Probabilités, variables aléatoires — CCINP et autres écoles

Exercices corrigés du CCINP et d’autres écoles sur le thème « probabilités, variables aléatoires », regroupés par filière.

MP–MPI


Exercice 1. (★★) loi géométrique ; indépendance ; probabilités de queue
Soit {X} de loi géométrique de paramètre {p\in]0,1[}.
a) Que vaut {\mathbb{P}(X\geq k)} pour {k\geq1} ?
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b) Yves et Zak ont chacun une pièce donnant pile avec probabilité {p}. Yves lance jusqu’au premier pile, puis Zak fait de même.

Quelle est la probabilité que Zak ait besoin de deux fois plus de lancers qu’Yves ?

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Exercice 2. (★★) espérance ; indépendance ; lois
On admet, pour {q\in\mathbb{N}} et {|x|\lt 1}, {\sum\limits_{k=q}^\infty\binom{k}{q}x^{k-q}=(1-x)^{-q-1}}. Soient {p\in]0,1[} et {r\in\mathbb{N}^\star}. Une bactérie est déposée dans une enceinte à l’instant {0}. Un rayon laser est envoyé à chaque seconde, le premier à l’instant {1}. Chaque tir, indépendant des autres, touche la bactérie avec probabilité {p}. Elle meurt au {r}-ième tir qui la touche. On note {X} sa durée de vie en secondes.
a) Déterminer la loi de {X}.
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b) Prouver que son espérance existe et la calculer.
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Exercice 3. (★★) loi de Poisson ; lois conditionnelles ; lois marginales
Chaque jour, le nombre {Y} de clients suit une loi de Poisson de paramètre {\lambda} ; chaque client est satisfait avec probabilité {p\in]0,1[}. On note {X} le nombre de clients satisfaits.
a) Préciser la loi de {Y}, puis celle de {X} sachant {Y=n}.
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b) Calculer la loi du couple {(X,Y)}, puis celle de {X}.
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Exercice 4. (★★) indépendance ; loi de Poisson ; lois marginales
Soit {(X,Y)} à valeurs dans {\mathbb{N}^2}, de loi jointe {\mathbb{P}(X=n,Y=k)=e^{-b}\frac{b^n}{k!(n-k)!}a^k(1-a)^{n-k} \quad(0\leq k\leq n),}et nulle sinon.
a) Déterminer la loi, l’espérance et la variance de {X}.
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b) Montrer que {Y\sim\mathcal P(ab)}. Les variables {X,Y} sont-elles indépendantes ?
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c) Déterminer la loi de {X-Y} et vérifier son indépendance avec {Y}.
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Exercice 5. (★★★) détermination d’une loi ; interpolation de Lagrange ; espérance
Soient {X,Y} à valeurs dans un ensemble fini de réels.

Si {\mathbb E(X^k)=\mathbb E(Y^k)} pour tout {k\in\mathbb{N}}, montrer qu’elles suivent la même loi.

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Exercice 6. (★★★) espérance ; lois ; combinaisons
Une urne contient {n} boules numérotées de {1} à {n}. On tire simultanément {k} boules et on note {X} leur plus petit numéro.
a) Déterminer sa loi.
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b) Calculer {\sum\limits_{i=1}^{n-k+1}\binom{n-i}{k-1}}.
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c) Calculer son espérance.
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Exercice 7. (★) loi géométrique ; espérance ; variance
a) Rappeler la loi géométrique et donner un exemple concret justifié.
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b) Rappeler la définition de la fonction génératrice et donner celle d’une variable {X} de loi géométrique.
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c) Rappeler comment obtenir espérance et variance avec cette fonction, puis effectuer les calculs pour {X}.
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Exercice 8. (★) dérivée d’une fonction génératrice ; espérance ; loi binomiale
Soit {X\sim\mathcal B(n,p)}.

Calculer son espérance directement à partir de sa loi, à l’aide de sa fonction génératrice, puis en interprétant la loi sans calcul.

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Exercice 9. (★★) indépendance ; loi de Poisson ; covariance
Une personne peint un bâtiment depuis une échelle. Chaque passant a une probabilité {p\in]0,1[} de recevoir une goutte. Soient {X} et {Y} les nombres de passants respectivement touchés et non touchés.
1) Si {n} personnes passent, donner leurs lois et discuter leur indépendance.

2) Si le nombre {N} de passants suit {\mathcal P(\lambda)}, donner les lois de {X,Y} et l’espérance et la variance de {X}.

3) Montrer dans ce dernier cas l’indépendance et calculer {\operatorname{Cov}(X,Y)}.

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Exercice 10. (★) loi binomiale ; loi de Poisson ; produit des fonctions génératrices
Soient {X,Y} indépendantes et {S=X+Y}.

Exprimer {G_S} en fonction de {G_X,G_Y}.

Donner la loi de {S} si {X\sim\mathcal B(n,p)}, {Y\sim\mathcal B(m,p)}, puis si {X\sim\mathcal P(\lambda_1)}, {Y\sim\mathcal P(\lambda_2)}.

