Variables aléatoires continues

Exercice 82 ⭐️⭐️ Loi du χ2\displaystyle \chi_2, ECS2/L3

Soit X1,⋯ ,Xn\displaystyle X_1,\cdots,X_n des v.a. i.i.d. de loi N(0,1)\displaystyle \mathcal N(0,1).

  1. Montrer que X122\displaystyle \frac{X_1^2}{2} suit une loi connue, que l’on précisera.
  2. En déduire la loi de Sn=∑k=1nXk2\displaystyle S_n=\sum_{k=1}^nX_k^2.
  1. Densité d’une fonction de X1\displaystyle X_1 👉 Changement de variable.
  2. Propriété du cours à reconnaître sur la loi γ(ν)\displaystyle \gamma(\nu).
  1. La v.a. Y1=X122\displaystyle Y_1=\frac{X_1^2}{2} est à valeurs positives. Il suffit donc de calculer P(Y1∈[0;t])\displaystyle \mathbb P\left(Y_1\in[0;t]\right) pour t>0\displaystyle t> 0. On a P(Y1∈[0;t])=P(∣X1∣≤2t)=2∫02t12πe−x2/2dx(par symeˊtrie).\mathbb P\left(Y_1\in[0;t]\right) =\mathbb P\left(|X_1|\le\sqrt{2t}\right) = 2\int_0^{\sqrt{2t}}\frac{1}{\sqrt{2\pi}}e^{-x^2/2}dx\qquad\text{(par symétrie)}. En posant x=2u\displaystyle x=\sqrt{2u} on obtient : P(Y1∈[0;t])=2∫0t12πe−u 222u du=∫0t1πu−1/2e−u du.\mathbb P\left(Y_1\in[0;t]\right) =2\int_0^{t}\frac{1}{\sqrt{2\pi}}e^{-u}~\frac{2}{2\sqrt {2u}}~du = \int_0^{t}\frac{1}{\sqrt{\pi}}u^{-1/2}e^{-u}~du. Ainsi Y1\displaystyle Y_1 suit la loi γ(1/2)\displaystyle \gamma(1/2).
  2. Les v.a. Xk22\displaystyle \frac{X_k^2}{2} sont indépendantes car les v.a. Xk\displaystyle X_k sont indépendantes.
    D’après la propriété de cours sur les v.a. indépendantes de loi γ(ν)\displaystyle \gamma(\nu), la v.a. Sn2=∑k=1nXk22\displaystyle \frac{S_n}{2}=\sum_{k=1}^n\frac{X_k^2}{2} suit la loi γ(n/2)\displaystyle \gamma(n/2), de densité 1Γ(n/2)tn/2−1e−t1R+(t)\displaystyle \frac{1}{\Gamma(n/2)}t^{n/2-1}e^{-t}\mathbb 1_{\R_+}(t). La loi de Sn\displaystyle S_n s’en déduit aisément : pour t≥0\displaystyle t\geq 0, P(Sn∈[0;t])=P(Sn2∈[0;t/2])=∫0t/21Γ(n/2)xn/2−1e−xdx=(u=2x)∫0t12n/2Γ(n/2)un/2−1e−u/2du.\begin{aligned}\mathbb P\left(S_n\in[0;t]\right) & = \mathbb P\left(\frac{S_n}{2}\in[0;t/2]\right) \\ & = \int_0^{t/2}\frac{1}{\Gamma(n/2)}x^{n/2-1}e^{-x}dx \\ & \underset{(u=2x)}=\int_0^{t}\frac{1}{2^{n/2}\Gamma(n/2)}u^{n/2-1}e^{-u/2}du\end{aligned}. Sn\displaystyle S_n a donc pour densité 12n/2Γ(n/2)tn/2−1e−t/21R+(t)\displaystyle \frac{1}{2^{n/2}\Gamma(n/2)}t^{n/2-1}e^{-t/2}\mathbb 1_{\R_+}(t).

Exercice 83 ⭐️⭐️ Loi de Weibull, ECS2/L3

On suppose que la durée X\displaystyle X de fonctionnement d’un composant électronique est une v.a. réelle suivant
une loi de Weibull de paramètres a>0\displaystyle a>0 et λ>0\displaystyle \lambda>0, de densité f(x)=aλxa−1exp⁡(−λxa)\displaystyle f(x)=a\lambda x^{a-1}\exp(-\lambda x^a) si x>0\displaystyle x> 0, et 0\displaystyle 0 sinon.
On appelle fiabilité du composant à l’instant t\displaystyle t la probabilité que le composant fonctionne jusqu’à l’instant t\displaystyle t : R(t)=P(X>t)\displaystyle R(t)=P(X>t) .

