[PDF] Benjamin JOURDAIN 10 janvier 2018 - École des ponts ParisTech

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Probabilit´es et statistique pour l"ing´enieur

Benjamin JOURDAIN

10 janvier 2018

2 i

Remerciements

Je tiens `a remercier

- les membres de l"´equipe enseignante du cours de probabilit´es de premi`ere ann´ee, Aur´elien Alfonsi, Mohamed Ben Alaya, Anne Dutfoy, Michel de Lara, Julien Guyon, Tony Leli`evre, Jean-Michel Marin, Mohamed Sbai et Alain Toubol pour les nom- breuses am´eliorations qu"ils ont apport´e `a ce polycopi´e par leurs remarques ainsi que pour leur contribution `a la compilation d"exercices corrig´es du chapitre 10, - Jean-Fran¸cois Delmas pour les emprunts faits au polycopi´e de son cours de premi`ere ann´ee `a l"ENSTA : "Introduction aux probabilit´es et `a la statistique", - l"´equipe enseignante du cours de statistique de seconde ann´ee pour les emprunts faits au polycopi´e et au recueil d"exercices qu"ils ont r´edig´es sous la direction de Jean-Pierre Raoult puis de Jean-Fran¸cois Delmas. ii Table des mati`eres1 Introduction : probabilit´e sur un espace fini 1

1.1 Probabilit´e sur un espace fini, ´ev´enements . . . . . . . . .. . . . . . . . . 1

1.1.1 D´efinitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.2 Probabilit´es uniformes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4

1.2 Probabilit´e conditionnelle et ind´ependance . . . . . . .. . . . . . . . . . . 5

1.2.1 Probabilit´e conditionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 5

1.2.2 Ind´ependance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.4 R´esum´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2 Variables al´eatoires discr`etes11

2.1 Espace de probabilit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 11

2.2 Variables al´eatoires discr`etes . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 12

2.2.1 Rappel sur les manipulations de s´eries . . . . . . . . . . . .. . . . 12

2.2.2 D´efinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2.3 Ind´ependance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2.4 Lois discr`etes usuelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 14

2.2.5 Loi marginale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.3 Esp´erance et variance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 19

2.3.1 Esp´erance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.3.2 Variance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.4 Fonction g´en´eratrice

des variables al´eatoires enti`eres . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 24

2.5 Loi et esp´erance conditionnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 26

2.6 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.7 R´esum´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3 Variables al´eatoires `a densit´e37

3.1 Manipulation d"int´egrales multiples . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 37

3.1.1 Th´eor`eme de Fubini . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.1.2 Changement de variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.2 Variables al´eatoires r´eelles `a densit´e . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 40

3.2.1 D´efinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

iii ivTABLE DES MATI`ERES

3.2.2 Densit´es r´eelles usuelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 41

3.2.3 Esp´erance, variance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43

3.2.4 Fonction de r´epartition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 44

3.3 Vecteurs al´eatoires `a densit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 44

3.3.1 D´efinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.3.2 Densit´e marginale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.3.3 Changement de variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.3.4 Ind´ependance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.3.5 Covariance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.3.6 Loi et esp´erance conditionnelles . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 49

3.4 Lois b´eta, gamma, du chi 2,

de Student et de Fisher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.5 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.6 R´esum´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4 Simulation61

4.1 Simulation de variables al´eatoires discr`etes . . . . . .. . . . . . . . . . . . 62

4.1.1 Loi de Bernoulli de param`etrep?[0,1] . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.1.2 Loi binomiale de param`etresn?N?etp?[0,1] . . . . . . . . . . . 62

4.1.3 Loi g´eom´etrique de param`etrep?]0,1] . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.1.4 Simulation suivant une loi discr`ete quelconque . . . .. . . . . . . . 63

4.2 Simulation de variables al´eatoires `a densit´e . . . . . .. . . . . . . . . . . . 63

4.2.1 Loi uniforme sur [a,b] aveca < b?R. . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.2.2 M´ethode d"inversion de la fonction de r´epartition .. . . . . . . . . 63

4.2.3 M´ethode polaire pour la loi normale centr´ee r´eduite . . . . . . . . . 64

4.2.4 M´ethode du rejet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.3 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.4 R´esum´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5 Convergence et th´eor`emes limites73

5.1 Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.2 Lois des grands nombres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77

5.2.1 Loi faible des grands nombres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77

5.2.2 Loi forte des grands nombres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77

5.3 Fonction caract´eristique et convergence en loi . . . . . .. . . . . . . . . . 81

5.3.1 Fonction caract´eristique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 81

5.3.2 Convergence en loi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5.4 Le th´eor`eme de la limite centrale . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 87

