Espérance, variance et covariance — Mines-Ponts

Exercices corrigés des Mines-Ponts sur le thème « espérance, variance et covariance », regroupés par filière.

MP–MPI


Exercice 1. (★★★) espérance ; Raisonnement et ensembles ; combinaisons
Montrer combinatoirement {\sum\limits_{p=k}^n\binom pk=\binom{n+1}{k+1}}.

Dans une urne de {k} boules blanches et {n-k} noires, on tire toutes les boules sans remise.

Calculer l’espérance du rang {X} de la dernière blanche.

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Exercice 2. (★★) espérance ; loi géométrique ; indépendance
Soit {X_1,X_2} indépendantes géométriques de paramètres {p_1,p_2}, sur {\mathbb{N}^\star}.

Calculer les espérances de leur minimum {X} et de leur maximum {Y}.

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Exercice 3. (★★★) espérance ; indépendance ; extremums
Soit {X,Y} indépendantes à valeurs dans {\mathbb{N}}, avec {\mathbb{P}(Y=k)>0} pour tout {k}, {\mathbb E(X)\lt \infty} et {\mathbb E(Y)\lt \infty}. Poser {Z_n=X} si {Y\leq n}, et {Z_n=Y} sinon. Montrer que {\mathbb E(Z_n)} atteint son maximum pour au plus deux indices, et déterminer ces indices en fonction de {\mathbb E(X)}.
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Exercice 4. (★★) variance d’une somme ; loi géométrique ; indépendance
Soit {(X_n)} une suite i.i.d. de Bernoulli de paramètre {p\in]0,1[}, {S_n=X_1+\cdots+X_n}, et {M=\inf\left\{n\geq1:S_n\geq m\right\}}, {m\geq1}, avec {\inf\varnothing=+\infty}.

Justifier que {M} est une variable aléatoire, calculer {\mathbb{P}(M=\infty)}, montrer {\mathbb{P}(M\geq n)=\sum_{k=0}^{m-1}\binom{n-1}k p^k(1-p)^{n-1-k},}puis calculer son espérance et sa variance.

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Exercice 5. (★★★★) variables indicatrices ; loi géométrique ; équivalents
1) Pour {0\leq Y\leq M}, {Y} entière, montrer {\mathbb E(Y)\leq M\mathbb{P}(Y\geq1)}.
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2) Pour des variables indépendantes {X_i} à valeurs dans {\mathbb{N}}, poser {R_n=\#\left\{X_1,\ldots,X_n\right\}}.

Exprimer {\mathbb E(R_n)} avec les événements {\bigcup_{i=1}^n\left\{X_i=k\right\}}.

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3) Si les {X_i} sont géométriques de paramètre {p\in]0,1[}, donner un équivalent de {\mathbb E(R_n)}.
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Exercice 6. (★★★★) variance ; égalité en loi ; indépendance
Soit {X} réelle discrète, {X_1,X_2} indépendantes de même loi que {X}, et {X_1+X_2} de même loi que {2X}.

Montrer que {X} est presque sûrement constante, successivement sous l’hypothèse d’un moment d’ordre {2}, sous celle d’une minoration, puis sans hypothèse supplémentaire.

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Exercice 7. (★★★) Cauchy-Schwarz ; moments ; variables indicatrices
Soit {X\geq0} admettant un moment d’ordre {2}.

Montrer que son espérance est finie et que {X\leq\lambda \mathbb E(X)+X\mathbf1_{\left\{X\geq\lambda \mathbb E(X)\right\}}} pour {\lambda>0}.

Si {\mathbb E(X^2)>0}, établir {\mathbb{P}(X\geq\lambda \mathbb E(X)) \geq(1-\lambda)^2\frac{(\mathbb E(X))^2}{\mathbb E(X^2)}}pour {0\lt \lambda\leq1}.

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Exercice 8. (★★) Séries, familles sommables ; probabilités de queue ; intégrabilité
Pour {X} à valeurs dans {\mathbb{N}}, montrer que {\mathbb E(X)\lt \infty} équivaut à la sommabilité de {(\mathbb{P}(X\geq k))_{k\geq0}}.

Si {X_1,\ldots,X_n} ont un moment d’ordre {n}, montrer que leur produit est intégrable et {\mathbb E(\prod\limits X_i)\leq\sum\limits \mathbb E(X_i^n)}.

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Exercice 9. (★★★) inégalité de Markov ; indépendance ; moments
Soit {(X_n)} i.i.d. réelles, avec {\mathbb E(X_1^4)\lt \infty}.

Justifier l’existence de {m=\mathbb E(X_1)} et {V_4=\mathbb E(X_1-m)^4}. Montrer {\mathbb{P}\left(\left|\frac1n\sum_{i=1}^nX_i-m\right|\geq\varepsilon\right) \leq\frac{3V_4}{\varepsilon^4n^2}.}

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Exercice 10. (★★★) espérance ; Raisonnement et ensembles ; coefficients binomiaux
Démontrer combinatoirement {\binom{a+b}n=\sum\limits_{k=0}^n\binom ak\binom b{n-k}}.

Deux joueurs lancent chacun {n} fois une pièce équilibrée, indépendamment. Soit {X} leur différence de nombres de Pile.

Déterminer sa loi, son espérance, sa variance et {\mathbb E(|X|)}.

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Exercice 11. (★★★) permutations ; formule du crible ; variables indicatrices
Pour une permutation uniforme de {n} éléments, soit {X} le nombre de points fixes.

