la feuille exos de probas (Sujets de la banque CCP filière MP)
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la feuille exos de probas (Sujets de la banque CCP filière MP)
Probabilités. Exercices conseillés 1) On considère une variable aléatoire X à valeurs (discrètes) dans [0; 1], de moyenne p. Montrer que le moment m d’ordre 2 véri…e p2 m p, et préciser les cas d’égalité. 2) Soit (Xn )n2N une suite de v.a. i.i.d. de même loi que X d’espérance …nie et de moment d’ordre 2 …ni. P On pose Sn = n1 nk=1 Xk . Montrer que pour tout " > 0, limn!+1 P (jSn j ") = 1: 3) a) Soit X une variable aléatoire suivant la loi géométrique de paramètre p 2]0; 1[ : 8k 2 N, P (X > k) = q k . On considère Y = 21 X si X est pair, et 0 sinon. Calculer E(Y ). b) Soit X une v.a. suivant la loi de Poisson de paramètre > 0. On pose : Y = ( 1)X : Calculer E(Y ). P P+1 k pq q 2k 1 = = 2k) = +1 = (1+q) 2 p , car k=1 kpq k=1 kx (1 q 2 )2 P k b) Par le théorème du transfert, E(Y ) = +1 e =e 2 : k=0 ( 1) P (X = k) = e Solution : a) E(Y ) = P+1 k=0 kP (X 1 = (1 2: x) 4) Soit n 2 N . On considère n boules numérotées de 1 à n que l’on place au hasard dans n urnes numérotées aussi de 1 à n, chaque urne pouvant recevoir de 0 à n boules. a) Calculer la probabilité pn que chaque urne contienne exactement une boule. Déterminer limn!+1 pn : b) Calculer la probabilité qn qu’au moins une urne contienne la boule de même numéro. Déterminer limn!+1 qn : 5) Soient n particules radioactives ayant chacune une probabilité p de se désintégrer durant une durée : a) Donner la loi de Xn , où Xn le nombre de particules désintégrées entre les instants 0 et : Que peut-on dire de la loi de Xn si n grand et p = n ? b) Pour une particule donnée, on pose Y = k si elle se désintègre entre les instants k et (k + 1) . Préciser la loi et la série génératrice de Y . 6) Soit X et Y deux variables aléatoires indépendantes qui suivent des lois de Poisson de paramètres et . Montrer que la loi de X sachant X + Y = n est binomiale. 7) Soient p 2]0; 1[, et X, Y deux variables aléatoires à valeurs dans N: On suppose que : - X suit une loi de Poisson de paramètre >0; - Pour tout n 2 N, la loi conditionnelle de Y sachant (X = n) est une loi binomiale de paramètres n et p: a) Déterminer la loi du couple (X; Y ). Montrer que Y suit une loi de Poisson de paramètre p. b) Déterminer la loi de X Y . Etablir l’indépendance des variables aléatoires Y et X Y: c) Calculer le coe¢ cient de corrélation linéaire de X et Y . Solution : a) P (Y = k; X = n) = P (Y = k j X = n)P (X = n) = nk pk q n k P 1 k q k e = e p ( k!p) : Donc P (Y = k) = +1 n=k P (Y = k; X = n) = k! p e b) On passe de Y à X On a P (Y = k; X Y en inversant les rôles de p et q. donc X Y =n k) = P (Y = k; X = n) = pk k k!(n k)! e p n ke n! = 1 k n k ne k!(n k)! p q : Y suit une loi de Poisson de paramètre q. qn k n k (n k)! e q = P (Y = k)P (X Y =n k): Y; Y ) = 0, donc par bilinéarité, cov(X; Y ) = cov(Y; Y ) = V (Y ) = (Y )2 : p p ) (Y ) pp = Donc le coe¢ cient de corrélation linéaire est r = cov(X;Y p: (X) (Y ) = (X) = c) Par b), on a : cov(X Remarque : La variance d’une loi de Poisson se calcule à l’aide de G00 (1) + G0 (1) G0 (1)2 , où G(z) = e (z 1) : 8) Loi binomiale négative. a) Soient p 2]0; 1[ et m 2 N . On pose q = 1 b) On considère une suite de variables aléatoires (Xn )n2N m p p. Déterminer les coe¢ cients du DSE de f (z) = . 