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Exercice 11. (★★) loi géométrique ; convolution ; indépendance
Soient {X\sim\mathcal G(1/3)} et {Y\sim\mathcal G(2/3)} indépendantes.

Déterminer la loi de {Z=X+Y}.

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Exercice 12. (★★) indépendance ; Espérance, variance et covariance ; loi géométrique
Soit {(X_n)_{n\ge1}} une suite de variables de Bernoulli de paramètre {p\in]0,1[}. Avec {\min\varnothing=+\infty}, poser {T_1=\min\left\{n\ge1:X_n=1\right\}} et {T_2=\min\left\{n>T_1:X_n=1\right\}}.

Interpréter {T_1}, donner sa loi, son espérance et sa variance.

Interpréter {T_2}, calculer {\mathbb{P}(T_2-T_1=k,T_1=n)}, montrer l’indépendance de {T_2-T_1,T_1} et en déduire la loi de {T_2}.

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Exercice 13. (★★★) Espérance, variance et covariance ; indépendance ; loi géométrique
Chacune de {n} tulipes a chaque année une probabilité {p\in]0,1[} de fleurir ; après sa première floraison, elle fleurit les années suivantes. Soient {X_i} l’année de première floraison de la tulipe {i} et {X} l’année à partir de laquelle toutes fleurissent.

Exprimer {X} en fonction des {X_i}, donner leurs lois, calculer {\mathbb{P}(X>k)}, puis montrer que {X} est d’espérance finie et la calculer.

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Exercice 14. (★★) épreuves de Bernoulli ; linéarité de l’espérance ; loi géométrique
On répète des épreuves de Bernoulli indépendantes de probabilité de succès {p\in]0,1[}. Soit {X} le nombre d’épreuves avant d’obtenir le {r}-ième succès, {r\in\mathbb{N}^\star}.

Écrire pascal(p,r) simulant {X}, puis moyenne(p,r,k) renvoyant la moyenne de {k} simulations.

Calculer la loi et l’espérance de {X}.

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Exercice 15. (★★) loi géométrique ; espérance ; indépendance
Soient {X_1,\ldots,X_n} i.i.d. de loi géométrique de paramètre {p\in]0,1[}.

Calculer {\mathbb{P}(X_1\ge m)} et {\mathbb{P}(X_1\le m)} pour {m\in\mathbb{N}}.

Poser {Y=\min(X_1,\ldots,X_n)}, calculer les mêmes probabilités pour {Y}, reconnaître sa loi et déterminer son espérance.

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Exercice 16. (★★★) loi géométrique ; espérance d’une fonction ; loi d’un couple
Soient {X,Y} indépendantes, géométriques de paramètres {p,q}.

Poser {Z=X/Y}.

Montrer {Z\le X}, justifier l’existence de son espérance et de sa variance, calculer {\mathbb E(Z)}, puis donner sa loi.

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Exercice 17. (★★) Espérance, variance et covariance ; indépendance ; lois marginales
Soit {(X,Y)} à valeurs dans {\mathbb{N}^2} tel que {\mathbb{P}(X=k,Y=\ell)=\alpha/2^{k+\ell}}.
1) Trouver {\alpha} et discuter l’indépendance.

2) Calculer {G_X(t)}, {\mathbb E(X)}, {V(X)}, {\operatorname{Cov}(X,Y)}.

3) Calculer {\mathbb{P}(X\ge k)} et retrouver l’espérance.

4) Déterminer la loi de {Z=\min(X,Y)}.

5) Calculer {\mathbb{P}(X\ge Y)}.

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Exercice 18. (★★) loi d’un minimum ; tirages sans remise ; équiprobabilité
Dans une urne comportant {n} boules numérotées de {1} à {n}, on tire trois boules simultanément et on note {X} le plus petit numéro tiré.

Déterminer {X(\Omega)} et {P(X=1)}, {P(X=2)}, {P(X=n)}.

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Exercice 19. (★★) loi géométrique ; indépendance ; convolution
Les clients {A_1,A_2,A_3} arrivent à deux guichets au temps {0} ; {A_3} attend. Les durées {X_1,X_2,X_3} sont indépendantes, de loi géométrique de paramètre {p\in]0,1[}. On note {Y} l’instant auquel {A_1} ou {A_2} libère son guichet et {Z} l’instant auquel {A_3} part.
a) Exprimer {Y}, déterminer sa loi.

b) Déterminer la loi de {Z}.

c) Calculer {\mathbb E(Z)}.

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Exercice 20. (★★) loi géométrique ; indépendance ; diagonalisation
On pose {A=\begin{pmatrix}X&1\\[4pt]0&Y\end{pmatrix}} où {X,Y} sont indépendantes de loi géométrique de paramètre {p}.

Déterminer la probabilité que {A} soit diagonalisable.

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Exercice 21. (★★★) loi géométrique ; espérance d’une fonction ; loi d’un couple
Soient {X,Y} indépendantes de loi géométrique de paramètre {p} et {Z=X/Y}.
a) Montrer que {Z\le X}, puis que {Z} admet une espérance et une variance.

b) Calculer {\mathbb E(Z)}.

c) Donner la loi de {Z}.