Calculer {\mathbb E(X)}.

Si {d_k} compte les permutations de {k} éléments sans point fixe, montrer {n!=\sum\limits_{k=0}^n\binom nk d_k}, en déduire {d_n}, puis le nombre de permutations ayant exactement {k} points fixes.

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Exercice 12. (★★) intégrabilité ; linéarité ; symétrie
Soit {X_1,\ldots,X_n} i.i.d. strictement positives et {Y_k=(X_1+\cdots+X_k)/(X_1+\cdots+X_n)}.

Montrer que {Y_k} est intégrable et calculer son espérance.

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Exercice 13. (★★) probabilités de queue ; intégrabilité ; comparaison
Soit {X} à valeurs dans {\mathbb{N}} et {\alpha,\beta\in\mathbb{R}} tels que, pour tout {\delta>0}, {\mathbb{P}(|X-\alpha|\geq\delta)\leq\beta/\delta^2}.

Montrer que {\sum\limits\mathbb{P}(X\geq n)} converge et que {X} est intégrable.

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Exercice 14. (★★★) Probabilités, variables aléatoires ; moments ; convexité
Soit {X} à valeurs dans {\mathbb{N}}, de variance finie.

Montrer que sa fonction génératrice est convexe sur {[0,1]}, puis {\mathbb E(\frac1{X+1})\leq1-\frac23\mathbb E(X)+\frac16\mathbb E(X^2).}

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Exercice 15. (★★★) variables indicatrices ; covariance ; lois
Soient {1\leq m\leq n/2}. Deux urnes contiennent chacune les numéros {1} à {n}. On tire {m} boules dans chaque urne et {X} compte les doublons.

Déterminer sa loi et sa variance.

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Exercice 16. (★★★★) Moments ; Combinaisons ; Lois de probabilité
Une urne contient {n\geq1} boules noires et {b\geq1} blanches. On tire sans remise.

Si {X} est le rang de la dernière blanche, calculer sa loi, son espérance et sa variance.

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Exercice 17. (★★★★) indépendance ; variables indicatrices ; covariance
On tire avec remise parmi les numéros {0,\ldots,n}.

Poser {X_1=1} et, pour {i\geq2}, {X_i=1} si le {i}-ième numéro est nouveau, {0} sinon.

Poser {Y_i=\sum\limits_{j=1}^iX_j}.

Déterminer les lois des {X_i}, l’espérance et la variance de {Y_i}, un équivalent de {\mathbb E(Y_n)}, les probabilités {P(X_i=X_j=1)} et l’indépendance.

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Exercice 18. (★) variance d’une somme ; espérance ; indépendance
Une puce part de l’origine de {\mathbb{Z}^2} et saute à chaque étape uniformément dans une des quatre directions.

Si {X_n} est son abscisse, calculer {\mathbb E(X_n)} et {\mathbb E(X_n^2)}.

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Exercice 19. (★★★) Positivité de l’espérance ; Variance ; Lois à support fini
Soit {X\in[a,b]} presque sûrement, avec {\mathbb E(X)=m}.

Montrer {V(X)\leq(m-a)(b-m)} et l’optimalité de cette borne.

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Exercice 20. (★★★★★) Cauchy-Schwarz ; égalité en loi ; intégrabilité
Soient {X,Y} discrètes strictement positives, de même loi et d’espérance finie.

Montrer {\mathbb E(X/Y)\geq1}. Indication : commencer par le cas indépendant.

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Exercice 21. (★★★) inégalité de Cauchy-Schwarz ; inégalité de Markov ; indépendance
Soient {X_n>0} indépendantes, dans {L^2}, et {\mathbb E(X_n)=1}.

Poser {P_n=\prod\limits_{i=1}^nX_i}.

1) Pour {\lambda\in[0,1]} et {X\in L^2} avec {\mathbb E(X^2)>0}, montrer {P(X\geq\lambda \mathbb E(X))\geq(1-\lambda)^2\mathbb E(X)^2/\mathbb E(X^2)}.

2) Montrer que {\mathbb E(\sqrt{P_n})\to0} équivaut à la convergence en probabilité de {(X_n)} vers zéro.

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Exercice 22. (★★★★) inégalité de Markov ; continuité décroissante ; moments
Soient {X_i} i.i.d. possédant un moment d’ordre quatre, {m=\mathbb E(X_i)}, {V_4=\mathbb E((X_i-m)^4)} et {A_n^\varepsilon=\left\{|n^{-1}\sum\limits_{i=1}^n(X_i-m)|\geq\varepsilon\right\}}.
1) Justifier la définition réelle de {m,V_4}.

2) Montrer {P(A_n^\varepsilon)\leq3V_4/(n^2\varepsilon^4)}.

3) Montrer {P(\bigcap_{n\geq1}\bigcup_{p\geq n}A_p^\varepsilon)=0}.

4) En déduire {n^{-1}\sum\limits_{i=1}^nX_i\to m} presque sûrement.

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Exercice 23. (★★) variance d’une somme ; covariance ; loi binomiale
On considère {n} ampoules éteintes. L’ampoule {i} a une probabilité {p_i} de s’allumer à un instant donné. Soit {Y} leur nombre allumé.
1) Exprimer {\mathbb E(Y)} et {V(Y)}.

2) Pour {\mathbb E(Y)=m} fixé, donner une condition nécessaire et suffisante sur les {p_i} pour que la variance soit maximale, puis la loi de {Y}.

