La linéarité de l’espérance permet d’étudier des sommes de variables aléatoires sans construire leur loi complète. Pour la variance, les coefficients et l’indépendance demandent davantage de vigilance.
Un contre-exemple avec deux variables dépendantes précède une application à une commande et une moyenne d’échantillon. On sépare ainsi les identités générales des formules soumises à hypothèses.
Coefficients et dépendance
Exercice 1 : Combinaison de deux mesures
Facile
X et Y sont indépendantes, avec , , et . On pose .
- Calculer l’espérance de S.
- Calculer sa variance et son écart-type.
- Quel calcul reste valable si l’indépendance n’est plus supposée ?
Voir le corrigé
- .
- L’indépendance donne . L’écart-type vaut .
- Le calcul de l’espérance reste valable sans indépendance. L’addition des variances n’est plus garantie.
Exercice 2 : Une somme constante
Moyen
X suit une loi de Bernoulli de paramètre 0,4 et .
- Calculer les espérances et variances de X et Y.
- Déterminer l’espérance et la variance de X+Y.
- Expliquer pourquoi additionner les deux variances donnerait ici une erreur.
Voir le corrigé
- , , et .
- toujours. Son espérance est 1 et sa variance est 0.
- Les variables sont dépendantes : connaître X détermine Y. La somme ne représente donc pas la variance de X+Y.
Accumulation et moyenne
Exercice 3 : Préparer une commande
Moyen
Chaque client commande 0, 1 ou 2 articles avec probabilités respectives 1/4, 1/2 et 1/4. Les commandes de 80 clients sont indépendantes. S est le nombre total d’articles.
- Calculer l’espérance et la variance de la commande d’un client.
- Calculer celles de S.
- Faut-il connaître toutes les probabilités P(S=k) pour ces deux calculs ?
Indication
Calculer le moment d’ordre deux d’une commande avant de passer au total.
Voir le corrigé
- Pour une commande Z, . , donc .
- Par linéarité et indépendance, et .
- Non. Les espérances des termes suffisent, et l’indépendance permet ici d’ajouter leurs variances sans calculer la loi de S.
Exercice 4 : Précision de la moyenne
Difficile
Les mesures sont indépendantes et de même loi, d’espérance 50 et de variance 36. On pose .
- Donner l’espérance, la variance et l’écart-type de M_n.
- Calculer l’écart-type pour n=144.
- Quelle taille permet de diviser cet écart-type par deux ?
Indication
Un coefficient devant une variable est élevé au carré dans sa variance.
Voir le corrigé
- , et .
- Pour , l’écart-type vaut .
- Il faut , donc et . Diviser l’écart-type par deux exige de multiplier la taille par quatre.
Transformer une variable
L'espérance est linéaire, tandis que la variance réagit au carré du coefficient.
Exercice 5 : Changement d’échelle affine
Facile
Une variable aléatoire X vérifie et . On définit .
- Calculer E(Y).
- Calculer V(Y).
- Expliquer pourquoi la constante -2 n'intervient pas dans la variance.
Voir le corrigé
- .
- .
- Ajouter une constante déplace toutes les valeurs de la même quantité sans modifier leurs écarts à la moyenne. La dispersion reste donc inchangée.
Exercice 6 : Centrer et réduire
Moyen
Une variable X a pour espérance et pour variance . On pose .
- Calculer E(Z).
- Calculer V(Z).
- Interpréter les deux résultats.
Indication
Appliquer séparément les règles pour une translation puis pour une multiplication.
Voir le corrigé
- .
- .
- La variable Z est centrée autour de zéro et son écart-type vaut 1. Les valeurs de Z mesurent les écarts à la moyenne en nombre d'écarts-types.
Additionner avec ou sans indépendance
La loi d'une somme et sa variance exigent de regarder la relation entre les variables.
Exercice 7 : Somme de deux indicatrices indépendantes
Moyen
Les variables X et Y sont indépendantes, prennent les valeurs 0 ou 1, avec et . On pose .
- Déterminer la loi de S.
- Calculer E(S) à partir de cette loi puis par linéarité.
- Calculer V(S) grâce à l'indépendance.
Indication
Pour , distinguer les deux succès exclusifs : X seul ou Y seul.
Voir le corrigé
- , , et .
- La loi donne . Par linéarité, .
- .
Exercice 8 : Une dépendance entièrement connue
Difficile
Une variable X vérifie et . On définit , puis .
- Exprimer S uniquement en fonction de X.
- Calculer E(S) et V(S).
- Montrer pourquoi la formule des variances de variables indépendantes donnerait ici un résultat faux.
Indication
X et Y ne peuvent pas être indépendantes puisque Y est déterminée dès que X est connue.
Voir le corrigé
- .
- et .
- La formule erronée donnerait . Elle ne s'applique pas : Y dépend parfaitement de X, et leur variation commune renforce celle de la somme.