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Exercice 22. (★★) loi géométrique ; indépendance ; probabilités des queues
Soient {X_1,X_2,X_3} indépendantes de loi géométrique de paramètre {p}.

Déterminer la loi de {Z=\min(X_1,X_2,X_3)}.

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Exercice 23. (★★★★) sommes de variables indépendantes ; racines réelles ; produit de Cauchy
Peut-on truquer deux dés à six faces pour que la somme obtenue lors d’un double lancer suive une loi uniforme ?
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Exercice 24. (★★) Espérance, variance et covariance ; loi uniforme ; variables indicatrices
Une urne contient {a} boules blanches et {b} noires. On tire simultanément {n} boules ; donner la loi et l’espérance du nombre {X} de boules blanches.
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Exercice 25. (★★) formule des probabilités totales ; loi géométrique ; loi binomiale
Une pièce donne pile avec probabilité {p\in]0,1[}. Soit {N} le nombre de lancers jusqu’au premier pile ; on lance ensuite {N} fois un dé équilibré à six faces.

Quelle est la probabilité d’obtenir un unique six ?

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Exercice 26. (★★★) indépendance ; formule des probabilités totales ; relations de récurrence
Des parties indépendantes sont gagnées avec probabilité {2/3}. Soit {A_n} l’événement « les parties {n,n+1} sont les premières gagnées consécutivement », et {p_n=\mathbb{P}(A_n)}.
1) Calculer {p_1,p_2}.
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2) Montrer {p_{n+2}=p_{n+1}/3+2p_n/9}.
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3) Exprimer {p_n}.
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Exercice 27. (★★) probabilités conditionnelles ; formule des probabilités totales ; événements incompatibles
Avec probabilité {p}, on place un trésor dans l’un de {N} coffres, choisi uniformément.

Quelle est la probabilité que le dernier coffre contienne le trésor sachant que les {N-1} autres sont vides ?

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Exercice 28. (★★) loi géométrique ; sommes de variables indépendantes ; loi conditionnelle
Soient {X,Y} indépendantes de loi géométrique de paramètre {p\in]0,1[}.

Calculer la loi de {S=X+Y} et la loi de {X} sachant {S=n}.

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Exercice 29. (★★) loi géométrique ; indépendance ; probabilités de queue
Soient {X_1,\ldots,X_n} indépendantes de même loi géométrique de paramètre {p\in]0,1[}.

Pour {X=\min(X_1,\ldots,X_n)}, calculer {\mathbb{P}(X>k)} puis sa loi.

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Exercice 30. (★★★) lois marginales ; loi géométrique ; indépendance
Soient {X,Y} indépendantes de loi géométrique de paramètre {p\in]0,1[}. On pose {D=X-Y} et {I=\min(X,Y)}.
1) Rappeler l’espérance et la variance de {X}.
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2) Déterminer la loi conjointe de {(D,I)}.
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3) Donner leurs lois marginales. Sont-elles indépendantes ?
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PSI


Exercice 1. (★★★) Probabilités totales ; Espérance ; Relations de récurrence
On lance une pièce donnant pile avec probabilité {2/3}. Soit {X} le nombre de lancers nécessaires pour obtenir deux piles consécutifs. On pose {a_n=\mathbb{P}(X=n)}.
a) Calculer {a_1} et {a_2}.
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b) Montrer par les probabilités totales que {a_n=a_{n-1}/3+2a_{n-2}/9}.
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c) Montrer que le jeu se termine presque sûrement.
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d) L’espérance est-elle finie ?

Si oui, la calculer.

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Exercice 2. (★★) Convergence uniforme ; Loi uniforme ; Indépendance
On effectue {n} lancers d’un dé équilibré. Soit {X_k} le résultat du {k}-ième lancer, {M_n=\max(X_1,\ldots,X_n)} et {m_n=\min(X_1,\ldots,X_n)}. On note {F} la fonction de répartition des {X_k}.
a) Donner la loi des {X_k}.
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b) Exprimer la fonction de répartition {F_n} de {M_n} en fonction de {F}.
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c) Étudier les convergences simple et uniforme de {(F_n)}.
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d) Exprimer la fonction de répartition {G_n} de {m_n} en fonction de {F}.
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Exercice 3. (★★) Indépendance ; Loi binomiale ; Diagonalisation
Soient {X_1,X_2} indépendantes de loi {\mathcal B(n,1/2)} et {M=\begin{pmatrix}X_1&1\\[4pt]0&X_2\end{pmatrix}}. En développant {(1+X)^{2n}} de deux façons, montrer {\sum\limits_{k=1}^n\binom nk^2=\binom{2n}n}.

Calculer {\mathbb{P}(X_1=X_2)} et la probabilité que {M} soit diagonalisable.

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Exercice 4. (★★) Indépendance ; Covariance ; Réduction des endomorphismes et des matrices
Soient {X,Y} indépendantes de loi {\mathcal G(p)}, {0\lt p\lt 1}, et {M=\begin{pmatrix}X&Y\\[4pt]Y&X\end{pmatrix}}.

Exprimer ses valeurs propres {I\le S}, calculer la probabilité d’inversibilité, la covariance de {I,S} et discuter leur indépendance.

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Exercice 5. (★★) Linéarité de l’espérance ; Inégalité de Markov ; Variables indicatrices
Dans un graphe aléatoire non orienté à {n} sommets, chaque arête existe indépendamment avec probabilité {p_n\in]0,1[}. Soit {X_i} l’indicatrice que le sommet {i} est isolé et {S_n=\sum\limits_iX_i}.

Donner la loi de {X_1} et l’espérance de {S_n}.

Majorer la probabilité d’avoir au moins un sommet isolé.

Si {p_n=C\ln n/n}, {C>1}, montrer {\mathbb{P}(S_n=0)\to0}.

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Exercice 6. (★★★) Probabilités totales ; Loi géométrique ; Diagonalisation
Une urne contient initialement deux rouges et deux blanches. À chaque tirage, une rouge est remise et une blanche retirée. Soient {X_n} le nombre de blanches restantes et {U_n=(\mathbb{P}(X_n=0),\mathbb{P}(X_n=1),\mathbb{P}(X_n=2))^T}.

Diagonaliser {M=\begin{pmatrix}6&3&0\\[4pt]0&3&4\\[4pt]0&0&2\end{pmatrix}}, donner ses espaces propres et {M^n}.

Déterminer {A} telle que {U_{n+1}=AU_n}.

Donner les lois des rangs {T_1,T_2} des première et deuxième blanches tirées.

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Exercice 7. (★★) Continuité des probabilités ; Indépendance ; Lois de couples
On tire avec remise dans une urne de proportion {p} de blanches et {q=1-p} de noires. Soient {X,Y} les longueurs des première et deuxième séries de couleurs identiques ; par exemple BBBNNNNNB donne {X=3,Y=5}. Si la première série est infinie, poser {X=+\infty}. Énoncer la continuité croissante et en déduire que {(X=+\infty)} et {(Y=0)} sont négligeables.

Donner la loi de {(X,Y)}.

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Exercice 8. (★★) Bienaymé-Tchebychev ; Inégalité de Markov ; Loi de Poisson
Pour {X\sim\mathcal P(\lambda)}, expliciter {G_X(t)}.

Montrer, pour {t\ge1}, {\mathbb{P}(X\ge2\lambda)\le G_X(t)/t^{2\lambda}}, puis {\mathbb{P}(X\ge2\lambda)\le(e/4)^\lambda}.

Comparer à Bienaymé-Tchebychev.

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Exercice 9. (★★) Rang ; Loi uniforme ; Familles libres
Soit {A} une matrice {2\times2} dont les quatre coefficients sont indépendants uniformes sur {\left\{-1,0,1\right\}}.

Calculer la probabilité d’inversibilité, puis celle d’être de rang un.

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Exercice 10. (★★) dérivées de la génératrice ; normalisation d’une loi ; variance
Soit {P(X=k)=(k-1)/2^k} pour {k\ge1}.
a) Vérifier qu’il s’agit d’une loi de probabilité.

b) Déterminer sa fonction génératrice.

c) Calculer {\mathbb E(X),V(X)}.

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Exercice 11. (★★) probabilités totales ; loi géométrique ; probabilités conditionnelles
Une urne contient {n\ge2} boules numérotées. On tire avec remise. Soit {X_n} le rang de la première boule différente de la première.
a) Déterminer sa loi et vérifier sa normalisation.

b) Calculer {\mathbb E(X_n)} et commenter. Soit {Y_n} le premier rang où toutes les boules ont été tirées.

c) Loi de {Y_2} ?

Déterminer {P(Y_3=j\mid X_3=i)}.

d) Loi de {Y_3} ?

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Exercice 12. (★★) tirages sans remise ; espérance ; coefficients binomiaux
Une urne contient {N} boules, dont {r} blanches. On tire sans remise et {X} est le nombre de tirages nécessaires pour obtenir toutes les blanches.
a) Loi et espérance pour {r=1} et {r=N} ?

b) Pour {1\lt r\lt N}, donner le support et montrer {P(X=k)=\binom{k-1}{r-1}/\binom Nr}.

c) Relier {\binom pq} et {\binom{p-1}{q-1}} et montrer {\mathbb E(X)=r(N+1)/(r+1)}.

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Exercice 13. (★★) indépendance ; loi de Poisson ; loi binomiale
Soit {X\sim\mathcal P(\lambda)} et, conditionnellement à {X=n}, {Y\sim\mathcal B(n,p)}, {0\lt p\lt 1}.
a) Déterminer la loi du couple.

b) Loi de {Y} ?

c) {X,Y} sont-elles indépendantes ?

d) Loi de {Z=X-Y} ?

