PROBA: VARIABLES ALEATOIRES 1

           BTS            1S              TS                                                 OCT.       2008


    1. Variable aléatoire discrète.

               Soit une expérience aléatoire dont l'univers des possibles est: Ω = {  ω1 , .....       , ωn   }.

                                                 ( n étant un entier naturel non nul.)

            Une variable aléatoire discrète est une application de Ω  dans IR qui prend des valeurs  

            que l'on peut indéxer ;   x1  ,  ......... , xN .

                         X ( Ω ) = { x1  ,  ......... , xN }  est l'univers image.  ( N est un entier naturel non nul . )

            On note :         ( X = x1  ) = { ω dans Ω  / X ( ω) = x1 }

                                      ..................................................

                                     ( X = xi  ) = { ω dans Ω  / X ( ω) = xi }

                                      .....................................................

                                    ( X = xN  ) = { ω dans Ω  / X ( ω) = xN }.

            Ce sont des événements.

            ( X = x1  ) , ............. , ( X = xN  ) constituent  une partition de Ω .

             Cela veut dire que ce sont des parties non vides de Ω , deux à deux disjointes ,

            et dont la réunion est Ω . 

             Loi de probabilité de X.

            Elle est définie par un tableau.             

x x1  ..... ..... xN 
P ( X = x ) P( X = x1 ) P( X = xN  )

               L'espérance de X est le réel:   E ( X ) = x1 P( X = x1 )+ ...........  + xN  P( X = xN  ).

               La variance de X est:  V (X ) = ( x1 - E( X ) )2  P( X = x1 ) +  ......... + ( xN - E( X ) )2  P( X = xN   ) 

                                    c-à-d             V (X ) = x12  P( X = x1 ) +  ......... +  xN2  P( X = xN  )  - ( E( X ) ) 2

                                    c-à-d          V (X ) = E (  ( X - E ( X ) )2  )

                      c'est aussi:         V (X ) = E ( X2 ) - ( E (X ) ) 2.

              L'écart-type de X est :  σ(X) = √V(X).

               σ(X) permet de valider la valeur centrale E(X).

               Plus σ(X)  est grand moins E(X) est valide.

              La fonction de répartition de X est la fonction F définie dans IR par:  F ( x ) = P ( X ≤ x ).

              Elle est à valeurs dans l'intervalle [ 0 , 1 ] . Sa courbe est en escalier.


          2 . Propriété.

              Avec les mêmes notations:

             Soit a et b deux réels. Soit X et Y deux variables aléatoires discrètes.

             On a :     E ( X + Y ) = E ( X ) + E ( Y )

                            E ( X - Y ) = E ( X ) -  E ( Y )

                            E( a X + b ) = a E( X ) + b

                            V( a X + b ) = aV(X)

                            σ( a X + b ) = I a I σ(X).


             3 . Une variable aléatoire est centrée quand son espérance est nulle. 


             4. Une variable aléatoire est réduite quand son écart-type vaut 1.


             5. Comment centrer et réduire une variable aléatoire X.

                   Simplement en considérant la nouvelle variable aléatoire;   T = ( X - E ( X ) ) / σ(X) .


             6. Variables aléatoire indépendantes.

                Soit X et Y  deux v.a.r.

                Soit    x1  ,  .....   ,  xi     , .. , x  les valeurs de X.

                Soit     y1  ,  .....,  yj      ,    .... ,  xQ    les valeurs de Y.

                X et Y sont indépendantes     ssi     P ( ( X = x) ∩ ( Y = y) ) =  P( X = x)  ×  P ( Y = y)

                                                                        pour tous les i et tous les j.


              7. Propriété.

                   Soit X et Y  deux v.a.r. indépendantes.

                   Alors :    V ( X + Y ) = V ( X ) + V ( Y )

                              et  V ( X - Y ) = V ( X ) - V ( Y )       

                    ATTENTION :       σ( X + Y )  n'est pas   σ(X) + σ(Y) .     

                                                 σ( X + Y )  = √ (  V ( X ) + V ( Y )  )    


            8. EXEMPLE.

           Dans une fête foraine un stand propose de faire tourner une roue comportant

           10 secteurs égaux; 3 secteurs rouge ; 4 secteurs jaunes ; 3 secteurs verts. 

