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Leçon 5

Variable aléatoire, loi de probabilité, fonction de répartition

Le cours écrit

5.1 Variable aléatoire

Définition. Une variable aléatoire XX est une fonction qui, à chaque éventualité de Ω\Omega, associe un nombre réel. L'ensemble des valeurs prises par XX se note X(Ω)X(\Omega).

Notations. Pour un réel xx :

  • (X=x)(X = x) désigne l'événement « XX prend la valeur xx », c'est-à-dire l'ensemble des éventualités ω\omega telles que X(ω)=xX(\omega) = x ; sa probabilité se note P(X=x)P(X = x) ;
  • de même pour (X≤x)(X \leq x), (X>x)(X > x), (a<X≤b)(a < X \leq b), etc.

Exemple 1 (un jeu, situation simplifiée). On lance un dé équilibré. Si on obtient 11, 22 ou 33, on perd 100100 F ; si on obtient 44 ou 55, on gagne 5050 F ; si on obtient 66, on gagne 200200 F (F désigne le franc CFA). Le gain XX est une variable aléatoire : X(1)=X(2)=X(3)=−100X(1) = X(2) = X(3) = -100, X(4)=X(5)=50X(4) = X(5) = 50, X(6)=200X(6) = 200, et X(Ω)={−100 ;50 ;200}X(\Omega) = \{-100\,;50\,;200\}.

5.2 Loi de probabilité

Définition. Si X(Ω)={x1 ;x2 ;… ;xr}X(\Omega) = \{x_1\,;x_2\,;\dots\,;x_r\}, avec x1<x2<⋯<xrx_1 < x_2 < \dots < x_r, déterminer la loi de probabilité de XX, c'est donner la probabilité pi=P(X=xi)p_i = P(X = x_i) de chacune des valeurs. On la présente dans un tableau. Les événements (X=xi)(X = x_i) forment une partition de Ω\Omega, donc p1+p2+⋯+pr=1.p_1 + p_2 + \dots + p_r = 1.

Méthode. 1. Lister les valeurs possibles de XX. 2. Pour chaque valeur, trouver les éventualités qui la donnent et calculer sa probabilité. 3. Vérifier que la somme vaut 11.

Exemple 1 (suite).

xix_i −100-100 5050 200200
P(X=xi)P(X = x_i) 36=12\dfrac36 = \dfrac12 26=13\dfrac26 = \dfrac13 16\dfrac16

Vérification : 12+13+16=1\dfrac12 + \dfrac13 + \dfrac16 = 1.

Exemple 2. Une urne contient 33 boules rouges et 22 boules vertes. On tire simultanément 22 boules et on note XX le nombre de boules rouges obtenues. card Ω=C52=10\mathrm{card}\,\Omega = C_5^2 = 10 et X(Ω)={0 ;1 ;2}X(\Omega) = \{0\,;1\,;2\}.

  • P(X=0)=C2210=110P(X = 0) = \dfrac{C_2^2}{10} = \dfrac{1}{10} ; P(X=1)=C31×C2110=610P(X = 1) = \dfrac{C_3^1 \times C_2^1}{10} = \dfrac{6}{10} ; P(X=2)=C3210=310P(X = 2) = \dfrac{C_3^2}{10} = \dfrac{3}{10}.
  • Vérification : 1+6+310=1\dfrac{1 + 6 + 3}{10} = 1.

5.3 Fonction de répartition

Définition. La fonction de répartition de XX est la fonction FF définie sur R\mathbb{R} par F(x)=P(X≤x).F(x) = P(X \leq x).

Calcul. F(x)F(x) est la somme des probabilités des valeurs xix_i inférieures ou égales à xx :

  • si x<x1x < x_1, aucune valeur ne convient : F(x)=0F(x) = 0 ;
  • si x1≤x<x2x_1 \leq x < x_2 : F(x)=p1F(x) = p_1 ; si x2≤x<x3x_2 \leq x < x_3 : F(x)=p1+p2F(x) = p_1 + p_2 ; et ainsi de suite ;
  • si x≥xrx \geq x_r : F(x)=1F(x) = 1.

Propriétés.

  • FF est croissante sur R\mathbb{R}, à valeurs dans [0 ;1][0\,;1].
  • FF est constante sur chaque intervalle [xi ;xi+1[[x_i\,;x_{i+1}[ : sa courbe est en escalier. En xix_i, elle fait un saut de hauteur pip_i.
  • Pour a<ba < b : P(a<X≤b)=F(b)−F(a)P(a < X \leq b) = F(b) - F(a) et P(X>a)=1−F(a)P(X > a) = 1 - F(a).

Exemple 1 (suite). Pour le jeu : F(x)={0si x<−10012si −100≤x<5056si 50≤x<2001si x≥200F(x) = \begin{cases} 0 & \text{si } x < -100 \\ \dfrac12 & \text{si } -100 \leq x < 50 \\ \dfrac56 & \text{si } 50 \leq x < 200 \\ 1 & \text{si } x \geq 200 \end{cases} En effet, pour 50≤x<20050 \leq x < 200, F(x)=P(X=−100)+P(X=50)=12+13=56F(x) = P(X = -100) + P(X = 50) = \dfrac12 + \dfrac13 = \dfrac56.

Représentation. Sur chaque intervalle, on trace un segment horizontal ; l'extrémité gauche est un point plein (la valeur est atteinte), l'extrémité droite un point creux (elle ne l'est pas).

Exemple 2 (suite). F(x)=0F(x) = 0 si x<0x < 0 ; F(x)=0,1F(x) = 0{,}1 si 0≤x<10 \leq x < 1 ; F(x)=0,7F(x) = 0{,}7 si 1≤x<21 \leq x < 2 ; F(x)=1F(x) = 1 si x≥2x \geq 2. Par exemple P(X>0)=1−F(0)=0,9P(X > 0) = 1 - F(0) = 0{,}9.

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Exercice 9

  • Exercice 9 : loi et fonction de répartition

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