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Exercice 24. (★★) variance d’une somme ; covariance ; loi binomiale
Un péage a trois voies ; {n} voitures choisissent aléatoirement et indépendamment une voie. Soit {X_i} le nombre de voitures sur la voie {i}.
1) Donner les lois des {X_i}.

2) Calculer leurs variances, celle de {X_1+X_2} et {\operatorname{Cov}(X_1,X_2)}.

3) Sont-elles indépendantes deux à deux ? Mutuellement indépendantes ?

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Exercice 25. (★) loi de Poisson ; formule de transfert ; développements usuels
Pour {X\sim\mathcal P(\lambda)}, calculer {\mathbb E(1/(X+1))} et {\mathbb E(1/((X+1)(X+2)))}.
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Exercice 26. (★★★) variance ; Intégration sur un intervalle quelconque ; intégration terme à terme
À quelle condition sur {\alpha} existe-t-il une variable {X} à valeurs dans {\mathbb{N}^\star} avec {\mathbb{P}(X=n)=\int_1^\infty(1+t^\alpha)^{-n}dt} ?

Dans ce cas, montrer qu’elle admet une variance et la calculer.

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Exercice 27. (★★) inégalités de convexité ; moments ; positivité
Soient {\alpha\in\mathbb{R}} et {X} à valeurs dans {\mathbb{N}^\star}.

Comparer {\mathbb E(X^\alpha)} et {\mathbb E(X)^\alpha} dans la droite réelle achevée.

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Exercice 28. (★★★) Cauchy-Schwarz ; Moments ; Positivité
Soient {X,Y} à valeurs dans {\mathbb{R}_+^\star}.

Minorer aussi précisément que possible {\mathbb E(X/Y)}.

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Exercice 29. (★★) variance ; loi de Poisson ; formule de transfert
Soient {X\sim\mathcal P(\lambda)} et {Y=X^2+1}.
1) Calculer {\mathbb E(Y)}.

2) Calculer {\mathbb{P}(2X\lt Y)}.

3) Comparer les probabilités que {X} soit pair ou impair.

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Exercice 30. (★) Probabilités, variables aléatoires ; inégalité de Markov ; linéarité
Soit {(E_n)_{n\ge0}} une suite d’événements et {Z=\sum\limits_{n\ge0}\mathbf1_{E_n}}.

Montrer que si {\sum\limits_n\mathbb{P}(E_n)} converge, {Z} est d’espérance finie.

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Exercice 31. (★★★) intégration terme à terme ; formule de transfert ; loi géométrique
Soit {X\sim\mathcal G(p)}, {0\lt p\lt 1}, et {Y=\int_0^{2\pi}\sin^X t\,dt}.

Montrer que {Y} admet une espérance et la calculer.

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Exercice 32. (★★) variance d’une somme ; loi géométrique ; indépendance
Soient {X_1,X_2} indépendantes de loi {\mathcal G(p)}, {0\lt p\lt 1}, et {Y=|X_1-X_2|}.
1) Calculer sa loi et son espérance.

2) Montrer {\mathbb E((X_1-X_2)^2)=2V(X_1)}, puis calculer la variance de {Y}.

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Exercice 33. (★★) Probabilités, variables aléatoires ; inégalité de Markov ; formule de transfert
Soient {X\sim\mathcal P(\lambda)}, {\lambda>0}, {n\in\mathbb{N}} et {Y=(X+n)!}.
1) Quand {Y} a-t-elle une espérance finie ?

2) Dans ce cas, montrer que {\mathbb{P}(Y\ge m)\le n!/(m(1-\lambda)^{n+1})} pour {m\ge1}.

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Exercice 34. (★★★) Intégration sur un intervalle quelconque ; convergence dominée ; intégration terme à terme
Soit {X>0} presque sûrement avec {\mathbb E(1/X)\lt \infty}.

Poser {F_X(t)=\mathbb E(e^{-tX})} pour {t\ge0}.

1) Montrer que {F_X} est définie, continue, intégrable et calculer son intégrale.

2) Soient {Y,Z} indépendantes de loi {\mathcal G(p)}, {0\lt p\lt 1}.

Calculer {\mathbb E(1/(X+Y))}.

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Exercice 35. (★★★) Probabilités, variables aléatoires ; inégalités de convexité ; moments
Soit {X} à valeurs dans {\mathbb{N}} et admettant une variance.
1) Montrer que sa fonction génératrice est convexe sur {[0,1]}.

2) Montrer que {\mathbb E(1/(X+1))\le1-\tfrac23\mathbb E(X)+\tfrac16\mathbb E(X^2)}.

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Exercice 36. (★★★★) espérance ; développements limités ; lois de probabilité
Soient {m,n\in\mathbb{N}} avec {n>m+2}, et {u_{k+1}=(k+m)u_k/(k+n)} à partir de {u_0\in\mathbb{R}}.
1) Étudier {\sum\limits\log(((k+1)/k)^{n-m}u_{k+1}/u_k)} et en déduire {u_k\sim Ck^{m-n}} avec {C>0}.

2) Montrer qu’il existe une variable {X} telle que {(k+n)\mathbb{P}(X=k+1)=(k+m)\mathbb{P}(X=k)} pour tout {k\ge0}.

3) Montrer que {X} est intégrable et calculer son espérance.