  1. Déterminer la fiabilité du composant électronique à t\displaystyle t .
  2. Calculer le temps moyen de bon fonctionnement du composant en fonction de la fonction Γ\displaystyle \Gamma.
  3. Montrer que, pour tout a≤1\displaystyle a\leq 1 , et s\displaystyle s, t≥0\displaystyle t\geq 0, P(X>t+s∣X>t)≥P(X>s)\displaystyle P(X>t+s\mid X>t) \geq P(X>s), avec égalité quand a=1\displaystyle a=1 .
  1. R(t)=P(X>t)=∫t+∞aλxa−1exp⁡(−λxa)dx=[exp⁡(−λxa)]t+∞=exp⁡(−λta)\displaystyle R(t)=P(X>t)=\int_t^{+\infty}a\lambda x^{a-1}\exp(-\lambda x^a)dx= \Big[\exp\Big(-\lambda x^a\Big)\Big]_t^{+\infty} = \exp(-\lambda t^a) si t>0\displaystyle t>0 , et 0\displaystyle 0 sinon.
  2. On a E(X)=∫−∞+∞xf(x)dx=∫0+∞aλxaexp⁡(−λxa)dx\displaystyle E(X)=\int_{-\infty}^{+\infty}xf(x)dx=\int_0^{+\infty}a\lambda x^a\exp(-\lambda x^a)dx . En effectuant le changement de
    variable y=λxa\displaystyle y=\lambda x^a, dx=y1/a−1aλ1/ady\displaystyle dx=\frac{y^{1/a-1}}{a\lambda^{1/a}}dy , on obtient E(X)=∫0+∞(yλ)1/ae−ydy=Γ(1+1a)λ1a\displaystyle E(X)=\int_0^{+\infty} \left(\frac y\lambda\right)^{1/a}e^{-y}dy=\frac{\Gamma\left(1+\frac1a\right)}{\lambda^{\frac1a}}.
  3. On calcule pour a>0\displaystyle a>0, P(X>t+s∣X>t)=P({X>t+s}∩{X>t})P(X>t)=P(X>t+s)P(X>t)=exp⁡(−λ(t+s)a)⋅exp⁡(−λta)\displaystyle P(X>t+s\mid X>t) = \frac{P(\{X>t+s\} \cap\{X>t\})}{P(X>t)}=\frac{P(X>t+s)}{P(X>t)}= \exp(-\lambda(t+s)^a)\cdot\exp(-\lambda t^a).
    Mais on a, pour tout a≤1\displaystyle a\leq 1 , s,t≥0\displaystyle s,t\geq 0 , (t+s)a≤ta+sa\displaystyle (t+s)^a\leq t^a+s^a avec égalité si a=1\displaystyle a=1 (on peut étudier la fonction g(x)=1+xa−(1+x)a\displaystyle g(x)=1+x^a-(1+x)^a).
    Il vient que P(X>t+s∣X>t)≥P(X>s)\displaystyle P(X>t+s\mid X>t)\geq P(X>s) avec égalité si a=1\displaystyle a=1 .

Exercice 189 ⭐️⭐️⭐️ X PC 2017

Soient X,Y\displaystyle X,Y deux variables aléatoires strictement positives indépendantes et de même loi. Montrer que E(X/Y)≥1\displaystyle \mathbb{E}(X/Y) \ge 1.

Comme X\displaystyle X et Y\displaystyle Y sont indépendantes, on a E(XY)=E(X)E(1Y)\displaystyle \mathbb{E}\left(\frac{X}{Y}\right) = \mathbb{E}(X) \mathbb{E}\left(\frac{1}{Y}\right), et comme X\displaystyle X et Y\displaystyle Y ont la même loi, on a : E(XY)=E(X)E(1X)\displaystyle \mathbb{E}\left(\frac{X}{Y}\right) = \mathbb{E}(X) \mathbb{E}\left(\frac{1}{X}\right). Le réflexe maintenant est, comme souvent, de penser à Cauchy-Schwarz. On peut le redémontrer rapidement dans ce cas particulier. On remarque tout d’abord, que pour tout t∈R\displaystyle t \in \mathbb{R}, la quantité P(t)=E((X+tX)2)\displaystyle P(t) = \mathbb{E}\left(\left(\sqrt{X}+\frac{t}{\sqrt{X}}\right)^2 \right) est ≥0\displaystyle \ge 0. Or, par linéarité, on remarque que P(t)=E(X+2t+t2X)=E(X)+2t+E(1X)t2.P(t) = \mathbb{E}\left(X+2t+\frac{t^2}{X}\right) = \mathbb{E}(X)+2t+\mathbb{E}\left(\frac{1}{X}\right) t^2. La fonction t↦P(t)\displaystyle t \mapsto P(t) est donc une fonction polynomiale de degré 2\displaystyle 2 et ≥0\displaystyle \ge 0 sur R\displaystyle \mathbb{R}. On sait alors que son discriminant est négatif, ce qui s’écrit 4−4E(X)E(1X)≤0\displaystyle 4-4\mathbb{E}(X) \mathbb{E}\left(\frac{1}{X}\right) \le 0, et on obtient immédiatement le résultat.

Exercice 192 ⭐️⭐️ X PC 2017

Soient (m,n)∈N2\displaystyle (m,n) \in \N^2 avec 1≤m≤n\displaystyle 1 \le m \le n, X1,…,Xn\displaystyle X_1,\ldots,X_n des variables aléatoires indépendantes, identiquement distribuées, à valeurs dans R+∗\displaystyle \R^{+*}. Calculer E(X1+⋯+XmX1+⋯+Xn)\displaystyle \mathbb{E}\left(\frac{X_1+\cdots+X_m}{X_1+\cdots+X_n}\right).

C’est typiquement le genre d’exercice pour lequel l’étude explicite de cas particuliers (m,n\displaystyle m,n petits) s’avère à la fois simple et instructive pour le cas général !

Voici une preuve pour m=2\displaystyle m=2 et n=3\displaystyle n=3 qui permet de comprendre le mécanisme à l’oeuvre derrière la preuve générale : le vecteur aléatoire (X1,X2,X3)\displaystyle (X_1,X_2,X_3) est indépendant, on en déduit que les trois vecteurs aléatoires suivants ont tous la même loi : Z1=(X1,X2,X3) , Z2=(X2,X3,X1) , Z3=(X3,X1,X2).Z_1 = (X_1,X_2,X_3) \ , \ Z_2=(X_2,X_3,X_1) \ , \ Z_3 = (X_3,X_1,X_2). De plus, l’application ϕ:(R+∗)3→R\displaystyle \phi : (\R^{+*})^3 \rightarrow \R définie par ϕ(u,v,w)=u+vu+v+w\displaystyle \phi(u,v,w) = \frac{u+v}{u+v+w}, est continue. On en déduit que la valeur de E[ϕ(Zi)]\displaystyle \mathbb{E}[\phi(Z_i)] ne dépend pas de i\displaystyle i : plus rigoureusement, si elle vaut +∞\displaystyle +\infty (resp. μ<∞\displaystyle \mu < \infty) pour un certain i0 in{1,…,3}\displaystyle i_0 \ in\{1,\ldots,3\}, alors elle vaut +∞\displaystyle +\infty (resp. μ\displaystyle \mu) pour tout i∈{1,…,3}\displaystyle i \in \{1,\ldots,3\}. On peut donc écrire :
E[ϕ(Z1)]=13∑i=13E[ϕ(Zi)]=E[13∑i=13ϕ(Zi)]=E[13(X1+X2)+(X2+X3)+(X3+X1)X1+X2+X3]=E[132X1+2X2+2X3X1+X2+X3]=E[23]=23.\displaystyle \begin{aligned}\mathbb{E}[\phi(Z_1)] &= \frac{1}{3} \sum_{i=1}^3 \mathbb{E}[\phi(Z_i)] \\ &= \mathbb{E}\left[\frac{1}{3} \sum_{i=1}^3 \phi(Z_i)\right] \\ &= \mathbb{E}\left[\frac{1}{3} \frac{(X_1+X_2)+(X_2+X_3)+(X_3+X_1)}{X_1+X_2+X_3}\right] \\ &= \mathbb{E}\left[\frac{1}{3} \frac{2X_1+2X_2+2X_3}{X_1+X_2+X_3} \right] \\ &= \mathbb{E}\left[\frac{2}{3}\right] \\ &= \frac{2}{3}.\end{aligned}

La preuve générale suit les mêmes lignes : pour i∈{1,…,n}\displaystyle i \in \{1,\ldots,n\}, on considère le vecteur aléatoire Zi=(Xi+k)0≤k≤n−1,Z_i=(X_{i+k}) _ {0 \le k \le n-1,} où les indices i+k\displaystyle i+k sont pris modulo n\displaystyle n. L’indépendance des Xi\displaystyle X_i implique que les vecteurs aléatoires Zi\displaystyle Z_i ont tous la même loi. On considère l’application ϕ:(R+∗)n→R\displaystyle \phi : (\R^{+*})^n \rightarrow \R définie par ϕ(u1,…,un)=u1+⋯+umu1+⋯+un\displaystyle \phi(u_1,\ldots,u_n) = \frac{u_1+\cdots+u_m}{u_1+\cdots+u_n}. On a en particulier ϕ(Zi)=∑k=0m−1Xi+k∑k=0n−1Xi+k=∑k=0m−1Xi+k∑k=1nXk.\phi(Z_i) = \frac{\sum_{k=0}^{m-1} X_{i+k}}{\sum_{k=0}^{n-1} X_{i+k}} = \frac{\sum_{k=0}^{m-1} X_{i+k}}{\sum_{k=1}^n X_k}. Comme les variables aléatoires ϕ(Zi)\displaystyle \phi(Z_i) ont toutes la même loi, elles ont la même espérance (si elle existe), on peut donc écrire :
E[ϕ(Z1)]=E[1n∑i=1nϕ(Zi)]=E[1n∑i=1n∑k=ii+m−1Xk∑k=1nXk]=E[1n∑i=1n∑k=0m−1Xi+kX1+⋯+Xn].\displaystyle \begin{aligned} \mathbb{E}[\phi(Z_1)] &= \mathbb{E}\left[\frac{1}{n} \sum_{i=1}^n \phi(Z_i)\right] \\ &= \mathbb{E}\left[\frac{1}{n} \sum_{i=1}^n \frac{\sum_{k=i}^{i+m-1} X_k}{\sum_{k=1}^n X_k} \right] \\ &= \mathbb{E}\left[\frac{1}{n} \frac{\sum_{i=1}^n \sum_{k=0}^{m-1} X_{i+k}}{X_1+\cdots+X_n} \right]. \end{aligned}
Or, pour j∈{1,…,n}\displaystyle j \in \{1,\ldots,n\} fixé il existe exactement m\displaystyle m couples d’indices (i,k)∈({1,…,n}×{0,…,m−1})\displaystyle (i,k) \in (\{1,\ldots,n\} \times \{0,\ldots,m-1\}) tels que i+k=j\displaystyle i+k=j modulo n\displaystyle n : ce sont les couples de la forme (j−k,k)\displaystyle (j-k,k), avec k∈{0,…,m−1}\displaystyle k \in \{0,\ldots,m-1\}. Ainsi on a ∑i=1n∑k=0m−1Xi+k=∑j=1nmXj\sum_{i=1}^n \sum_{k=0}^{m-1} X_{i+k} = \sum_{j=1}^n m X_j et on en déduit : E[ϕ(Z1)]=E[mn]=mn.\mathbb{E}[\phi(Z_1)] = \mathbb{E}\left[ \frac{m}{n}\right] = \frac{m}{n}.

Exercice 356 ⭐️⭐️⭐️ Processus de Poisson, L3/M1

Soient (Xn)n≥1\displaystyle (X_n)_{n\geq 1} une suite de v.a. définies sur (Ω,F,P)\displaystyle (\Omega,\mathcal F,\mathbb P), indépendantes et de même loi E(1)\displaystyle \mathcal E(1). On pose T0=0\displaystyle T_0=0 et :
∀n≥1, Tn=X1+⋯+Xn\forall n\geq 1,~T_n=X_1+\dots+X_n
On définit, pour t≥0\displaystyle t\geq 0 :
Nt=max⁡{n≥0:Tn≤t}N_t=\max\{n\geq 0 : T_n\leq t\}

  1. Soit n≥1\displaystyle n\geq 1. Vérifier que la loi du n\displaystyle n-uplet (T1,…,Tn)\displaystyle (T_1,\dots,T_n) est à densité par rapport à la mesure de Lebesgue, et déterminer cette densité.
    Donner au passage la loi de Tn\displaystyle T_n.
  2. En déduire la loi de Nt\displaystyle N_t pour t≥0\displaystyle t\geq 0.
  1. Loi d’un n\displaystyle n-uplet 👉 Exprimer E(f(T1,…,Tn))\displaystyle \mathbb E(f(T_1,\dots,T_n)), faire un changement de varialbe pour pouvoir utiliser la loi de (X1,…,Xn)\displaystyle (X_1,\dots,X_n).
  2. Exprimer {Nt=n}\displaystyle \{N_t=n\} à l’aide des variables Tn\displaystyle T_n. Utiliser alors la loi conjointe des Tn\displaystyle T_n, déterminée en 1.
  1. Soit f:Rn→R\displaystyle f:\R^n\to\R mesurable et positive. Le n\displaystyle n-uplet(X1,…,Xn)\displaystyle (X_1,\dots,X_n) a pour densité e−(x1+⋯+xn)\displaystyle e^{-(x_1+\dots+x_n)} par rapport à la mesure de Lebesgue sur R+n\displaystyle \R_+^n. On a
    E(f(T1,…,Tn))=E(f(X1,…,X1+⋯+Xn))=∫R+nf(x1,x1+x2,…,x1+⋯+xn)e−(x1+⋯+xn)dx1…dxn\begin{aligned} \mathbb E(f(T_1,\dots,T_n))&=\mathbb E(f(X_1,\dots,X_1+\dots+X_n)) \\ &=\int_{\R_+^n}f(x_1,x_1+x_2,\dots,x_1+\dots+x_n)e^{-(x_1+\dots+x_n)}dx_1\dots dx_n \\ \end{aligned}
    L’application ϕ:(x1,…,xn)↦(x1,…,x1+⋯+xn)\displaystyle \phi:(x_1,\dots,x_n)\mapsto (x_1,\dots,x_1+\dots+x_n) est linéaire (donc C1\displaystyle \mathcal C^1), de déterminant 1\displaystyle 1, et réalise une bijection de R+n\displaystyle \R_+^n vers l’ensemble Δn={(y1,…,yn)∈R+n : y1≤⋯≤yn}.\displaystyle \Delta_n=\{(y_1,\dots,y_n)\in\R_+^n~:~y_1\leq\dots\leq y_n\}. D’après la formule de changement de variable on a donc E(f(T1,…,Tn))=∫Δnf(y1,…,yn)e−yndy1…dyn. \mathbb E(f(T_1,\dots,T_n))=\int_{\Delta_n} f(y_1,\dots,y_n)e^{-y_n}dy_1\dots dy_n.
    Le n\displaystyle n-uplet(T1,…,Tn)\displaystyle (T_1,\dots,T_n) a donc pour densité e−yn1{y1≤⋯≤yn}\displaystyle e^{-y_n}\mathbb{1}_{\{y_1\leq\dots\leq y_n\}} par rapport à la mesure de Lebesgue sur R+n\displaystyle \R_+^n.
    En particulier pour u:R→R\displaystyle u:\R\to\R mesurable et positive,
    E(u(Tn))=∫Δnu(yn)e−yndy1…dyn. \mathbb E(u(T_n))=\int_{\Delta_n} u(y_n)e^{-y_n}dy_1\dots dy_n.
    Avec le théorème de Tonelli, on peut intégrer successivement par rapport à y1,…,yn\displaystyle y_1,\dots,y_n :
    E(u(Tn))=∫0+∞(∫0yn( ⁣⋯∫0y2u(yn)e−yndy1)…dyn−1)dyn. \mathbb E(u(T_n))=\int_0^{+\infty}\left(\int_0^{y_n}\left(\dots\int_0^{y_2}u(y_n)e^{-y_n}dy_1\right)\dots dy_{n-1}\right)dy_n. Or on peut calculer :
    ∫0yn…(∫0y21.dy1)…dyn−1=∫0yn…(∫0y3y2 dy2)…dyn−1=∫0yn…(∫0y4y322 dy3)…dyn−1=(… )=∫0yn(yn−1)n−2(n−2)! dyn−1=(yn)n−1(n−1)!.\begin{aligned} \int_0^{y_n}\dots\left(\int_0^{y_2}1.dy_1\right)\dots dy_{n-1}&= \int_0^{y_n}\dots\left(\int_0^{y_3}y_2~dy_2\right)\dots dy_{n-1}\\ &= \int_0^{y_n}\dots\left(\int_0^{y_4}\frac{y_3^2}{2}~dy_3\right)\dots dy_{n-1} \\ &=(\dots)\\ & = \int_0^{y_n}\frac{(y_{n-1})^{n-2}}{(n-2)!}~dy_{n-1}\\ & = \frac{(y_{n})^{n-1}}{(n-1)!}. \end{aligned}
    Finalement, E(u(Tn))=∫0+∞(yn)n−1(n−1)!u(yn)e−yndyn\displaystyle \mathbb E(u(T_n)) = \int_0^{+\infty}\frac{(y_{n})^{n-1}}{(n-1)!}u(y_n)e^{-y_n}dy_n.
    Donc la loi de Tn\displaystyle T_n a pour densité tn−1(n−1)!e−t\displaystyle \frac{t^{n-1}}{(n-1)!}e^{-t} par rapport à la mesure de Lebsesgue sur R+\displaystyle \R_+.
    Note. Cette loi porte le nom de loi Gamma de paramètre n\displaystyle n. On comprendra aisément cette dénomination si on connaît la fonction Gamma.
  2. Soit n≥1\displaystyle n\geq 1. La suite (Tn)\displaystyle (T_n) est croissante presque sûrement, donc :
    P(Nt=n)=P(Tn≤t,Tn+1>t) =∫(R+)n+1e−tn+11{t1≤⋯≤tn+1}1{tn+1>t}1{tn≤t}dt1…dtn+1=∫(R+)n1{t1≤⋯≤tn≤t}(∫R+e−tn+11{tn+1≥t}dtn+1)⏟=e−tdt1…dtn=e−t∫(R+)n1{t1≤⋯≤tn≤t}dt1…dtn.\begin{aligned} \mathbb P(N_t=n)&= \mathbb P(T_n\leq t,T_{n+1}>t) \ \\ & = \int_{(\R_+)^{n+1}}e^{-t_{n+1}}\mathbb 1_{\{t_1\leq\dots\leq t_{n+1}\}}\mathbb 1_{\{t_{n+1}>t\}}\mathbb 1_{\{t_n\leq t\}}dt_1\dots dt_{n+1}\\ &= \int_{(\R_+)^{n}}\mathbb 1_{\{t_1\leq\dots\leq t_{n}\leq t\}}\underbrace{\left(\int_{\R_+} e^{-t_{n+1}}\mathbb 1_{\{t_{n+1}\geq t\}}dt_{n+1}\right)}_{=e^{-t}}dt_1\dots dt_n\\ &= e^{-t}\int_{(\R_+)^{n}}\mathbb 1_{\{t_1\leq\dots\leq t_{n}\leq t\}}dt_1\dots dt_n. \end{aligned}
    Le même calcul qu’à la question 1. donne ainsi P(Nt=n)=tnn!e−t\displaystyle \mathbb P(N_t=n)=\frac{t^n}{n!}e^{-t}.
    Pour n=0\displaystyle n=0 on vérifie aisément que cette égalité a encore lieu : P(Nt=0)=P(X1>t)=e−t\displaystyle \mathbb P(N_t=0)=\mathbb P(X_1>t)=e^{-t}.
    Conclusion. Nt\displaystyle N_t suit la loi de Poisson de paramètre t\displaystyle t.

Exercice 357 ⭐️⭐️ Convergence en loi, L3

Soit (Un)n≥1\displaystyle (U_n)_{n\geq 1} une suite de v.a.r. indépendantes, toutes de loi uniforme sur [0;1]\displaystyle [0;1]. On note
Yn=min⁡(U1,…,Un).Y_n=\min(U_1,\dots, U_n).

  1. Montrer que Yn\displaystyle Y_n converge presque sûrement vers 0\displaystyle 0.
  2. Montrer que (n Yn)n≥1\displaystyle (n~Y_n)_{n\geq 1} converge en loi et préciser la loi limite.
  1. Convergence presque sûre de Yn\displaystyle Y_n vers Y\displaystyle Y 👉 Convergence de la série ∑P(∣Yn−Y∣>ε)\displaystyle \sum \mathbb P(|Y_n-Y|>\varepsilon).
  2. Convergence en loi 👉 Convergence ponctuelle des fonctions de répartition (en tout point de continuité de la fonction de répartition limite).
  1. Soit ε∈]0;1]\displaystyle \varepsilon\in]0;1]. On a P(∣Yn∣>ε)=P(U1>ε,…,Un>ε)=∏k=1nP(Uk>ε)=(1−ε)n\displaystyle \mathbb P(|Y_n|>\varepsilon)=\mathbb P(U_1>\varepsilon,\dots,U_n>\varepsilon)=\prod_{k=1}^n\mathbb P(U_k>\varepsilon)=(1-\varepsilon)^n, car les Uk\displaystyle U_k sont indépendantes.
    Comme 1−ε∈[0;1[\displaystyle 1-\varepsilon\in[0;1[, la série ∑P(∣Yn∣>ε)\displaystyle \sum \mathbb P(|Y_n|>\varepsilon) est convergente, donc Yn→0\displaystyle Y_n\to 0 presque sûrement.
  2. Soit y>0\displaystyle y>0. En remplaçant ε\displaystyle \varepsilon par y/n\displaystyle y/n dans le calcul précédent, on obtient (dès que n>y\displaystyle n>y donc à partir d’un certain rang) : P(n Yn>y)=(1−yn)n=exp⁡(n ln⁡(1−yn))=exp⁡(−y+o(1))→e−y,\mathbb P(n~Y_n>y)=\left(1-\frac{y}{n}\right)^n=\exp\left(n~\ln\left(1-\frac{y}{n}\right)\right)=\exp\left(-y +o(1)\right)\to e^{-y}, et pour y≤0\displaystyle y\leq 0, cette probabilité vaut évidemment 1\displaystyle 1. On reconnaît l’expression de P(X>y)\displaystyle \mathbb P(X>y) pour une v.a. X\displaystyle X de loi E(1)\displaystyle \mathcal E(1). Ainsi (n Yn)n≥1\displaystyle (n~Y_n)_{n\geq 1} converge en loi vers une v.a. de loi E(1)\displaystyle \mathcal E(1).

Exercice 395 ⭐️ Espérance exponentielle de gaussienne, ECS2/L3

Soit X∼N(0,σ2)\displaystyle X\sim \mathcal N(0,\sigma^2). Montrer que  E[eX]=eσ2/2.\displaystyle \ \mathbb E[e^X]=e^{\sigma^2/2}.

Formule de transfert !