1 qz indépendantes de même loi de Bernoulli B(p): On note N le nombre d’échecs précédant le m-ième succès dans (Xn )n2N , c’est-à-dire le nombre d’entiers k < n tels que Xk = 0, où Xn est le n-ième terme de la suite valant 1: Déterminer la loi de N . Solution : a) Le coe¢ cient en z n est pm q n n+m 1 n car (1 z) m = P+1 n=0 n+m 1 n zn: b) N est la somme de m variables indépendantes qui suivent la loi (géométrique) du premier succès G(p). 9) a) Soit X une variable aléatoire sur un espace probabilisé ( ; A; P ): Pour A 2 A, on note E(X j A) l’espérance de X pour la probabilité conditionnelle PA : P Soit (Bn )n2J est une partition de . Montrer que E(X) = n2J E(X j An )P (An ): b) Formule de Wald. On considère un poulaillier. Le nombre de poules suit une loi N . Le nombre d’œufs par poule suit une loi M: On note T le nombre total d’œufs. Montrer que E(T ) = E(N )E(M ): Indication : On pourra justi…er que GT (z) = GN (GM (z)) ou bien utiliser a). 10) Un ascenseur dessert n étages d’un immeuble. À chaque voyage, le nombre de personnes qui montent dans l’ascenseur au rez-de-chaussée est une variable aléatoire réelle notée X qui suit une loi de Poisson de paramètre : On émet les hypothèses suivantes : - Aucun arrêt n’est dû à des personnes désirant monter dans l’ascenseur à un autre niveau que le rez-de-chaussée. - Chaque personne choisit son étage au hasard et indépendamment des autres passagers. Ces choix se font dans l’ordre d’entrée des passagers dans l’ascenseur. On note S le nombre d’arrêts de l’ascenseur lors d’un voyage donné. a) Soit k 2 N et 1 j n. Trouver une relation entre P (S = j j X = k + 1), P (S = j j X = k) et P (S = j 1 j X = k). b) En déduire, pour tout entier naturel k, l’espérance de S sachant que X = k, puis E(S). 11) Nombre de points …xes d’une permutation. On note Sn l’ensemble des permutations de f1; 2; :::; ng. Pour 2 Sn , on note X( ) le nombre de points …xes de . Calculer E(X) et V (X). Solution : Posons X = Pn j=1 Xj , où Xj ( ) = 1 (j)=j , c’est-à-dire Xj (!) = 1 si !(j) = j et 0 sinon. Comme Xj suit une loi de Bernoulli B( n1 ). Par conséquent, E(Xj ) = 1 n et V (Xj ) = 1 n(n 1) , donc Cov(Xi ; Xj ) 1) n2 (n1 1) = 1: Et 8i 6= j, E(Xi Xj ) = P (Xi = 1)P (Xj = 1 j Xi = 1) = Donc E(X) = n 1 n = 1 et V (X) = n n 1 n2 + n(n 12) Loi du plus petit numéro. Soient m et n 2 N , avec m = n 1 : n2 1 n(n 1) 1 n2 = 1 : n2 (n 1) n. Une urne contient n boules numérotées de 1 à n. On e¤ectue m tirages. On cherche la loi du plus petit numéro X obtenu dans les deux cas suivants : n k a) Les tirages sont e¤ectués avec remise. Montrer que pour tout k 2 f1; 2; :::; ng, P (X > k) = n n En déduire que, à m …xé, E(X) lorsque n tend vers l’in…ni. m+1 b) Les tirages sont e¤ectués sans remise. Montrer que pour tout k 2 f1; 2; :::; n m + 1g, P (X = k) = m : n k m 1 n m : 13) Une puce fait une suite de sauts de longueur 1 dans un plan muni d’un repère orthonormé (O; i; j) ; chaque saut est e¤ectué au hasard et avec équiprobabilité dans l’une des quatre directions portées par les deux axes. Pour tout n 2 N, on note Mn = (Xn ; Yn ) la position de la puce après n sauts. On