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Exercice 37. (★) linéarité de l’espérance ; variables indicatrices ; indépendance
Soient {n\ge2} et {X,Y} deux parties aléatoires indépendantes, uniformes sur {\mathcal P(\left\{1,\ldots,n\right\})}.
1) Calculer {\mathbb E(|X|)}.
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2) Calculer {\mathbb E(|X\cap Y|)}.
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Exercice 38. (★★★) moments ; indépendance ; relations de récurrence
Une urne contient deux fois plus de boules noires que de blanches. On tire avec remise et {X} est le nombre de tirages nécessaires pour obtenir pour la première fois deux noires consécutives. On pose {u_n=\mathbb{P}(X>n)}.
1) Montrer que {u_{n+2}=u_{n+1}/3+2u_n/9}.
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2) En déduire la loi de {X}.
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3) Montrer l’existence des moments de tout ordre et calculer l’espérance.
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Exercice 39. (★★) fonction génératrice ; espérance ; dérivation des séries entières
Pour {k\ge1}, on pose {\mathbb{P}(X=k)=(k-1)/2^k}.
1) Montrer qu’il s’agit d’une loi.
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2) Calculer sa fonction génératrice.
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3) Calculer son espérance.
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Exercice 40. (★★★) lois marginales ; covariance ; indépendance
Soient {a>0}, {p\in]0,1[\setminus\left\{1/2\right\}} et un couple {(X,Y)} à valeurs dans {\mathbb{N}^2} tel que {\mathbb{P}(X=k,Y=n)=a\frac{(1-p)^{n-k}}{2^n}\mathbf1_{k\le n}.}
1) Calculer {a} et les lois marginales.
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2) Calculer les espérances et variances.
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3) Calculer la covariance et discuter l’indépendance.
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Exercice 41. (★★) loi binomiale ; théorème de transfert ; fonction génératrice
Soit {X\sim\mathcal B(n,p)} et {Y=1/(X+1)}.

Calculer {\mathbb E(Y)}.

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Exercice 42. (★★★) positivité de l’espérance ; moments ; théorème de transfert
Soit {X} une variable à valeurs entières ayant un moment d’ordre deux.

Montrer que {\mathbb E(\frac1{X+1})\le1-\frac23\mathbb E(X)+\frac16\mathbb E(X^2),}et caractériser l’égalité.

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Exercice 43. (★★★) espérance ; formule des probabilités totales ; relations de récurrence
Deux compartiments contiennent au total {2N} particules, initialement toutes dans {A}. À chaque étape, une particule choisie uniformément passe dans l’autre compartiment. Soit {X_n} le nombre de particules dans {A} à l’instant {n}.
1) Relier {\mathbb{P}(X_n>k)} à {\mathbb{P}(X_{n-1}>k+1)} et aux masses en {k,k+1}.
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2) En déduire {\mathbb E(X_n)=1+(1-1/N)\mathbb E(X_{n-1})}.
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3) Calculer l’espérance pour tout {n} et sa limite.
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Exercice 44. (★★★) coefficients binomiaux ; loi binomiale ; variables indicatrices
On lance simultanément {n\ge1} fois deux pièces équilibrées. Soit {E_n} l’événement que leurs nombres totaux de piles soient égaux.
1) Pour {a,b,n\in\mathbb{N}} avec {a+b\le n}, montrer {\sum\limits_{k=0}^n\binom ak\binom b{n-k}=\binom{a+b}n}.

Calculer {\mathbb{P}(E_n)}.

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2) Soit {N} le nombre de fois, au cours des {n} étapes, où les deux nombres cumulés de piles sont égaux.

Calculer {\mathbb E(N)}.

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Exercice 45. (★★★) Calcul asymptotique ; covariance ; variables indicatrices
On range indépendamment et uniformément {n} chapeaux dans {n} tiroirs, chacun pouvant recevoir plusieurs chapeaux. Soit {X_k} le numéro du tiroir du chapeau {k}, et {Z_n} le nombre de tiroirs vides.
1) Calculer l’espérance et la variance de {Z_n}.
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2) En donner des équivalents lorsque {n\to\infty}.
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Exercice 46. (★★★★) loi géométrique ; indépendance ; théorème de transfert
Soient {X,Y} indépendantes de loi géométrique de paramètre {p\in]0,1[}.
1) Calculer l’espérance et la variance de {(X+1)^2/X}, notamment en fonction de {\int_p^1\log u/(1-u)\,du}.
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2) Calculer les espérances de {(X+1)^2/Y} et {(X+1)^2Y}.
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3) Ces deux dernières variables sont-elles indépendantes ?
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Exercice 47. (★★★) espérance ; relations de récurrence ; séries géométriques
Soient {a,b>0} et {X} à valeurs dans {\mathbb{N}} avec {\mathbb{P}(X=n+1)=a\mathbb{P}(X=n)+b^{n+1}}.
1) Montrer que {a,b\lt 1} et expliciter la loi.
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2) Calculer {\mathbb E(X)}.
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Exercice 48. (★★★) inégalité de Bienaymé-Tchebychev ; variance d’une somme indépendante ; sommes de Riemann
Soit {(E_k)} i.i.d. uniforme sur {\left\{-1,1\right\}}.

Montrer l’existence de {\ell\in\mathbb{R}} telle que, pour tout {\alpha>0}, {\mathbb{P}\left(\left|\frac1n\sum_{k=1}^n\cos(k/n+E_k)-\ell\right|>\alpha\right)\longrightarrow0.}

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Exercice 49. (★★★) fonction génératrice ; moments ; développements usuels
1) Donner les {(r,s)\in\mathbb{R}^2} pour lesquels {\mathbb{P}(X=n)=r\binom{2n}ns^n}, {n\in\mathbb{N}}, définit une loi.
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2) Sous cette condition, montrer que {G_X} résout {(1-4st)y'=2sy} sur {[0,1]}.
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3) Calculer l’espérance et la variance.
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Exercice 50. (★★★) fonction génératrice ; moments ; développements usuels
1) Donner une condition nécessaire et suffisante sur {\alpha\in\mathbb{R}} pour que {(2-t)^{-\alpha}} soit la fonction génératrice d’une variable {X\in\mathbb{N}}.
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2) Calculer l’espérance et la variance et montrer {\mathbb{P}(X=n)=O(n^{\lfloor\alpha\rfloor}/2^n)}.
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Exercice 51. (★★) équivalents ; comparaison série-intégrale ; théorème de transfert
Pour {n\ge2}, soit {X_n} à valeurs dans {\left\{1,\ldots,n\right\}} avec {\mathbb{P}(X_n=k)=\log k/\log(n!)}.

Donner des équivalents de {\mathbb E(X_n)} et {\mathbb E(X_n^2)} à l’infini.

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Exercice 52. (★★★) variance ; positivité de l’espérance ; variables bornées
Pour {a\lt b}, quelle est la variance maximale d’une variable aléatoire à valeurs dans {[a,b]} ?
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Exercice 53. (★★★) borne supérieure ; moments ; théorème de transfert
Soient {f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}_+} bornée et {X} une variable réelle.

Montrer que {\bigl(\mathbb E(f(X)^n)\bigr)^{1/n} \longrightarrow\sup\left\{f(x):\mathbb{P}(X=x)>0\right\}.}

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Exercice 54. (★★★★) inégalité de Cauchy-Schwarz ; projection orthogonale ; indépendance
Soient {n\ge2}, {V\subset\mathbb{R}^n} de dimension {k} et {M} la matrice de son projecteur orthogonal. On écrit {M=D+A}, avec {D} diagonale et {A} de diagonale nulle. Soient {X=(X_1,\ldots,X_n)^T} à composantes de Rademacher indépendantes et {R=d(X,V)}.
1) Montrer {0\le R\le\sqrt n}.
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2) Montrer {d(x,V)^2=\lVert x\rVert^2-\langle x,p_Vx\rangle}.
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3) Montrer {R^2=n-k-X^TAX} et calculer son espérance.
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4) Montrer {\operatorname{tr}(D^2)\ge k^2/n}.
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5) Calculer {\mathbb E((X^TAX)^2)}.
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Exercice 55. (★★★) Calcul asymptotique ; loi géométrique ; comparaison série-intégrale
Soient {(X_i)} i.i.d. géométriques de paramètre {p\in]0,1[}, {q=1-p} et {M_n=\max(X_1,\ldots,X_n)}.
1) Donner une expression de {\mathbb E(M_n)}.
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2) Pour {f_n(t)=1-(1-q^t)^n}, montrer la convergence de {\int_0^\infty f_n} et en donner un équivalent lorsque {n\to\infty}.
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3) En déduire un équivalent de {\mathbb E(M_n)}.
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Exercice 56. (★★★★) inégalité de Markov ; indépendance ; inégalité de convexité
Soient {X_k} des variables de Rademacher indépendantes et {S_n=\sum\limits_{k=1}^nX_k}.
1) Calculer {\mathbb E(e^{tS_n})}.
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2) Montrer que {\mathbb{P}(|S_n|\ge na)\le2e^{-na^2/2}} pour {a>0}.
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3) Montrer que la même borne vaut pour des variables i.i.d. centrées et bornées en module par un.
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Exercice 57. (★★★) inégalité de Bienaymé-Tchebychev ; continuité uniforme ; variance d’une somme indépendante
Soient {a\le b}, {X} à valeurs dans {[a,b]}, {(X_n)} i.i.d. de même loi, {S_n=\sum\limits_{k=1}^nX_k}, et {f\in C^0([a,b],\mathbb{R})}.

Montrer que {\mathbb E(f(S_n/n))\to f(\mathbb E(X))}.

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Exercice 58. (★★★★) continuité décroissante des probabilités ; inégalité de Markov ; moments
Soient {(X_n)} i.i.d. réelles avec un moment d’ordre quatre. On pose {m=\mathbb E(X_1)}, {V_2=\mathbb E((X_1-m)^2)}, {V_4=\mathbb E((X_1-m)^4)} et {A_n^\varepsilon=\left\{|n^{-1}\sum\limits_{k=1}^nX_k-m|\ge\varepsilon\right\}}.
1) Majorer {\mathbb{P}(A_n^\varepsilon)} selon {\varepsilon,V_2,V_4}.
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2) Montrer la convergence de la série de ces probabilités.
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3) Montrer que {\mathbb{P}(\bigcap_{n\ge1}\bigcup_{k\ge n}A_k^\varepsilon)=0}.
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PSI


Exercice 1. (★★) Espérance et variance ; Loi géométrique ; Indépendance
Soient {X,Y} indépendantes de lois géométriques de paramètres {p_1,p_2} sur {\mathbb{N}^\star}.

Pour {M=\max(X,Y)}, justifier sa qualité de variable aléatoire et déterminer sa loi.

Calculer son espérance et sa variance à l’aide de {m=\min(X,Y)}.

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Exercice 2. (★★★) Espérance et variance ; Équivalents ; Loi uniforme
1) Pour une variable finie à valeurs dans {\mathbb{N}}, montrer {\mathbb E(X)=\sum\limits_{k\geq0}\mathbb{P}(X>k)} et {\mathbb E(X^2)=\sum\limits_{k\geq0}(2k+1)\mathbb{P}(X>k)}.
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2) Dans une urne de {N} boules numérotées de {1} à {N}, effectuer {n} tirages indépendants avec remise et noter {X_n} le maximum.

Calculer son espérance et sa variance, et en donner des équivalents.

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Exercice 3. (★★) Loi uniforme ; Espérance ; Indépendance
Soient {X,Y} indépendantes uniformes sur {\left\{1,\ldots,n\right\}} et {1\leq m\leq n}.

Poser {Z=X} si {Y\leq m}, et {Z=Y} sinon.

Donner sa loi, calculer les trois espérances et déterminer les {m} maximisant {\mathbb E(Z)}.

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Exercice 4. (★★) Variance d’une somme ; Covariance ; Variables indicatrices
Sur {S_n} muni de la loi uniforme, soit {X_i(\sigma)=\mathbf1_{\left\{\sigma(i)=i\right\}}} et {N=\sum\limits_iX_i} le nombre de points fixes.

Donner les probabilités des singletons, les espérances des {X_i} et de {N}, les covariances des {X_i}, puis la variance de {N}.

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Exercice 5. (★★) série géométrique dérivée ; normalisation d’une loi ; variance
Soient {n\in\mathbb{N}} et {p\in]0,1[}. Une variable {X} à valeurs dans {\mathbb{N}} vérifie {\mathbb{P}(X=k)=a\binom{n+k}{k}p^k} pour tout {k\ge0}.
a) Quelle est la valeur de {a} ?

b) Déterminer {\mathbb E(X)} et {V(X)} si elles existent.

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Exercice 6. (★★★) indépendance ; probabilités des queues ; formule des queues
Soit {(X_k)} une suite de variables i.i.d. de loi de Bernoulli de paramètre {2/3}. On pose {A_k=\left\{X_{2k-1}X_{2k}=0\right\}}, {B_p=\bigcap_{k=0}^pA_k} et {T=\min\left\{k\ge2:X_{k-1}=X_k=1\right\}\in\mathbb{N}\cup\left\{+\infty\right\}}.
a) Montrer que {\mathbb{P}(\overline{\bigcap_{k=0}^{\infty}A_k})=1} et en déduire {\mathbb{P}(T\in\mathbb{N})=1}.

b) Établir une récurrence linéaire d’ordre deux vérifiée par {(\mathbb{P}(T=n))}.

c) Calculer l’espérance de {T}.

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Exercice 7. (★★★) espérance d’une fonction ; loi géométrique ; loi d’un couple
Soient {X,Y} indépendantes de lois respectives {\mathcal G(p)} et {\mathcal G(q)}, avec {p,q\in]0,1[}. On pose {U=X/Y}.
a) Donner la loi de {U}.

b) Calculer son espérance.

c) Si {p=q}, montrer que {\mathbb E(U)>1}.

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Exercice 8. (★★★★) espérance par les probabilités de queue ; indépendance ; séries de Riemann
Soient {(X_n)_{n\geq2}} indépendantes, de lois de Bernoulli de paramètres {p_n=n^{-\alpha}}, où {\alpha>0}. Soit {\tau=\min\left\{n\geq2:X_n=1\right\}\in\mathbb{N}^\star\cup\left\{+\infty\right\}}.
1) Donner une condition nécessaire et suffisante pour {\mathbb{P}(\tau=+\infty)=0}.
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2) Donner une condition nécessaire et suffisante pour {\mathbb E(\tau)\lt +\infty}.
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Exercice 9. (★★) espérance ; dérivation terme à terme ; normalisation d’une loi
Soient {n\in\mathbb{N}}, {a\geq0} et {0\lt p\lt 1}. Une variable {X} à valeurs dans {\mathbb{N}} vérifie {\mathbb{P}(X=k)=a\binom{n+k}{k}p^k}.
1) Déterminer {a}.
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2) Déterminer {\mathbb E(X)}.
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Exercice 10. (★★) espérance ; dérivation de la série géométrique ; probabilités totales
Une pièce donne pile avec probabilité {p\in]0,1[} ; soit {q=1-p}. On effectue des lancers indépendants jusqu’au deuxième pile, sans exiger qu’ils soient consécutifs. Soit {X} le nombre de faces obtenues.
1) Montrer que {X} a une espérance finie et la calculer.
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2) Sachant {X=n}, on tire uniformément une boule parmi {n+1} boules numérotées de zéro à {n}.

Si {Y} est le numéro obtenu, montrer qu’elle a une espérance finie et la calculer.