On a E[eX]=12π σ∫−∞∞exe−x2/(2σ2)dx\displaystyle \mathbb E[e^X]=\frac{1}{\sqrt{2\pi}\ \sigma}\int_{-\infty}^\infty e^x e^{-x^2/(2\sigma^2)}dx. De plus x−x22σ2=−12σ2(x2−2σ2x)=−12σ2((x−σ2)2−σ4).\begin{aligned} x-\frac{x^2}{2\sigma^2}&=-\frac{1}{2\sigma^2}(x^2-2\sigma^2 x) \\ &=-\frac{1}{2\sigma^2}((x-\sigma^2 )^2-\sigma^4).\end{aligned} Ainsi E[eX]=eσ2/22π σ∫−∞∞e−(x−σ2)2/(2σ2)dx=eσ2/2\displaystyle \mathbb E[e^X]=\frac{e^{\sigma^2/2}}{\sqrt{2\pi}\ \sigma}\int_{-\infty}^\infty e^{-(x-\sigma^2)^2/(2\sigma^2)}dx=e^{\sigma^2/2}, en faisant le changement de variable y=x−σ2\displaystyle y=x-\sigma^2.

Exercice 413 ⭐️ Loi Gamma et loi exponentielle, ECS2/L3

Soit X1,⋯ ,Xn\displaystyle X_1,\cdots,X_n des v.a. i.i.d. de loi E(λ)\displaystyle \mathcal E(\lambda). Déterminer la loi de Sn=∑k=1nXk\displaystyle S_n=\sum_{k=1}^nX_k.

Loi d’une somme de v.a. à densité 👉 Formule pour la densité fX+Y(t)=∫RfX(s)fY(t−s)ds\displaystyle f_{X+Y}(t)=\int_\R f_X(s)f_Y(t-s) ds

Notons f1:t↦λe−λt1R+(t)\displaystyle f_1:t\mapsto \lambda e^{-\lambda t}\mathbb{1}_{\R_+}(t), la densité de E(λ)\displaystyle \mathcal E(\lambda), et fn\displaystyle f_n la densité de Sn\displaystyle S_n. Comme Sn\displaystyle S_n est à valeurs positives, précisons tout de suite que fn\displaystyle f_n est nulle sur ]−∞;0[\displaystyle ]-\infty;0[.
∙\displaystyle \bullet Cas n=2\displaystyle n=2.
S2\displaystyle S_2 a pour densité la fonction f2\displaystyle f_2 donnée par ∀t≥0,  f2(t)=∫0tλe−λsλe−λ(t−s)ds=λ2te−λt.\forall t\geq 0,~~f_2(t)=\int_{0}^t\lambda e^{-\lambda s}\lambda e^{-\lambda(t-s)}ds = \lambda^2 te^{-\lambda t}. ∙\displaystyle \bullet Cas n=3\displaystyle n=3.
S3=S2+X3\displaystyle S_3=S_2+X_3 a pour densité la fonction f3\displaystyle f_3 donnée par ∀t≥0,  f3(t)=∫0tf2(s)f1(t−s)ds=∫0tλ2se−λsλe−λ(t−s)ds=λ3e−λt∫0ts ds=λ32t2e−λt.\forall t\geq 0,~~f_3(t)=\int_{0}^tf_2(s)f_1(t-s)ds = \int_{0}^t\lambda^2 s e^{-\lambda s}\lambda e^{-\lambda(t-s)}ds = \lambda^3 e^{-\lambda t} \int_0^t s~ds= \frac{\lambda^3}{2}t^2 e^{-\lambda t}.
∙\displaystyle \bullet Montrons par récurrence que pour n≥1\displaystyle n\geq 1, Sn\displaystyle S_n a pour densité fn\displaystyle f_n donnée par : ∀t≥0,  fn(t)=λn(n−1)!tn−1e−λt.\forall t\geq 0,~~f_n(t)= \frac{\lambda^n}{(n-1)!}t^{n-1} e^{-\lambda t}. Il reste à vérifier l’hérédité. Si on suppose cette propriété vérifiée par Sn\displaystyle S_n, alors Sn+1\displaystyle S_{n+1} a pour densité fn+1\displaystyle f_{n+1} donnée par
∀t≥0,  fn+1(t)=∫0tfn(s)f1(t−s)ds=∫0tλn(n−1)!sn−1e−λsλe−λ(t−s)ds=λn+1(n−1)!e−λt∫0tsn−1ds.\forall t\geq 0,~~f_{n+1}(t)=\int_{0}^tf_n(s)f_1(t-s)ds = \int_{0}^t \frac{\lambda^n}{(n-1)!}s^{n-1}e^{-\lambda s}\lambda e^{-\lambda(t-s)}ds = \frac{\lambda^{n+1}}{(n-1)!} e^{-\lambda t} \int_0^t s^{n-1}ds. Or ∫0tsn−1ds=tnn\displaystyle \int_0^t s^{n-1}ds=\frac{t^n}{n} donc finalement ∀t≥0, fn+1(t)=λn+1n!tne−λt\displaystyle \forall t\geq 0,~f_{n+1}(t) = \frac{\lambda^{n+1}}{n!} t^ne^{-\lambda t}.

Exercice 414 ⭐️⭐️⭐️ Produit de loi uniforme i.i.d., ECS2/L3

Soit X1,⋯ ,Xn\displaystyle X_1,\cdots,X_n des v.a. i.i.d. de loi U([0,1])\displaystyle \mathcal U([0,1]). Déterminer la loi de Zn=(∏k=1nXk)1/n\displaystyle Z_n=\left(\prod_{k=1}^nX_k\right)^{1/n}, son espérance et sa variance.

Produit 👉 Passer au log.
Identifier la loi de −ln⁡(Xk)\displaystyle -\ln(X_k) comme une loi connue. La loi d’une somme de v.a. exponentielles indépendantes est encore une loi connue !

∙\displaystyle \bullet Notons Pn=∏k=1nXk\displaystyle P_n=\prod_{k=1}^nX_k. On peut remarquer que les v.a. Yk=−ln⁡(Xk)\displaystyle Y_k=-\ln(X_k) suivent la loi E(1)\displaystyle \mathcal E(1) car : ∀t≥0,  P(Yk≥t)=P(Xk≤e−t)=e−t.\forall t\geq 0,~~\mathbb P(Y_k\geq t) = \mathbb P(X_k\leq e^{-t})=e^{-t}. Les Yk\displaystyle Y_k étant de plus indépendantes, Y1+⋯+Yn\displaystyle Y_1+\dots+Y_n suit la loi γ(n)\displaystyle \gamma(n), de densité tn−1(n−1)!e−t\displaystyle \frac{t^{n-1}}{(n-1)!}e^{-t} sur R+\displaystyle \R_+.
(En ECS2 c’est du cours, sinon c’est l’objet de l’exo 413).
∙\displaystyle \bullet Pour t∈[0;1]\displaystyle t\in[0;1], P(Zn≤t)=P(Pn≤tn)=P(Y1+⋯+Yn≥−nln⁡(t))=∫−nln⁡(t)+∞sn−1(n−1)!e−sds\displaystyle \mathbb P(Z_n\leq t)=\mathbb P(P_n\leq t^n) = \mathbb P(Y_1+\dots+Y_n\geq -n\ln(t))=\int_{-n\ln(t)}^{+\infty}\frac{s^{n-1}}{(n-1)!}e^{-s}ds.
Signalons que Zn\displaystyle Z_n appartient à [0;1]\displaystyle [0;1] avec probabilité 1\displaystyle 1. En dérivant, on trouve la densité fn\displaystyle f_n de Zn\displaystyle Z_n sur [0;1]\displaystyle [0;1] : fn(t)=−(−nt)(−nln⁡(t))n−1(n−1)!enln⁡(t)=nn(n−1)!tn−1(−ln⁡t)n−1.f_n(t)=-\left(\frac{-n}t\right)\frac{(-n\ln(t))^{n-1}}{(n-1)!}e^{n\ln(t)}=\frac{n^n}{(n-1)!}t^{n-1}(-\ln t)^{n-1}. ∙\displaystyle \bullet Une succession de n\displaystyle n intégrations par parties (non détaillée ici) donne, pour p,n∈N\displaystyle p,n\in\N : ∫01tn(ln⁡t)pdt=(−1)pp!(n+1)p+1.\int_0^1t^n(\ln t)^pdt=\frac{(-1)^p p!}{(n+1)^{p+1}}. Ainsi E(Zn)=nn(n−1)!(−1)n−1∫01tn(ln⁡t)n−1dt=nn(n−1)!(−1)n−1(−1)n−1(n−1)!(n+1)n=(nn+1)n\displaystyle \mathbb E(Z_n) = \frac{n^n}{(n-1)!}(-1)^{n-1}\int_0^1 t^n(\ln t)^{n-1}dt = \frac{n^n}{(n-1)!}(-1)^{n-1} \frac{(-1)^{n-1}(n-1)!}{(n+1)^n}=\left(\frac{n}{n+1}\right)^n.
Un calcul similaire donne E(Zn2)=(nn+2)n\displaystyle \mathbb E(Z_n^2) =\left(\frac{n}{n+2}\right)^n. Ainsi V(Zn)=(nn+2)n−(nn+1)2n\displaystyle \mathbb V(Z_n)=\left(\frac{n}{n+2}\right)^n-\left(\frac{n}{n+1}\right)^{2n}