suppose qu’à l’instant initial 0, la puce est à l’origine O du repère, c’est-à-dire que M0 = (0; 0): a) Les variables aléatoires Xn et Yn sont-elles indépendantes ? b) Calculer E(Xn ) et E(Xn2 ): On note Zn la distance OMn . Montrer que E(Zn ) p n: c) Pour tout n 2 N, on note pn la probabilité que la puce soit revenue à l’origine O après n sauts. On suppose n = 2m pair. Montrer que pn = 4 2m 2m 2 : m Remarque : On utilisera l’identité : d) On propose une autre preuve. On considère Sn = Xn + Yn et Dn = Xn Montrer que Sn et Dn sont indépendantes, et que P (S2m = 0) = 2 2m 2m m 2m m = Yn . . Retrouver pn = 4 Pm k=0 m 2 k : 2m 2m 2 . m 14) Loi de succession de Laplace. On dispose de N urnes (N > 1) notées U1 ; :::; UN : Pour tout k 2 [[1; N ]], l’urne Uk contient k boules rouges et N On choisit une urne Uk avec une probabilité pk = k boules blanches. 1 N: Dans l’urne ainsi choisie (et uniquement dans celle-ci), on procède à une suite de tirages avec remise. Pour m 2 N , on considère l’événement Am : “Au cours des m premiers tirages, on a obtenu m boules rouges”. Et l’événement Bm : “La boule tirée au cours du m-ième tirage est rouge”. a) Exprimer P (Am ) sous forme d’une somme, puis donner une expression de la probabilité P (Bm+1 j Am ). m+1 . b) Montrer que limN !+1 P (Bm+1 j Am ) = m+2 c) Supplément : Que vaut limN !+1 P (Bm+1 j Am ) si on prend pk proportionnel à k (pour 1 k N ) ? 1 PN Solution : a) P (Am ) = N k=1 k N m et P (Bm+1 j Am ) = P (Am+1 ) . b) Sommes de Riemann. P (Am ) 15) Soit (Xn )n2N une suite de variables aléatoires indépendantes, à valeurs dans N , dé…nies sur un même espace probabilisé ( ; T; P ). et suivant toutes la loi géométrique de paramètre p, avec 0 < p < 1. On pose q = 1 Autrement dit, P (Xn > k) = q k pour tout k 2 N: Soit > 0 distinct de 1: L’objet de cet exercice est de calculer la probabilité que la série de terme général converge, c’est-à-dire calculer la probabilité de l’événement A = !2 j P+1 n=1 1 < +1 : n Xn (!) < 1 et on pose = 1 a) Calculer la probabilité de A lorsque > 1. On suppose désormais que 0 < S T+1 b) Montrer que q +1 n ) = 1: En déduire que q(A) = 0: k=1 n=k (Xn Q Q Solution : Le produit in…ni (1 q (n ) ) converge, donc limk!+1 +1 q (n ) ) = 1: n=k (1 S T+1 P1 Si ! 2 +1 n ) , alors n Xn (!) n pour n assez grand, donc ! 2 = A (car k=1 n=k (Xn n diverge). 16) Nombre d’essais nécessaires pour retrouver une valeur déjà obtenue. Soit E un ens …ni de cardinal n, et les Xi des variables aléatoires i.i.d. de loi uniforme à valeurs dans E. On considère T la variable aléatoire dé…nie par T = minfj 2 f2; :::; n + 1g j Xj 2 fX1 ; :::; ; Xj P P k! 1 n! P nk a) Montrer que E(T ) = nk=0 nk k = (n!) nk=0 k = n nk=0 : n k! n n (n k)! R +1 n! P nk x n x b) On pose In = n nk=0 . Montrer que In = 0 1+ e dx: n k! n r p n En utilisant le changement de variable x = nt, montrer que In : 2 1 gg: p. P : 1 n Xn 17) Matrice de covariance. Soit X1 ; :::; Xn des variables aléatoires réelles dé…nies sur un même univers. Autrement dit, X = (X1 ; :::; Xn ) est un vecteur aléatoire à valeurs dans Rn : On considère la matrice de variance-covariance M = (mij )1 dé…nie par mij = Cov(Xi ; Xj ): i n;1 j n Montrer qu’il existe U 2 On (R) telle que les n composantes de Y = XU sont deux à deux de covariance nulle. Indication : Il est essentiel de noter que ' : (X; X 0 ) 7 ! Cov(X; X 0 ) est bilinéaire. P P P P Donc '( ni=1 ai Xi ; nj=1 bj Xj0 ) = ni=1 nj=1 ai bj '(Xi ; Xj0 ): P P On cherche donc U orthogonale telle que ni=1 nj=1 uik ujl mij = 0 pour tous k 6= l, c’est-à-dire t U M U diagonale. 