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Exercice 11. (★★) espérance ; probabilités totales ; sommes télescopiques
Une urne contient {n} boules numérotées de un à {n}. À chaque tirage, on retire les boules dont le numéro est supérieur ou égal au numéro tiré. Soit {X_n} le nombre de tirages nécessaires pour vider l’urne.
1) Calculer {\mathbb E(X_1),\mathbb E(X_2)}.
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2) Montrer que {\mathbb E(X_n)=1+n^{-1}\sum\limits_{k=1}^{n-1}\mathbb E(X_k)}.
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3) Déterminer {\mathbb E(X_n)}.
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Exercice 12. (★★★) variables indicatrices ; Probabilités, variables aléatoires ; covariance
Soient {n,N\geq2} et {n} variables indépendantes uniformes sur {\left\{1,\ldots,N\right\}}. Soit {T} le nombre de valeurs distinctes qu’elles prennent.
1) Calculer {\mathbb E(T)}.
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2) Donner un équivalent si (i) {n\to\infty} à {N} fixé, (ii) {N\to\infty} à {n} fixé, (iii) {n=N\to\infty}.
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3) Calculer {V(T)}.
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Exercice 13. (★★) linéarité de l’espérance ; indépendance ; produit scalaire
Soient {E} euclidien et {(u_1,\ldots,u_n)} des vecteurs unitaires. Soient {X_1,\ldots,X_n} indépendantes uniformes sur {\left\{-1,1\right\}}, et {X=\lVert \sum\limits_iX_iu_i\rVert^2}.
1) Calculer {\mathbb E(X)}.
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2) Montrer qu’il existe {(\varepsilon_1,\ldots,\varepsilon_n)\in\left\{-1,1\right\}^n} tel que {\lVert \sum\limits_i\varepsilon_iu_i\rVert\leq\sqrt n}.
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PC


Exercice 1. (★★★) Indépendance ; Covariance ; Loi géométrique
Soient {X,Y} indépendantes de loi géométrique de paramètre {p\in]0,1[} sur {\mathbb{N}^\star}. Pour {M=\begin{pmatrix}X&Y\\[4pt]Y&X\end{pmatrix}}, noter {S} sa plus grande valeur propre et {B} la plus petite.

Exprimer {B,S}, calculer leurs variances et covariance, étudier leur indépendance et donner la loi de {B}.

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Exercice 2. (★★) Cauchy-Schwarz ; Intégrabilité ; Formule de transfert
Soit {X} à valeurs dans {\mathbb{N}^\star}, d’espérance finie.

Montrer que {1/X} est d’espérance finie.

Montrer ensuite {1/\mathbb E(X)\leq \mathbb E(1/X)}.

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Exercice 3. (★★★) Covariance ; Variables indicatrices ; Linéarité
Soit {E} de cardinal {n\geq1} et {f} une application uniforme de {E} dans {E}. Pour {k\in E}, soit {X_k=\mathbf1_{\left\{k\in f(E)\right\}}} et {Y=|f(E)|}.

Donner la loi de {X_k}, l’espérance de {Y} et la covariance de {X_k,X_\ell} pour {k\neq\ell}.

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Exercice 4. (★★★) Convergence uniforme ; Loi binomiale ; Variance
Soit {\varphi:[0,1]\to\mathbb{R}} lipschitzienne. Pour {x\in[0,1]}, soient {X_i^{(x)}} indépendantes de loi de Bernoulli de paramètre {x}, {S_n^{(x)}=n^{-1}\sum\limits_{i=1}^nX_i^{(x)}} et {\varphi_n(x)=\mathbb E(\varphi(S_n^{(x)}))}.

Montrer que les {\varphi_n} sont des polynômes convergeant uniformément vers {\varphi}.

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Exercice 5. (★★★) covariance ; loi de Bernoulli ; combinaisons
Soient {a,n\ge1} et {N=an}. On dépose {N} boules indiscernables dans {n} urnes numérotées. Soit {T_i} l’indicatrice de l’urne {i} vide, {Y_n} leur nombre et {S_n=Y_n/n}.
a) Donner la loi, l’espérance et la variance de {T_i}.

b) Calculer l’espérance et la variance de {S_n}, puis leurs limites.

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Exercice 6. (★★) variance d’une somme ; covariance ; loi binomiale
Dans un magasin, {np} clients choisissent indépendamment et uniformément l’une des {n} caisses. Soit {X_i} le nombre de clients à la caisse {i}.
a) Déterminer sa loi, son espérance et sa variance en l’écrivant comme une somme de variables indépendantes.

b) Calculer {\operatorname{Cov}(X_i,X_j)}.

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Exercice 7. (★★) Cauchy-Schwarz ; covariance ; loi de Bernoulli
Pour deux événements {A,B}, montrer {|\mathbb{P}(A)\mathbb{P}(B)-\mathbb{P}(A\cap B)|\le1/4}.
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Exercice 8. (★★) continuité croissante ; linéarité ; loi de Bernoulli
Soit {p_n\in]0,1[} avec {\sum\limits p_n\lt \infty} et {X_n\sim\mathcal B(p_n)}.

Poser {S_n=\sum\limits_{k=0}^nX_k} et {S=\sum\limits_{k=0}^{\infty}X_k}.

a) Exprimer {\left\{S\ge k\right\}} avec les {\left\{S_n\ge k\right\}} et montrer la mesurabilité de {S}.

b) Montrer qu’elle est presque sûrement finie.

c) Calculer son espérance.

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Exercice 9. (★★★) lois ; linéarité ; interpolation de Lagrange
Soient {X,Y} réelles à supports finis, telles que {\mathbb E(X^k)=\mathbb E(Y^k)} pour tout {k\in\mathbb{N}}.

Montrer qu’elles ont la même loi.

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Exercice 10. (★★) Intégration sur un segment ; formule de transfert ; théorème fondamental
Soit {X\geq0} ne prenant qu’un nombre fini de valeurs et {k\geq1}.