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Exercice 14. (★★) loi géométrique ; lois marginales ; dérivation terme à terme
Soit {p\in]0,1[} et {(X,Y)\in\mathbb{N}^2} tel que {P(X=k,Y=n)=2^{-n}\binom nkp(1-p)^n} pour {k\le n}, zéro sinon.
a) Déterminer la loi de {Y}.

b) Rappeler le développement de {1/(1-x)} et justifier {\sum\limits_{k=n}^{+\infty}\binom nkx^{n-k}=1/(1-x)^{k+1}} pour {|x|\lt 1}.

c) Déterminer la loi de {X}.

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Exercice 15. (★★) Séries entières ; série géométrique dérivée ; loi binomiale
Pour {n\ge1}, une famille a {n} enfants avec probabilité {p_n=\alpha\lambda^n}, où {0\lt \lambda\lt 1} et {(1+\alpha)\lambda\lt 1}. Chaque enfant est un garçon avec probabilité {q=1-p}, une fille avec probabilité {p\in]0,1[}.
a) Probabilité de n’avoir aucun enfant ?

b) Calculer {\sum\limits_{n=k}^{+\infty}\binom nkx^n} pour {|x|\lt 1}.

c) Probabilité d’avoir exactement {k} garçons ?

d) Probabilité d’en avoir au moins deux sachant qu’il y en a au moins un ?

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Exercice 16. (★★) loi de Poisson ; événements incompatibles ; indépendance
Soient {X,Y} indépendantes de loi {\mathcal P(\lambda)}, {\lambda>0}.
a) Rappeler la loi, l’espérance et la variance.

b) Pour {U=\min(X,Y)} et {V=\max(X,Y)}, sont-elles indépendantes ?

c) Même question pour {U+V} et {U-V}.

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Exercice 17. (★★★) développement binomial ; moments d’une somme ; produit des génératrices
Soient {X,Y} indépendantes de même loi, d’espérance et variance finies, telles que {X+Y+1\sim\mathcal G(p)}, {0\lt p\lt 1}.
a) Déterminer {\mathbb E(X),V(X)}.

b) Déterminer la fonction génératrice de {X}.

c) En déduire sa loi.

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Exercice 18. (★★★) loi géométrique ; loi binomiale ; diagonalisation
a) Donner une condition sur {(a,b)\in\mathbb{R}^2} pour que {\begin{pmatrix}0&-a\\[4pt]a&2b\end{pmatrix}} soit diagonalisable sur {\mathbb{R}}. Soient {X,Y} indépendantes de lois géométriques de paramètres {p_1,p_2} et {M=\begin{pmatrix}0&-X\\[4pt]X&2Y\end{pmatrix}}.

b) Déterminer {P(Y>n)}.

c) Probabilité que {M} soit diagonalisable ?

d) Même question si {X,Y} sont indépendantes de loi {\mathcal B(n,1/2)}.

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Exercice 19. (★★) Espérance, variance et covariance ; loi géométrique ; formule de transfert
Une pièce donne pile avec probabilité {p\in[0,1]}. Soient {X,Y} les instants du premier et du deuxième pile.
1) Donner la loi de {X} et celle du couple.
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2) En déduire la loi de {Y}.
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3) Pour {Z=1/(Y-1)}, calculer {\mathbb E(Z)}.
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Exercice 20. (★★) loi géométrique ; continuité des probabilités ; indépendance
On lance un dé équilibré à six faces ; {X_i} est le résultat du {i}-ième lancer.
1) Calculer {\mathbb{P}(X_1\ne X_2)}.

2) Calculer la probabilité que tous les {X_i} soient égaux à {X_1}.

3) Donner la loi de {N=\inf\left\{i:X_i\ne X_1\right\}}.

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Exercice 21. (★★★) Séries entières ; probabilités totales ; dérivation de la série géométrique
Une famille a exactement {n\geq1} enfants avec probabilité {p_n=\alpha\lambda^n}, où {0\lt \lambda\lt 1} et {(1+\alpha)\lambda\lt 1}. La probabilité d’une fille est {p\in]0,1[}, celle d’un garçon {q=1-p}.
1) Calculer la probabilité d’aucun enfant.
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2) Pour {|x|\lt 1}, calculer {\sum\limits_{n=k}^{+\infty}\binom nkx^n}.
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3) Calculer la probabilité d’exactement {k} garçons.
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4) Calculer la probabilité d’au moins deux garçons sachant qu’il y en a au moins un.
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Exercice 22. (★★★) espérance ; loi géométrique ; indépendance
Une entreprise reçoit des appels indépendants commandant {A} avec probabilité {0{,}2} et {B} avec probabilité {0{,}8}. Soient {X_A,X_B} les rangs des premières commandes de {A,B}. Soit {L} la longueur de la première série d’appels commandant tous le même produit. Par exemple, pour AAABAABB, {X_A=1}, {X_B=4}, {L=3}.
1) Donner la loi, l’espérance et la variance de {X_A}.
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2) Même question pour {X_B}.
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3) Calculer {\mathbb{P}(X_A=n+1,L=n)}.
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4) Calculer {\mathbb{P}(L=n)} en séparant selon le produit du {(n+1)}-ième appel, et vérifier {\mathbb{P}(L=n)=0{,}8\mathbb{P}(X_A=n)+0{,}2\mathbb{P}(X_B=n)}.
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5) Calculer l’espérance de {L}.
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6) {X_A,X_B} sont-elles indépendantes ?
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7) {X_A,L} sont-elles indépendantes ?
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Exercice 23. (★★) espérance ; loi géométrique ; sommes de variables indépendantes
Une urne contient {b\geq2} boules rouges et {v\geq2} vertes. À chaque tirage, on prélève une boule avec remise, avec une probabilité {p\in[0,1]}. Les tirages sont indépendants.
1) Donner la loi et l’espérance du rang {X_1} de la première verte.

2) Même question pour le rang {X_2} de la deuxième verte.

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Exercice 24. (★) loi uniforme ; loi géométrique ; espérance
Un concierge possède {n} clés, dont une seule ouvre la porte.

Quel est le nombre moyen de tentatives (a) s’il écarte chaque clé infructueuse, (b) s’il la remet à chaque fois avec les autres ?

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Exercice 25. (★★) loi géométrique ; indépendance ; probabilités totales
Soient {X,Y} indépendantes de lois géométriques {\mathcal G(p),\mathcal G(q)}, {p,q\in]0,1[}.

Calculer {\mathbb{P}(Y>k)} pour {k\in\mathbb{N}}, puis {\mathbb{P}(Y>X)}.

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Exercice 26. (★★) loi de Poisson ; loi binomiale ; probabilités conditionnelles
Soient {X\sim\mathcal P(\lambda)} et {Y\sim\mathcal P(\mu)} indépendantes.

Montrer que {Z=X+Y} est de Poisson et déterminer la loi de {X} sachant {Z=n}.

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Exercice 27. (★) loi géométrique ; Espérance, variance et covariance ; indépendance
Soient {X,Y} indépendantes de loi géométrique de paramètre {p\in]0,1[}, et {Z=\min(X,Y)}.
1) Donner la loi, l’espérance et la variance de {X}.

2) Calculer {\mathbb{P}(X>2)}.

3) Calculer {\mathbb{P}(X>n)} pour {n\geq1}.

4) Calculer {\mathbb{P}(Z>n)}.

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Exercice 28. (★★★) loi conjointe ; loi de Poisson ; indépendance
Soient {\lambda>0}, {p\in]0,1[}, {X\sim\mathcal P(\lambda)} et {Y} dont la loi conditionnelle sachant {X=n} est {\mathcal B(n,p)}.
1) Donner la loi conjointe de {(X,Y)}.
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2) Donner celle de {Y}.
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3) {X,Y} sont-elles indépendantes ?
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4) Donner la loi de {Z=X-Y}.
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Exercice 29. (★★★) dérivation de la série géométrique ; lois marginales ; indépendance
Un couple {(X,Y)} dans {\mathbb{N}^2} a pour loi {\mathbb{P}(X=k,Y=n)=\binom nk2^{-n}p(1-p)^n,\qquad p\in[0,1].}
1) Déterminer la loi de {Y}.
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2) Rappeler la série de {1/(1-x)} et montrer {\sum\limits_{n\geq0}\binom nkx^{n-k}=(1-x)^{-k-1}}.
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3) En déduire la loi de {X}.
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4) Les variables sont-elles indépendantes ?
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Exercice 30. (★★) lois marginales ; espérance ; normalisation d’une loi
Soit {(X,Y)} avec {X\in\left\{1,2\right\}}, {Y\in\mathbb{N}} et {\mathbb{P}(X=i,Y=k)=q^k/2^i}.

Déterminer {q}, les lois marginales et l’espérance de {Y}.

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Exercice 31. (★★★) probabilités de queue ; probabilités conditionnelles ; loi géométrique
Le taux d’arrêt d’une variable {X\in\mathbb{N}} est {x_n=\mathbb{P}(X=n\mid X\geq n)}.
1) Vérifier que {\mathbb{P}(Y=n)=1/[n(n+1)]}, {n\geq1}, est une loi et calculer son taux d’arrêt.
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2) Montrer {\mathbb{P}(X\geq n)=\prod\limits_{k=0}^{n-1}(1-x_k)}.
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3) Si le taux est constant, déterminer la loi et l’espérance de {X}.
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Exercice 32. (★★) coefficients binomiaux ; indépendance ; diagonalisation
Soient {X_1,X_2} indépendantes de loi {\mathcal B(n,p)} et {M=\begin{pmatrix}X_1&1\\[4pt]0&X_2\end{pmatrix}}.
1) Montrer {\sum\limits_{k=0}^n\binom nk^2=\binom{2n}n} en écrivant {(1+X)^{2n}} de deux façons.

2) Calculer la probabilité que {M} soit diagonalisable.