5.4.1 Enonc´e et preuve du r´esultat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 87

5.4.2 Intervalle de confiance dans la m´ethode de Monte-Carlo . . . . . . . 89

5.5 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

TABLE DES MATI`ERESv

5.6 R´esum´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

6 Vecteurs gaussiens97

6.1 D´efinition, construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 97

6.1.1 D´efinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

6.1.2 Stabilit´e du caract`ere gaussien par transformation lin´eaire . . . . . 98

6.1.3 Construction d"un vecteur gaussien de loiNn(μ,Λ) . . . . . . . . . 99

6.2 Propri´et´es des vecteurs gaussiens . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 99

6.2.1 Vecteurs gaussiens et ind´ependance . . . . . . . . . . . . . .. . . . 99

6.2.2 Vecteurs gaussiens et convergence en loi . . . . . . . . . . .. . . . 101

6.3 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

6.4 R´esum´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

7 Estimation de param`etres107

7.1 Mod`ele param´etrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 107

7.2 Estimateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

7.2.1 D´efinitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

7.2.2 L"Estimateur du Maximum de Vraisemblance . . . . . . . . . .. . 110

7.2.3 Estimateurs de Moments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

7.2.4 Am´elioration d"estimateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 116

7.3 Intervalles de confiance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 119

7.3.1 Approche non asymptotique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

7.3.2 Approche asymptotique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

7.4 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

7.5 R´esum´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

8 Tests d"hypoth`eses127

8.1 Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

8.1.1 D´efinitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

8.1.2 Le cas du mod`ele gaussienP={N1(μ,σ2),μ?R,σ2>0}: . . . . . 131

8.2 Le test duχ2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

8.2.1 Test d"ad´equation `a une loi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 133

8.2.2 Test d"ad´equation `a une famille de lois . . . . . . . . . . .. . . . . 135

8.3 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

8.4 R´esum´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

9 R´egression Lin´eaire141

9.1 Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

9.2 Test de l"utilit´e des r´egresseurs . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 143

9.3 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

9.4 R´esum´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

viTABLE DES MATI`ERES

10 Corrig´es d"exercices et probl`emes149

10.1 Probabilit´e sur un espace fini . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 149

10.2 Variables al´eatoires discr`etes . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 149

10.3 Variables al´eatoires `a densit´e . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 157

10.4 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

10.5 Convergence et th´eor`emes limites . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 164

10.6 Vecteurs gaussiens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 170

10.7 Estimateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

10.8 Tests d"hypoth`eses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 174

10.9 R´egression lin´eaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 175

11 Tables statistiques179

11.1 Quantiles de la loiN1(0,1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

11.2 Fonction de r´epartition de la loiN1(0,1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

11.3 Quantiles de la loi duχ2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

11.4 Quantiles de la loi de Student . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 182

11.5 Quantiles de la loi de Fisher (ou Fisher-Snedecor) . . . .. . . . . . . . . . 183

Chapitre 1Introduction : probabilit´e sur unespace fini

Historiquement, le calcul des probabilit´es s"est d´evelopp´e `a partir du XVIIesi`ecle autour

des probl`emes de jeux dans des situations o`u le nombre de cas possibles est fini. Les

d´eveloppements plus r´ecents concernant des espaces non n´ecessairement finis n´ecessitent

les outils techniques de la th´eorie de la mesure. Mais on peut introduire simplement sur les espaces finis toutes les notions importantes de probabilit´es sans avoir besoin de cet outillage.

1.1 Probabilit´e sur un espace fini, ´ev´enements

1.1.1 D´efinitions

On s"int´eresse `a une exp´erience al´eatoire qui conduit `a la r´ealisation d"un seul r´esultat

parmi un nombre fini de r´esultats possiblesω1,ω2,...,ωn. On note Ω ={ω1,ω2,...,ωn}

l"ensemble de ces r´esultats. Exemple 1.1.1.- Jet d"une pi`ece `a pile o`u face : Ω ={P,F}. - Jet d"un d´e : Ω ={1,2,3,4,5,6}. Si on mesure la fr´equence d"apparition du r´esultatωkau cours d"un grand nombre de r´ep´etitions de l"exp´erience i.e. on calcule le rapportFk=Nk