          • Si le joueur obtient le secteur rouge alors il gagne 16 euros.

          •  Si le joueur obtient le secteur jaune alors il perd 1 2  euros.

          •  Si le joueur obtient le secteur vert alors  il fait de nouveau tourner la roue.

                        • •     Si le joueur obtient le secteur rouge alors il gagne 8 euros.

                        • •     Si le joueur obtient le secteur jaune alors il perd  2  euros.

                        • •    Si le joueur obtient le secteur vert alors  il ne perd rien et ne gagne rien.

                  Soit X le gain algébrique du joueur.

                1. Donner la loi de probabilité de X.

                2. Donner l'espérance de X.

                    ( On commencera  par faire un arbre pondéré.)

               3. Quel devrait être le montant à faire payer par le joueur pour que le jeu soit équitable?

               4. Trouver l'écart-type de X.

               5. Représenter la fonction de répartition F de X.


              Information:

               1. Les valeurs prises par X sont :   - 12 ; - 2 ; 0 ; 8 ;  16 .                                    

                  La loi de probabilité de X est:                                                                  

x -12 -2 0 8 16
P( X =x) 40 / 100 12 / 100 9 / 100 9 / 100 30 / 100

                     P( X = 16 ) = 3 / 10  car il y a 3 secteurs rouges parmi les 10 secteurs.

                     P( X = - 12 ) = 4 / 10  car il y a 4 secteurs jaunes parmi les 10 secteurs.

                     P( X = 8 ) = P ( V1  )   P( R2 /   V1  ) = ( 3 / 10  ) ( 3 / 10 ) = 9 / 100

                      P( X = - 2 ) =  P ( V1  )   P( J2 /   V1  ) = ( 3 / 10  ) ( 4 / 10 ) =  12 / 100

                       P( X = 0 ) =  P ( V1  )   P( V2 /   V1  ) = ( 3 / 10  ) (3 / 10 ) =  9 / 100

              2. L'espérance de X est:

                    E( X ) = -12 ×( 40 / 100) - 2 ×(12 / 100 ) + 8 ×( 9 / 100 ) + 16 ×( 30 / 100 ) = 0 , 48 

                      E( X ) =  0 , 48

             3.  Pour que l'espérance soit nulle il faut faire payer 0,48 euros au joueur pour jouer.

                 Cela revient à considérer la v.a.r   Y = X - 0,48  dont l'espérance est nulle.

             4. La variance de X est V( X ): 

               V(X) =( -12 )× ( 40 / 100)+ ( - 2)2  × (12 / 100 ) + 8 2 × ( 9 / 100 ) + 162 ×( 30 / 100 )  - 0,482

                   V(X) = 140,4096

              5.  L'écart-type est:          σ( X) = √ V(X) = 11,8495

             6. Fonction de répartition F. 

               On a: 

          •   F( x ) = P( X ≤ x)  = P ( Ø ) = 0                                    quand  x < -12.

           •   F(x)   = P( X ≤ x)  = P ( X = - 12 ) = 40 / 100                quand   - 12  ≤  x  <- 2.

           •   F(x)   = P( X ≤ x)  = P ( X = - 12 ) + P (X = - 2 )     

               c-à-d      F(x)   = ( 40 / 100  ) + ( 12 / 100  ) = 52 / 100        quand   - 2  ≤  x  < 0

           •  F(x)   = P( X ≤ x)  = P ( X = - 12 ) + P (X = - 2 )  + P ( X = 0 )

              c-à-d  F( X )   = (  52 / 100 ) + ( 9 / 100)  = 61 / 100            quand    0 ≤  x  < 8

         •  F(x)   = P( X ≤ x)  = P ( X = - 12 ) + P (X = - 2 )  + P ( X = 0 ) + P (X = 8 )

             c-à-d  F(x)   = ( 61 / 100  ) + ( 9 / 100 ) = 70 / 100                          quand        8 ≤  x  < 16              

           •  F(x)   = P( X ≤ x)  = P ( X = - 12 ) + P (X = - 2 )  + P ( X = 8 ) +  P ( X = 16)

                F(x)   = 1                                                                         quand    16 ≤  x

               Cela permet d'avoir la courbe en escalier de F.