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Mathématiques · Classes prépa (CPGE) — 2ème année — PSI

Couples et suites de variables aléatoires discrètes

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Soient $X$ et $Y$ deux variables aléatoires discrètes définies sur un univers fini $\Omega$.

  • Loi conjointe : définie par $P(X=x_i, Y=y_j)$ pour tout $(x_i, y_j) \in X(\Omega) \times Y(\Omega)$.
  • Lois marginales : $P(X=x_i) = \sum_{j} P(X=x_i, Y=y_j)$ et $P(Y=y_j) = \sum_{i} P(X=x_i, Y=y_j)$.
  • Indépendance : $X$ et $Y$ sont indépendantes si $\forall (i, j), P(X=x_i, Y=y_j) = P(X=x_i)P(Y=y_j)$.
  • Covariance : $Cov(X, Y) = E(XY) - E(X)E(Y)$.
  • Coefficient de corrélation : $\rho(X, Y) = \frac{Cov(X, Y)}{\sigma(X)\sigma(Y)}$.

Méthodes à maîtriser

  1. Construction du tableau de loi conjointe : Vérifier que la somme de toutes les probabilités est égale à 1.
  2. Calcul de l'espérance d'un produit : Utiliser $E(XY) = \sum_{i,j} x_i y_j P(X=x_i, Y=y_j)$.
  3. Vérification de l'indépendance : Ne jamais se contenter de $E(XY) = E(X)E(Y)$ (ceci n'est que la non-corrélation). Il faut tester la définition sur tous les couples.

Exemples corrigés

Soit $(X, Y)$ tel que $P(X=0, Y=0)=1/4, P(X=0, Y=1)=1/4, P(X=1, Y=1)=1/2$.

  • $P(X=0) = 1/4 + 1/4 = 1/2$.
  • $E(XY) = 0\cdot0 \cdot 1/4 + 0\cdot1 \cdot 1/4 + 1\cdot1 \cdot 1/2 = 1/2$.

Erreurs fréquentes

  • Confondre "non-corrélation" ($Cov(X, Y)=0$) et "indépendance". L'indépendance implique la non-corrélation, mais la réciproque est fausse.
  • Oublier de vérifier la condition $\sum P = 1$ avant de commencer les calculs.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Couples et suites de variables aléatoires discrètes

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Si $X$ et $Y$ sont indépendantes, alors $Cov(X, Y)$ est égale à :

❓ Questions fréquentes

Kifach n3ref wach X et Y independentes ghir mn tableau?
  1. Calcule les lois marginales en sommant les lignes et les colonnes.
  2. Pour chaque case $(i, j)$ du tableau, vérifie si $P(X=x_i, Y=y_j) = P(X=x_i) \times P(Y=y_j)$.
  3. Si une seule case ne respecte pas cette égalité, elles ne sont pas indépendantes.

💡 À retenir : L'indépendance est une propriété globale du tableau, pas seulement des espérances.

Est-ce que V(X+Y) = V(X) + V(Y) toujours ?

Non, seulement si $X$ et $Y$ sont indépendantes (ou au moins non corrélées). La formule générale est $V(X+Y) = V(X) + V(Y) + 2Cov(X, Y)$.

💡 À retenir : La covariance est le "terme correctif" qui apparaît quand les variables sont liées.

Chno hiya l'utilité dyal coefficient de corrélation rho ?

Il mesure la force et le sens de la relation linéaire entre $X$ et $Y$.

  1. Si $\rho = 1$ ou $-1$, il y a une relation linéaire parfaite.
  2. Si $\rho = 0$, il n'y a pas de corrélation linéaire.

💡 À retenir : $\rho$ est toujours compris entre -1 et 1.

Kifach n7seb E(XY) ila ma3ndich la loi conjointe ?

Si tu n'as pas la loi conjointe, tu ne peux pas calculer $E(XY)$ sauf si on te donne une relation entre $X$ et $Y$ ou si tu sais qu'elles sont indépendantes (auquel cas $E(XY) = E(X)E(Y)$).

💡 À retenir : Sans loi conjointe, il manque une information cruciale sur le lien entre les variables.

La covariance peut-elle être négative ?

Oui, tout à fait. Une covariance négative signifie que quand $X$ augmente, $Y$ a tendance à diminuer (relation inverse).

💡 À retenir : Le signe de la covariance donne le sens de la variation conjointe.

Est-ce que E(aX + bY) = aE(X) + bE(Y) est toujours vrai ?

Oui, c'est la propriété de linéarité de l'espérance. Elle est vraie pour toutes les variables aléatoires, qu'elles soient indépendantes ou non.

💡 À retenir : La linéarité est l'outil le plus puissant pour simplifier les calculs d'espérance.

Pourquoi on divise par sigma(X)sigma(Y) dans le coefficient de corrélation ?

On divise pour "normaliser" la covariance. Cela permet d'obtenir une valeur sans unité comprise entre -1 et 1, ce qui rend la comparaison possible entre différentes variables.

💡 À retenir : C'est une mise à l'échelle pour rendre la mesure indépendante des unités.

Chno l'far9 bin loi conjointe et loi marginale ?

La loi conjointe décrit le comportement du couple $(X, Y)$ dans son ensemble. La loi marginale décrit le comportement d'une seule variable, en ignorant ce que fait l'autre.

💡 À retenir : La loi marginale est une "projection" de la loi conjointe.

Si Cov(X, Y) = 0, est-ce que X et Y sont indépendantes ?

Non, pas forcément. La non-corrélation est une condition plus faible que l'indépendance. Il existe des variables non corrélées qui sont fortement dépendantes.

💡 À retenir : Indépendance $\implies$ Non-corrélation, mais la réciproque est fausse.

Comment calculer V(aX) ?

La formule est $V(aX) = a^2 V(X)$. Attention, le coefficient sort au carré !

💡 À retenir : La variance n'est pas linéaire, elle est quadratique.

Est-ce que E(X^2) est égal à (E(X))^2 ?

Non, en général $E(X^2) \geq (E(X))^2$. La différence est exactement la variance $V(X) = E(X^2) - (E(X))^2$.

💡 À retenir : La variance mesure l'écart entre le carré de l'espérance et l'espérance du carré.

Peut-on avoir P(X=x, Y=y) P(X=x) ?

Non, car $P(X=x, Y=y) = P(X=x) \times P(Y=y | X=x)$. Comme $P(Y=y | X=x) \leq 1$, alors la probabilité conjointe est toujours inférieure ou égale à la probabilité marginale.

💡 À retenir : Une intersection est toujours plus petite ou égale à l'un de ses ensembles.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Soit $(X, Y)$ un couple de variables aléatoires tel que $P(X=i, Y=j) = \frac{i+j}{12}$ pour $i \in {1, 2}$ et $j \in {1, 2}$.

  1. Dresser le tableau de la loi conjointe.
  2. Déterminer les lois marginales de $X$ et $Y$.
  3. Calculer $E(X)$ et $E(Y)$.
  4. Calculer $Cov(X, Y)$.
Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 2

Soient $X$ et $Y$ deux variables indépendantes suivant une loi de Bernoulli de paramètre $p=1/2$. Soit $S = X+Y$ et $D = X-Y$. Calculer $Cov(S, D)$.

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Exercice 3

Soit $X$ et $Y$ deux variables aléatoires. On donne $V(X)=1, V(Y)=4$ et $V(X+Y)=6$. Calculer le coefficient de corrélation $\rho(X, Y)$.

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