Ndu nombreNkd"exp´eriences

dont le r´esultat estωksur le nombre total d"exp´eriencesN, on constate qu"elle fluctue de moins en moins. La limitepk≥0 deFklorsqueN→+∞correspond `a la notion intuitive de probabilit´e. On appelle ´ev´enement une partieAde Ω. La fr´equence deAc"est-`a-dire la proportion d"exp´eriences dont le r´esultat est dansAest ´egale `a? k:ωk?AFk. On est donc amen´e `a associer la probabilit´e? k:ωk?Apk`a l"´ev´enementA. Comme la fr´equence de Ω vaut 1, en passant `a la limite, on obtient?nk=1pk= 1. D´efinition 1.1.2.Une probabilit´ePsur un ensemble finiΩ ={ω1,ω2,...,ωn}est une pond´erationp1,p2,...,pndes ´el´ements de cet ensemble t.q. k=1p k= 1. 1

2CHAPITRE 1. INTRODUCTION : PROBABILIT´E SUR UN ESPACE FINI

On attribue `a tout ´ev´enementA?Ωle nombre

P(A) =?

k:ωk?Ap k qui est appel´e probabilit´e de l"´ev´enementA. valeur de la face sup´erieure du premier d´e etjcelle du second.

Pour des raisons de sym´etrie (si les d´es ne sont pas pip´es), on munit Ω de la pond´eration

suivante : 36.
SoitAl"´ev´enement : les valeurs des deux d´es sont identiques.

A={(1,1),(2,2),...,(6,6)}etP(A) =6?

i=1p (i,i)=6

36=16.

On noteSla somme des deux d´es et{S=k}l"´ev´enement{(i,j) :S(i,j) =k}. On a

S(i,j) =i+j. Donc

{S= 2}={(1,1)}P(S= 2) = 1/36 {S= 3}={(1,2),(2,1)}P(S= 3) = 1/18 {S= 4}={(1,3),(2,2),(3,1)}P(S= 4) = 1/12 {S= 5}={(1,4),(2,3),(3,2),(4,1)}P(S= 5) = 1/9 {S= 6}={(1,5),(2,4),(3,3),(4,2),(5,1)}P(S= 6) = 5/36 {S= 7}={(1,6),(2,5),(3,4),(4,3),(5,2),(6,1)}P(S= 7) = 1/6 {S= 8}={(2,6),(3,5),(4,4),(5,3),(6,2)}P(S= 8) = 5/36 {S= 9}={(3,6),(4,5),(5,4),(6,3)}P(S= 9) = 1/9 {S= 10}={(4,6),(5,5),(6,4)}P(S= 10) = 1/12 {S= 11}={(5,6),(6,5)}P(S= 11) = 1/18 {S= 12}={(6,6)}P(S= 12) = 1/36

Terminologie concernant les ´ev´enements :

- SiP(A) = 0, l"´ev´enementAest dit n´egligeable. - SiP(A) = 1, il est dit presque sˆur. - On appelle ´ev´enement contraire deAet on noteAcl"´ev´enement Ω\A. - SiA,B?Ω, l"´ev´enementAetB(r´ealis´e lorsqueAetBle sont) est not´eA∩B. - L"´ev´enementAouB(r´ealis´e lorsqueAouBle sont) est not´eA?B.

Probabilit´e de l"´ev´enementA?B:

Par d´efinition,P(A?B) =?

k:ωk?A?Bpk.CommeA?Best ´egal `a l"union disjointe

1.1. PROBABILIT´E SUR UN ESPACE FINI,´EV´ENEMENTS3

BA UA BU

UA BB A

CC (A∩Bc)?(A∩B)?(Ac∩B),

P(A?B) =?

k:ωk?A∩Bcp k+? k:ωk?A∩Bp k+? k:ωk?Ac∩Bp k k:ωk?A∩Bcp k+? k:ωk?A∩Bp k? k:ωk?Ac∩Bp k+? k:ωk?A∩Bp k? k:ωk?A∩Bp k k:ωk?Ap k+? k:ωk?Bp k-? k:ωk?A∩Bp k =P(A) +P(B)-P(A∩B). Ainsi

P(A?B) =P(A) +P(B)-P(A∩B).

Fonction indicatrice :

On appelle fonction indicatrice de l"´ev´enementAla fonction 1A: Ω→ {0,1}d´efinie par ?ω?Ω,1A(ω) =?

1 siω?A

0 sinon.

Exercice 1.1.4.Quel est l"´ev´enement{ω: 1A(ω)×1B(ω) = 1}que l"on note aussi de fa¸con condens´ee{1A×1B= 1}?

Conclure que

1A∩B= 1A×1B.

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