[PDF] Intégration et probabilités (cours + exercices corrigés) L3 MASS

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Int´egration et probabilit´es

(cours + exercices corrig´es)

L3 MASS, Universit´e de Nice-Sophia Antipolis

Sylvain Rubenthaler

Table des mati`eres

Introduction iii

1 D´enombrement (rappels) 1

1.1 Ensembles d´enombrables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2.1´Enonc´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2.2 Corrig´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Th´eorie de la mesure 5

2.1 Tribus et mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1.1 Tribus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2 Mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.3 Int´egrales des fonctions ´etag´ees mesurables positives. . . . . . . . . . . . . . . 9

2.4 Fonctions mesurables et int´egrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.4.1 Int´egrales des fonctions mesurables positives . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.4.2 Int´egrales des fonctions mesurables de signe quelconque. . . . . . . . . 11

2.5 Fonction de r´epartition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.6 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.6.1´Enonc´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.6.2 Corrig´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3 Ensembles n´egligeables 17

4 Th´eor`emes limites 19

4.1 Stabilit´e de la mesurabilit´e par passage `a la limite. . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.2 Th´eor`emes de convergence pour les int´egrales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.3 Int´egrales d´ependant d"un param`etre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.4 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.4.1´Enonc´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.4.2 Corrig´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5 Mesure produit et th´eor`emes de Fubini 29

5.1 Th´eor`emes de Fubini et Fubini-Tonelli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

5.2 Changement de variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

5.3 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

5.3.1´Enonc´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

5.3.2 Corrig´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

6 Fondements de la th´eorie des probabilit´es 37

6.1 D´efinitions g´en´erales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

6.2 Esp´erance d"une v.a. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

6.3 In´egalit´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

6.4 Lois classiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

6.4.1 Lois discr`etes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

6.4.2 Lois continues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

6.5 Fonctions caract´eristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

6.6 Fonctions g´en´eratrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

i

6.7 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

6.7.1´Enonc´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

6.7.2 Corrig´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

7 Variables ind´ependantes 53

7.1 D´efinitions g´en´erales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

7.1.1´Ev´enements et variables ind´ependantes . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

7.1.2 Densit´es de variables ind´ependantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

7.2 Lemme de Borel-Cantelli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

7.3 Somme de deux variables ind´ependantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

7.4 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

7.4.1´Enonc´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

7.4.2 Corrig´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

8 Convergence de variables al´eatoires 61

8.1 Les diff´erentes notions de convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

8.2 Loi des grands nombres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

8.3 Th´eor`eme central-limite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

8.4 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

8.4.1´Enonc´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

8.4.2 Corrig´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

9 Conditionnement 71

9.1 Conditionnement discret . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

9.2 Esp´erance conditionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

9.3 Exercice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

9.3.1´Enonc´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

9.3.2 Corrig´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

10 Variables gaussiennes 77

10.1 D´efinitions et propri´et´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

10.2 Gaussiennes et esp´erance conditionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

A Table de la loi normale 81

Introduction

Le but de ce cours est d"introduire les notions de th´eorie de la mesure qui seront utiles

en calcul des probabilit´es et en analyse. Il est destin´e aux ´etudiants qui veulent poursuivre

leurs ´etudes dans un master `a composante math´ematique. Pour un cours plus complet, se reporter `a la bibliographie. Informations utiles (partiels, barˆemes, annales, corrig´es, ...) : http ://math.unice.fr/≂rubentha/cours.html.

PR´EREQUIS : Pour pouvoir suivre ce cours, l"´etudiant doit connaˆıtre, entre autres, les

d´eveloppements limit´es, les ´equivalents, les ´etudes de fonction, le d´enombrement, les nombre

complexes, la th´eorie des ensembles., les int´egrales et primitives usuelles, la trigonom´etrie

...etc ... iii

Chapitre 1

D´enombrement (rappels)

1.1 Ensembles d´enombrables

D´efinition 1.1.1.Injection.

SoitE,Fdes ensembles,f:E→Fest une injection si?x,y?E,f(x) =f(y)?x=y.

D´efinition 1.1.2.Surjection.

SoitE,Fdes ensembles,f:E→Fest une surjection si?z?F,?x?Etel quef(x) =z.

D´efinition 1.1.3.Bijection.

SoitE,Fdes ensembles,f:E→Fest une bijection sifest une injection et une surjection. Proposition 1.1.4.SoientE,F,Gdes ensembles. Soientf:E→F,g:F→G. Alors [f etginjectives]?[g◦finjective]. D´emonstration.Soientx,ytels queg◦f(x) =g◦f(y). L"applicationgest injective donc

f(x) =f(y). L"applicationfest injective doncx=y.D´efinition 1.1.5.On dit qu"un ensembleEest d´enombrable s"il existe une injection deE

dansN. Dans le cas o`uFest infini, on d´emontrer qu"il existe alors une bijection deEdans N. (Cela revient `a dire que l"on peut compter un `a un les ´el´ements deE.) Exemple 1.1.6.Tout ensemble fini est d´enombrable. Exemple 1.1.7.Zest d´enombrable car l"application f:Z→N k?→?

2nsin≥0

-2n-1sin <0 est bijective (donc injective).01 23-1-2-30 2 4

13Fig.1.1 -´Enum´eration des ´el´ements deZ.

1

2CHAPITRE 1. D´ENOMBREMENT (RAPPELS)

Exemple 1.1.8.N×Nest d´enombrable car l"application f:N×N→N (p,q)?→(p+q)(p+q+ 1)2 +q est bijective (donc injective).0 129 58
74

3 6Fig.1.2 -´Enum´eration des ´el´ements deN×N.

Exemple 1.1.9.L"ensembleQest d´enombrable. L"ensembleRn"est pas d´enombrable. Proposition 1.1.10.Si on aE0,E1, ...,En, ...des ensembles d´enombrables alorsE= E

0?E1?E2? ···=?n≥0Enest un ensemble d´enombrable.

(En d"autres termes, une r´eunion d´enombrable d"ensembles d´enombrables est d´enombrable.)

D´emonstration.S Pour touti≥0,Eiest d´enombrable donc?fi:Ei→Ninjective. Soit

F:?n≥0En→N×N

x?→(i,fi(x)) six?Ei Cette applicationFest injective. L"ensembleN×Nest d´enombrable donc il existeg:N×N→

Ninjective. Par la proposition 1.1.4,g◦Fest injective. Donc?n≥0Enest d´enombrable.1.2 Exercices

Tous les exercices de ce chapitre n"ont pas un lien direct avec le cours. Par contre, ils constituent des r´evisions n´ecessaires `a la suite du cours. 1.2.1

´Enonc´es

1) Rappel :Sif:E→FetA?F,f-1(A) ={x?E:f(x)?A}. SiC?E,f(C) =

{f(x),x?C}.

On consid`ere l"applicationf:R→R,x?→x2.

(a) D´eterminerf([-3,-1]),f([-3,1]),f(]-3,1]). (b) D´eterminerf-1(]- ∞,2]),f-1(]1,+∞[),f-1(]-1,0]?[1,2[).

2) Calculer les limites suivantes :

(a) lim x→0sin(x)log(1+x)quotesdbs_dbs2.pdfusesText_3

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