + 2
n)× |O(1
n)|(12)
Passons maintenant au premier terme de la somme (11) :
Cette somme ressemble à une somme de Riemann au bord près.
En effet les zkréalisent une subdivision de [a;b]de pas 2
nmais qui ne commence pas à aet ne se termine pas
àb.
Elle commence à ziet se termine à zjiet jont été défini un peu plus haut. On fait apparaître des intégrales
dans la première somme, en intégrant la fonction constantex7→ f(zk)sur l’intervalle [zk;zk+1]qui a pour longueur
2
n:2
n×f(zk) = Rzk+1
zkf(zk)dx. Puis on écrit Rb
af(x)dx sous forme de somme en utilisant la relation de Chasles
et en faisant attention aux bords comme signalé ci-dessus. On obtient donc :
j
X
k=i
2
n×f(zk)Zb
a
f(x)dx
2
nf(zj) +
j1
X
k=iZzk+1
zk
f(zk)dx
j1
X
k=iZzk+1
zk
f(x)dx Zzi
a
f(x)dx Zb
zj
f(x)dx
2
nf(zj) +
j1
X
k=iZzk+1
zk|f(zk)f(x)|dx +Zzi
a
f(x)dx +Zb
zj
f(x)dx
(13)
D’une part fest majorée par 1, et les intervalles [a;zi]et [zj;b]ont une longueur inférieure ou égale à 2
npar
définition de iet j.
Ce qui permet de majorer les termes 2
nf(zj),Rzi
af(x)dx et Rb
zjf(x)dx par 2
n.
D’autre part, la fonction fétant lipschitzienne (sa dérivée est bornée), il existe un réel strictement positif M tel
que |f(zk)f(x)| ≤ M|zkx|.
Or lorsque xapparient à l’intervalle [zk;zk+1]qui a pour longueur 2
n,|zkx| ≤ 2
n.
On en déduit que :
Zzk+1
zk|f(zk)f(x)| ≤ Zzk+1
zk
M|zkx|dx
Zzk+1
zk
M×2
ndx
(zk+1 zk)×M×2
n
2
n×M×2
n
4M
n
(14)
En sommant ces inégalités (il y en a au plus (ba)( n
2+ 1)), on on obtient :
j1
X
k=iZzk+1
zk|f(zk)f(x)|dx
j1
X
k=i
4M
n(ba)(n
2+ 1) ×4M
n(15)
Finalement,
j
X
k=i
2
n×f(zk)Zb
a
f(x)dx3×2
n+ (ba)(n
2+ 1) ×4M
n(16)
Les majorations (12) et (16) reportées dans l’inégalité (11) terminent la démonstration . . .
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