Montrer que {\mathbb E(X^k)=\int_0^\infty kt^{k-1}\mathbb{P}(X>t)dt}.

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Exercice 11. (★★★★) variance d’une somme ; indépendance ; loi de Bernoulli
Soient {p,p'\in]0,1[} et des variables indépendantes {(X_n)_{n\in\mathbb{N}}} telles que {X_{2n}\sim\mathcal B(p)}, {X_{2n-1}\sim\mathcal B(p')} pour {n\geq1}. Soit {Y=\min\left\{n\in\mathbb{N}:X_n=1\right\}}.
1) Montrer que {Y} est presque sûrement finie.

2) Donner sa loi, son espérance et sa variance.

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Exercice 12. (★★) variance d’une somme ; Bienaymé-Tchebychev ; indépendance
Soient {0\lt p\lt 1} et {(X_n)_{n\geq1}} indépendantes de loi {\mathcal B(p)}. Posons {Y_n=X_n+X_{n+1}+X_{n+2}}.

Montrer que pour tout {\varepsilon>0}, {\mathbb{P}\left(\left|\frac1n\sum_{k=1}^nY_k-3p\right|\geq\varepsilon\right)\to0.}

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Exercice 13. (★★★) Probabilités, variables aléatoires ; inégalité de Markov ; positivité
Soient {X} réelle, {g:\mathbb{R}\to\mathbb{R}_+}, {b>0}, et {I\subset\mathbb{R}} tel que {g(x)\geq b} sur {I}.
1) Montrer que {\mathbb{P}(X\in I)\leq \mathbb E(g(X))/b}.
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2) Si {\mathbb E(X)=0} et {X} a une variance, montrer que {\mathbb{P}(X\geq t)\leqVX/(V(X)+t^2)} pour {t>0}.
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Exercice 14. (★★) variance d’une somme ; indépendance ; linéarité
Soient {(X_i)} i.i.d. uniformes sur {\left\{-1,1\right\}}, {S_n=\sum\limits_{k=1}^nX_k}, {P_n=\prod\limits_{k=1}^nX_k}.
1) Donner leurs espérances et variances.
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2) Donner la loi de {P_n}.
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3) Sont-elles indépendantes ?
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Exercice 15. (★★★) séries à termes positifs ; formule de transfert ; linéarité
Soient {(X_k)} de même loi, à valeurs dans {\mathbb{N}}, d’espérance finie, et {M_n=\max(X_1,\ldots,X_n)}.
1) Montrer que {X_1\mathbf1_{X_1\geq N+1}} est intégrable et que son espérance tend vers zéro.
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2) Montrer que {M_n\leq N+\sum\limits_{k=1}^nX_k\mathbf1_{X_k\geq N+1}}.
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3) Trouver {\lim \mathbb E(M_n/n)}.
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4) Étendre aux variables positives de même loi et d’espérance finie.
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Exercice 16. (★★★) Cauchy-Schwarz ; accroissements finis ; variance d’une somme
1) Pour {X} réelle discrète avec {\mathbb E(X^2)\lt \infty}, comparer {\mathbb E(X^2)} et {(\mathbb E(X))^2}.
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2) Soient {N>0}, {(X_n)} i.i.d. dans {[0,N]}, {f\in C^1(\mathbb{R},\mathbb{R})} et {S_n=\sum\limits_{k=1}^nX_k}.

Montrer que {\mathbb E(f(S_n/n))\to f(\mathbb E(X_1))}.

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Exercice 17. (★★★) Probabilités, variables aléatoires ; Bienaymé-Tchebychev ; formule de transfert
Soient {(X_k)} réelles i.i.d., avec {\mathbb E(|X_1|)\lt \infty} et {\mathbb E(X_1^2)=+\infty}. Posons {Y_{n,k}=X_k\mathbf1_{|X_k|\leq n}}, {S_n=\sum\limits_{k=1}^nX_k}, {T_n=\sum\limits_{k=1}^nY_{n,k}}.
1) Montrer que {\mathbb E(S_n-T_n)/n\to0}.
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2) Montrer que {\mathbb{P}(S_n\ne T_n)\leq n\mathbb{P}(|X_1|>n)}.
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3) Montrer que {\mathbb{P}\left(\frac{|S_n-\mathbb E(T_n)|}n\geq\varepsilon\right) \leq\frac{V(T_n)}{n^2\varepsilon^2}+n\mathbb{P}(|X_1|>n).}
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Exercice 18. (★★) variance d’une somme ; éléments propres ; loi géométrique
Soient {0\lt p\lt 1}, {X,Y} indépendantes de loi {\mathcal G(p)} et {M=\begin{pmatrix}X&Y\\[4pt]Y&X\end{pmatrix}}. Soient {S,B} sa plus grande et sa plus petite valeur propre.
1) Les exprimer et justifier qu’elles sont des variables aléatoires.
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2) Calculer leurs espérances et variances.
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Exercice 19. (★★★) Groupe symétrique, déterminants ; développement par une ligne ou colonne ; variance d’une somme
Soient {(X_{ij})} i.i.d. uniformes sur {\left\{-1,1\right\}}, {A_n=(X_{ij})_{1\leq i,j\leq n}} et {D_n=\det A_n}.
1) Calculer {\mathbb E(D_n)}.

2) Montrer par récurrence que {V(D_n)=n!}.

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Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.