18) Inégalité sous-gaussienne d’une somme de variables aléatoires de Rademacher. Soient X1 ; X2 ; :::; Xn des variables aléatoires mutuellement indépendantes. Posons Sn = X1 + X2 + ::: + Xn . Q a) On suppose les Xk d’espérances …nies. Montrer que E(e Sn ) = nk=1 E(e Xk ) ( P (Xk = ak ) = 12 On suppose désormais que Xk = ak Yk , où Yk variables de Rademacher, c’est-à-dire P (Xk = +ak ) = 12 P b) Montrer que E(e Sn ) exp( 12 2n 2 ), où 2n = nk=1 (ak )2 : Remarque : On pourra utiliser les DSE de ch et exp pour justi…er que ch t c) Montrer que pour a > 0, d) En déduire que P (jSn j > 0, on a P (jSn j a) a2 2 exp 2 2 n 2 exp( 21 a) 2 2 n exp( 21 t2 ). a). 2 , et en conclure que P (jSn j n) 2 exp 2 : Solution : a) Les e Xk sont mutuellement indépendants, car les Xk sont mutuellement indépendants. Q 1 1 b) E(e Sn ) = nk=1 ch( ak ) exp( 21 2n 2 ), car ch t exp( 12 t2 ) puisque : (2k)! 2k k! c) e x e x +e x, donc E(e jSn j ) E(e Sn Sn ) +e 2 exp( 12 E(e jSn j ) 2 exp( 21 a a d) On optimise le second membre en prenant = 2 : Pour a > 0, > 0, on a P (jSn j a) 2 2 ). n 2 2 n a). n On obtient bien P (jSn j a) 2 exp a2 , et avec a = 2 2n n, on obtient le résultat. Dénombrement 1) Soit E un ensemble de cardinal n. Calculer P X E card X. r est d(n) = 2) Montrer que le nombre de diviseurs de n = p1m1 :::pm r Qr k=1 (mk + 1): 3) a) On note an le nombre de couples (u; v) 2 N2 tels que u + 2v = n: Justi…er que an 12 (n + 1): P 1 n Pour jzj < 1, on pose f (z) = +1 . n=0 an z . Montrer que f (z) = (1 z)(1 z 2 ) 1 Remarque culturelle : f (z) = 14 1 1 z + 14 1+z + 12 (1 1z)2 , donc an = 14 (1 + ( 1)n + 2(n + 1)): b) On note cn;m le nombre de m-uplets (x1 ; :::; xm ) 2 Nn tels que x1 + x2 + ::: + xm = n: Justi…er brièvement (avec Fubini) que pour jzj < 1, P+1 n=0 cn;m z n = 1 : En déduire que cn;m = (1 z)m n+m 1 m : 4) a) (Di¢ cile) On note Dn le nombre de dérangements d’un ensemble E de cardinal n, c’est-à-dire les bijections de P P E dans E qui n’admettent aucun point …xe. Montrer que nk=0 nk Dn k = n!, ce qui s’écrit aussi nk=0 nk Dk = n! Solution : On dé…nit une permutation de E par l’ensemble I de ses k points …xes et par un dérangement s de P parties I possibles, et à I …xée, il y a Dn k dérangements, donc n! = nk=0 nk Dn k : n k E r I: Pour k …xé, il y a b) En déduire que Dn = n! Pn k=0 ( 1)k et que Dn k! Remarque : On pourra inverser la matrice Solution : La matrice On a u 1 j i 0 i n;1 j n : P (X) 7 ! P (X Donc Dn = Pn k=0 ( 1)n k n k j i Pn 1 n! 0 i n;1 j n lorsque n ! +1. en considérant u : Kn [X] ! Kn [X] P (X) 7 ! P (X +1): est la matrice de u dans la base canonique. j i 1), donc l’inverse de k! = n! e k=0 ( 1)n k 0 i n;1 j n 1 (n k)! = n! Pn est ( 1)j k=0 ( i j i 0 i n;1 j n 1 1)k k! : Et limn!+1 Pn k=0 ( : 1 1)k k! =e 1: Remarque : cf exo 4) b) : si on considère les applications (et non les permutations), la proportion d’applications sans point …xe vaut (1 1 n n) qui converge aussi vers e 1: