Probabilités

Soit (Ω,F,P)\displaystyle (\Omega,\mathcal F,P) un espace probabilisé. La tribu F\displaystyle \mathcal F représente une collection d’événements et P\displaystyle P va donner leurs poids respectifs. On a P(∅)=0\displaystyle P(\emptyset)=0 et P(Ω)=1\displaystyle P(\Omega)=1.

Événements

Ne pas confondre événements disjoints et indépendants :

  1. A\displaystyle A et B\displaystyle B sont disjoints si A∩B=∅\displaystyle A\cap B=\emptyset, et donc P(A∪B)=P(A)+P(B)\displaystyle P(A\cup B)=P(A)+P(B) ;
  2. A\displaystyle A et B\displaystyle B sont indépendants si P(A∩B)=P(A)P(B)\displaystyle P(A\cap B)=P(A)P(B), i.e. P(A∣B)=P(A)\displaystyle P(A|B)=P(A) avec P(B)\displaystyle P(B) différent de 0\displaystyle 0.

En fait deux événements disjoints de proba non nulles ne sont jamais indépendants !

Soit (An)\displaystyle (A_n) une suite d’ événements. On note lim sup⁡n→∞An=⋂n≥0⋃k≥nAk\displaystyle \limsup_{n\to\infty} A_n =\bigcap_{n\ge0}\bigcup_{k\ge n}A_k.
Lemme de Borel-Cantelli —

  1. Si ∑n≥0P(An)<∞\displaystyle \sum_{n\ge0}P(A_n)<\infty, alors P(lim sup⁡An)=0\displaystyle P(\limsup A_n)=0.
  2. Si (An)\displaystyle (A_n) une famille d’événements indépendants tels que ∑n≥0P(An)=∞\displaystyle \sum_{n\ge0}P(A_n)=\infty, alors P(lim sup⁡An)=1\displaystyle P(\limsup A_n)=1.
  1. Pour tout N≥0\displaystyle N\ge0, P(⋂n≥0⋃k≥nAk)≤P(⋃k≥NAk)≤∑k≥NP(Ak)→N→∞0\displaystyle P\left(\bigcap_{n\ge0}\bigcup_{k\ge n}A_k\right)\le P\left(\bigcup_{k\ge N}A_k\right)\le \sum_{k\ge N}P(A_k) \xrightarrow[]{N\to\infty}0. Donc P(lim sup⁡An)=0\displaystyle P(\limsup A_n)=0.
  2. En passant au complémentaire, on veut montrer que P(⋃n≥0⋂k≥nAkc)=0\displaystyle P\left(\bigcup_{n\ge0}\bigcap_{k\ge n}A_k^c\right)=0. Il suffit de vérifier que pour tout n≥0\displaystyle n\ge0, P(⋂k≥nAkc)=0\displaystyle P\left(\bigcap_{k\ge n}A_k^c\right)=0. En utilisant l’indépendance des (Akc)\displaystyle (A_k^c), on a pour tout N≥n\displaystyle N\ge n,
    P(⋂k≥nAkc)≤P(⋂k=nNAkc)=∏k=nNP(Akc)=∏k=nN(1−P(Ak))≤∏k=nNexp⁡(−P(Ak))≤exp⁡(−∑k=nNP(Ak))→N→∞0.\begin{aligned} P\left(\bigcap_{k\ge n}A_k^c\right)& \le P\left(\bigcap_{k= n}^NA_k^c\right) \\ & \quad =\prod_{k= n}^N P\left(A_k^c\right) \\ & \quad =\prod_{k= n}^N (1-P\left(A_k\right)) \\ & \le \prod_{k= n}^N \exp(-P\left(A_k\right)) \\ & \le \exp\left(-\sum_{k= n}^N P\left(A_k\right)\right)\xrightarrow[N\to\infty]{}0. \\ \end{aligned}

Inrerprétons le point 1) du lemme. Par passage au complémentaire, on peut réécrire la conclusion du lemme 1) : P(⋃n≥0⋂k≥nAkc)=1\displaystyle P\left(\bigcup_{n\ge0}\bigcap_{k\ge n}A_k^c\right)=1.
On a la traduction ensembliste-quantificateurs suivante : ∪→∃\displaystyle \cup\to\exists, ∩→∀\displaystyle \cap\to\forall.
Le lemme 1) conclut donc que presque sûrement il existe un n\displaystyle n (aléatoire) tel que pour tout k≥n\displaystyle k\ge n, les Akc\displaystyle A_k^c sont réalisés.
Voir aussi la page wikipedia.

Variables aléatoires

Couples ou n-uplets

Attention — Si on a la loi d’un couple (X,Y)\displaystyle (X,Y), on en déduit la loi de X\displaystyle X et de Y\displaystyle Y (qui peut le plus peut le moins). Par contre, à partir de la loi de X\displaystyle X et de Y\displaystyle Y, on ne peut rien dire de la loi du couple, i.e. on ne sait pas comment X\displaystyle X et Y\displaystyle Y interagissent entre elles. Si on dit qu’elles sont indépendantes, alors on sait quelle est la loi du couple, c’est ce qu’on appelle la loi produit.

Exemple — Le couple (X,Y)\displaystyle (X,Y) modélise 2 pièces et (X′,Y′)\displaystyle (X',Y') en représente deux autres. On donne les lois des deux couples par les tableaux ci-dessous :

Y=PY=FX=P1/21/3X=F1/60\displaystyle \begin{array}{|c||c|c|}\hline & Y=P & Y=F \\ \hline \hline X=P& 1/2 & 1/3\\ \hline X=F & 1/6 & 0\\ \hline \end{array} \displaystyle \qquad Y′=PY′=FX′=P5/95/18X′=F1/91/18\displaystyle \begin{array}{|c||c|c|}\hline & Y'=P & Y'=F \\ \hline \hline X'=P& 5/9 & 5/18\\ \hline X'=F & 1/9 & 1/18\\ \hline \end{array}

Remarquons que :P(Y=P)=1/2+1/6=2/3=5/9+1/9=P(Y′=P)P(Y=P)=1/2+1/6=2/3=5/9+1/9=P(Y'=P) P(X=P)=1/2+1/3=5/6=5/9+5/18=P(X′=P).P(X=P)=1/2+1/3=5/6=5/9+5/18=P(X'=P). Ainsi X∼X′\displaystyle X\sim X' et Y∼Y′\displaystyle Y\sim Y'. De plus, P(X=P,Y=P)=1/2≠2/3⋅5/6\displaystyle P(X=P,Y=P)=1/2\neq 2/3\cdot5/6, alors que X′\displaystyle X' et Y′\displaystyle Y' sont indépendantes (par exemple P(X′=P,Y′=P)=5/9=2/3⋅5/6\displaystyle P(X'=P,Y'=P)=5/9= 2/3\cdot 5/6, etc.)

Conclusion : Les couples (X,Y)\displaystyle (X,Y) et (X′,Y′)\displaystyle (X',Y') ont les mêmes lois marginales, cependant (X,Y)\displaystyle (X,Y) modélise deux pièces fortement liées (Si X\displaystyle X tombe sur face, Y\displaystyle Y ne peut pas tomber sur face !), alors que (X′,Y′)\displaystyle (X',Y') est un couple de pièces indépendantes.

Suites de v.a.

Soit (Zn)\displaystyle (Z_n) une suite de v.a. discrètes. A n\displaystyle n fixé, ω↦Zn(ω)\displaystyle \omega\mapsto Z_n(\omega) est une v.a., et à ω\displaystyle \omega fixé, n↦Zn(ω)\displaystyle n\mapsto Z_n(\omega) s’appelle une trajectoire.
Lorsqu’on dispose d’une suite, on s’intéresse souvent à sa convergence, et pour les v.a. il y a plusieurs notions de convergence :

  • la convergence en loi, i.e. on regarde une possible limite de la suite n↦P(Zn=k)\displaystyle n\mapsto P(Z_n=k) pour tout k\displaystyle k fixé (dans le cas d’une v.a. discrète) ;
  • des notions de convergences trajectorielles, i.e. on regarde si n↦Zn(ω)\displaystyle n\mapsto Z_n(\omega) converge en un certain sens par rapport à ω\displaystyle \omega.

On peut considérer des suites (Xi)\displaystyle (X_i) de v.a. indépendantes identiquement distribuées (i.i.d.), i.e. les Xi\displaystyle X_i sont indépendantes et de même loi, et s’intéresser au comportement de marches aléatoires Sn=X1+⋯+Xn\displaystyle S_n=X_1+\cdots+X_n.

Exemple — Les Xi\displaystyle X_i sont à valeurs dans {−1,1}\displaystyle \{-1,1\} et la marche aléatoire Sn\displaystyle S_n se promène sur Z\displaystyle \Z.

Outils

La fonction génératrice des v.a. discrètes

GX(s)=E[sX]=∑k=0∞skP(X=k)\displaystyle G_X(s)=E[s^X]=\sum_{k=0}^\infty s^kP(X=k) caractérise la loi de X\displaystyle X (unicité du développement en série entière) et est un outil particulièrement adapté quand on a des sommes Sn=X1+⋯+Xn\displaystyle S_n=X_1+\cdots+X_n de v.a. i.i.d. En effet dans ce cas : GSn=GX1n\displaystyle G_{S_n}=G_{X_1}^n.
Application avec les lois de Poisson — Soit X∼P(μ)\displaystyle X\sim\mathcal P(\mu). Alors GX(s)=e−μ∑k=0∞skμkk!=eμ(s−1)\displaystyle G_X(s)=e^{-\mu}\sum_{k=0}^\infty s^k\frac{\mu^k}{k!}=e^{\mu(s-1)}. Si les Xi\displaystyle X_i sont i.i.d. ∼P(μ)\displaystyle \sim\mathcal P(\mu) alors GSn(s)=eμn(s−1)\displaystyle G_{S_n}(s)=e^{\mu n(s-1)} et on peut en déduire que Sn∼P(μn)\displaystyle S_n\sim\mathcal P(\mu n).

Inégalités

Inégalité de Markov : P(X≥t)≤E[X]t\displaystyle P(X\ge t) \le \frac{E[X]}{t} où X\displaystyle X est une v.a. positive d’espérance finie et t>0\displaystyle t>0.
Inégalité de Tchebychev : Si X\displaystyle X a une variance finie, on peut en déduire avec t>0\displaystyle t>0, P(∣X−E[X]∣≥t)≤Var[X]t2.P(|X-E[X]|\ge t) \le \frac{Var[X]}{t^2}.

On peut en fait utiliser n’importe quelle fonction >0\displaystyle >0 croissante : P(f(X)≥f(t))≤E[f(X)]f(t)\displaystyle P(f(X)\ge f(t)) \le \frac{E[f(X)]}{f(t)} si E[∣f(X)∣]<∞\displaystyle E[|f(X)|]<\infty.

Application — Soit λ>0\displaystyle \lambda>0, alors P(X≥t)=P(eλX≥eλt)≤E[eλX]eλt=e−λtGX(eλ)\displaystyle P(X\ge t)=P(e^{\lambda X}\ge e^{\lambda t}) \le \frac{E[e^{\lambda X}]}{e^{\lambda t}}=e^{-\lambda t}G_X(e^{\lambda}), et on peut optimiser en λ\displaystyle \lambda. On voit aussi l’intérêt si on a des sommes Sn=X1+⋯+Xn\displaystyle S_n=X_1+\cdots+X_n de v.a. i.i.d.

Théorèmes limite

Loi Faible des Grands Nombres — Soit X1,⋯ ,Xn\displaystyle X_1,\cdots,X_n des v.a. i.i.d. de variance finie σ2\displaystyle \sigma^2. Comme les Xi\displaystyle X_i sont indépendantes, on a Var(Sn)=nσ2\displaystyle Var(S_n)=n\sigma^2. Alors, d’après l’inégalité de Tchebychev P(∣Snn−E[X1]∣≥ε)≤σ2nε2→n→∞0\displaystyle P\left(\left|\frac{S_n}{n}-E[X_1]\right|\ge \epsilon\right) \le \frac{\sigma^2}{n\epsilon^2}\xrightarrow[n\to\infty]{} 0, avec ε>0\displaystyle \epsilon>0.
On dit que la moyenne arithmétique des Xi\displaystyle X_i, i.e. Sn/n\displaystyle S_n/n, converge en probabilité vers la moyenne théorique E[X1]\displaystyle E[X_1].

Loi Forte des Grands Nombres — Soit X1,⋯ ,Xn\displaystyle X_1,\cdots,X_n des v.a. i.i.d. d’espérance finie. Alors la moyenne arithmétique des Xi\displaystyle X_i, i.e. Sn/n\displaystyle S_n/n, converge presque sûrement vers la moyenne théorique E[X1]\displaystyle E[X_1].

On voit généralement ce résultat en L3-M1, il est beaucoup plus difficile à démontrer. La loi forte affaiblit les hypothèses de la loi faible et renforce la conclusion (la convergence presque sûre impliquant la convergence en probabilité).

Théorème Central limite (TCL) — Soit X1,⋯ ,Xn\displaystyle X_1,\cdots,X_n des v.a. i.i.d. de variance finie σ2\displaystyle \sigma^2. Alors nσ(Snn−E[X1])\displaystyle \frac{\sqrt{n}}{\sigma}\left(\frac{S_n}{n}-E[X_1]\right) converge en loi vers une gaussienne N(0,1)\displaystyle \mathcal N(0,1).