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Exercice 33. (★★★) loi géométrique ; loi de Poisson ; matrices définies positives
Soient {X,Y,Z} indépendantes avec {X,Y\sim\mathcal G(p)}, {0\lt p\lt 1}, et {Z\sim\mathcal P(\lambda)}, {\lambda>0}. Soit {M_n} la matrice symétrique dont les coefficients {(1,1),(n,n)} valent {X}, les coefficients {(1,n),(n,1)} valent {Y}, et le bloc central vaut {ZI_{n-2}}, les autres coefficients étant nuls.

Calculer la probabilité qu’elle soit définie positive.

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Exercice 34. (★★★) Séries entières ; variance ; développement binomial
Soient {r\geq1} entier et {|x|\lt 1}.
1) Développer {1/(1-x)} puis {1/(1-x)^r} en série entière.
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2) Pour {p\in]0,1[}, on pose {q=p-1} et {p_k=\binom{k+r-1}k p^rq^k} pour {k\in\mathbb{N}^\star}.

Montrer que ces poids définissent une probabilité.

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3) Calculer la fonction génératrice.
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4) En déduire l’espérance et la variance.
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Exercice 35. (★★★★) sommes de variables indépendantes ; loi uniforme ; multiplicité des racines
1) Calculer la fonction génératrice et l’espérance de la loi uniforme sur {\left\{0,\ldots,n\right\}}.
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2) Peut-on trouver deux variables entières indépendantes de même loi, dont la somme suit cette loi uniforme ? Indication : la fonction génératrice de la somme est le produit des fonctions génératrices.
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PC


Exercice 1. (★★★) Récurrences linéaires du second ordre ; Équiprobabilité ; Monotonie
Un {n}-lancer est une suite de {n} résultats d’un dé équilibré. Il est dit {q}-chanceux s’il ne contient jamais {q} faces identiques consécutives. On note {u_n} le nombre de tels lancers et {p_n} leur probabilité.

Par exemple, {(1,2,3,3,3,1,6,5)} est {4}-chanceux mais pas {3}-chanceux.

a) Compter les {n}-lancers et exprimer {p_n}.
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b) Donner {u_n,p_n} pour {1\leq n\lt q}, puis pour {n=q}.
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c) Pour {q=2}, donner {u_n,p_n}.
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d) En admettant {5u_n\leq u_{n+1}\leq6u_n}, montrer que {(p_n)} décroît et converge, et que {(5/6)^{n-1}\leq p_n\leq1}.
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e) Pour {q=3}, montrer que {u_n=5(u_{n-1}+u_{n-2})} pour {n\geq3}. Comment exprimer {p_n} en fonction de {n} ?
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f) Montrer l’encadrement de la question c).
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Exercice 2. (★) Loi de Poisson ; Espérance ; Variance
Soit {X} à valeurs dans {\mathbb{N}} tel que {\mathbb{P}(X=k)=a/(2^kk!)}.

Déterminer {a}, puis {\mathbb E(X)} et {V(X)}.

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Exercice 3. (★) Loi conjointe ; Probabilités conditionnelles ; Loi uniforme
Une urne contient {n\geq2} boules numérotées de {1} à {n}. On tire deux boules successivement sans remise. Soient {X,Y} les numéros obtenus au premier et au deuxième tirage.

Donner leur loi conjointe.

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Exercice 4. (★★) Loi binomiale ; Sommes de variables indépendantes
Soient {X_1,\ldots,X_n} i.i.d., avec {\mathbb{P}(X_i=0)=\frac8{27},\quad \mathbb{P}(X_i=1)=\frac{12}{27},\quad \mathbb{P}(X_i=2)=\frac6{27},\quad \mathbb{P}(X_i=3)=\frac1{27}.}Donner la loi de {S=X_1+\cdots+X_n}.
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Exercice 5. (★★) Rang ; Loi de Poisson ; Lois
Soit {Y} à valeurs dans {\mathbb{Z}}. On suppose que {|Y|} suit une loi de Poisson de paramètre {\lambda} et que {\mathbb{P}(Y=k)=\mathbb{P}(Y=-k)}. On pose {A=\begin{pmatrix} 0&Y&1\\[4pt] Y&0&1\\[4pt] Y&1&0 \end{pmatrix}.}Donner la loi du rang de {A}.
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Exercice 6. (★★) lois conditionnelles ; loi binomiale ; loi de Poisson
Soit {Y\sim\mathcal P(2)} et {X} à valeurs dans {\mathbb{N}}, dont la loi conditionnelle sachant {Y=m} est {\mathcal B(m,1/3)}.

Déterminer la loi de {X}.

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Exercice 7. (★★) loi uniforme ; indépendance ; loi binomiale
Soient {X\sim\mathcal B(n,p)} et {Y} uniforme sur {\left\{1,\ldots,n\right\}}, indépendantes.

Poser {Z=X} si {X\ne0}, {Z=Y} sinon.

Déterminer la loi de {Z}.

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Exercice 8. (★★) probabilités totales ; indépendance ; loi uniforme
Un dé noir donne six avec probabilité {1/3}, les cinq autres faces étant équiprobables. Un dé blanc est équilibré. Deux joueurs choisissent chacun un dé et le lancent ; le plus grand résultat gagne, et le blanc gagne les égalités.

Quel dé a-t-on intérêt à choisir ?

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Exercice 9. (★★) probabilités marginales ; indépendance ; conditionnement
On dispose de {N} coffres, chacun possédant un trésor avec probabilité {p}. Après l’ouverture de {N-1} coffres tous vides, quelle est la probabilité que le dernier contienne un trésor ?
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Exercice 10. (★★) loi géométrique ; espérance ; indépendance
Soient {X,Y} indépendantes de même loi géométrique.

Déterminer la loi et l’espérance de {Z=|X-Y|}.

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Exercice 11. (★) linéarité de l'espérance ; variance d'une somme ; indépendance
Soient {X_1,\ldots,X_n} indépendantes de même espérance {m} et de même variance {\sigma^2}.

Pour {Y_n=(X_1+\cdots+X_n)/n}, calculer espérance et variance.

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Exercice 12. (★★) moments ; variable positive d'espérance nulle ; variance
Soit {X} réelle, avec ses quatre premiers moments finis, {\mathbb E(X)=\alpha} et {\mathbb E(X^2)=\mathbb E(X^4)=1}.

Montrer {\alpha\in[-1,1]}, puis déterminer la loi de {X}.

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Exercice 13. (★★) loi de Bernoulli ; probabilités conditionnelles ; linéarité de l'espérance
Une urne contient une blanche et une noire. Après chaque tirage, on ajoute {c\in\mathbb{N}^\star} boules de la couleur tirée. Soient {X_n} l’indicatrice d’une blanche au tirage {n} et {S_n=\sum\limits_{i=1}^nX_i}.
1) Montrer {X_1\sim\mathcal B(1,1/2)}.

2) Montrer {\mathbb{P}(X_2=1\mid X_1=1)=(c+1)/(c+2)}.

3) Montrer que {X_2} suit une loi de Bernoulli.

4) Montrer {\mathbb{P}(X_{n+1}=1\mid S_n=k)=(1+ck)/(2+nc)}.

5) Montrer que chaque {X_n\sim\mathcal B(1,1/2)}.

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Exercice 14. (★★★) loi binomiale ; indépendance ; critères de diagonalisabilité
Soit {M\in M_3(\mathbb{R})} dont les coefficients sont i.i.d. de Bernoulli de paramètre {p}.

Donner la loi de {\operatorname{tr}M} et calculer {\mathbb E(\det M)}.

Si l’on remplace {M_{13},M_{23},M_{31},M_{32}} par zéro, calculer les probabilités que {M} soit diagonalisable, puis inversible.

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Exercice 15. (★) inégalité de Markov ; moment d'ordre deux
Soit {X} à valeurs dans {\mathbb{N}} et possédant une variance.

Montrer, pour {n\ge1}, {\mathbb{P}(X\ge n)\le \mathbb E(X^2)/n^2}.

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Exercice 16. (★★) espérance ; lois conditionnelles ; variance
Une urne contient les boules numérotées de un à {n}. On tire uniformément une boule, retire toutes celles de numéro strictement supérieur, remet la boule tirée, puis recommence. Soit {X_p} son numéro au tirage {p}.
1) Donner la loi de {X_1}, l’ensemble {X_p(\Omega)} et {\mathbb{P}(X_p=n)}.

2) Montrer {\mathbb{P}(X_{p+1}=k)=\sum\limits_{j=k}^n\mathbb{P}(X_p=j)/j}.

3) Montrer l’existence de l’espérance et {\mathbb E(X_{p+1})=\mathbb E(X_p)/2+1/2}, puis expliciter {\mathbb E(X_p)}.

4) Montrer {\mathbb E(X_{p+1}^2)=\mathbb E(X_p^2)/3+\mathbb E(X_p)/2+1/6}.

5) Relier {V(X_{p+1})} à {V(X_p)}.

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Exercice 17. (★★) rang ; loi binomiale ; projecteurs
Soient {(X_i)_{i\ge1}} i.i.d. de Bernoulli de paramètre {p\in]0,1[}. Pour {n\ge1}, poser {M=(X_iX_j)_{1\le i,j\le n}}.

Donner les lois du rang et de la trace de {M}.

Quelle est la probabilité que {M} soit la matrice d’un projecteur ?

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Exercice 18. (★★) variance ; loi binomiale ; lois marginales et conditionnelles
Un secrétaire appelle {n} correspondants distincts indépendamment, chacun répondant avec probabilité {p\in]0,1[}. Soit {X} le nombre obtenu au premier tour. Il rappelle ceux qui n’ont pas répondu ; {Y} est le nombre répondant au second tour, {Z=X+Y}.
a) Loi de {X} ?

b) Calculer {P(Y=k\mid X=i)}.

c) Loi, espérance et variance de {Z} ?

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Exercice 19. (★★) Espérance, variance et covariance ; loi géométrique ; indépendance
Soient {X,Y} indépendantes de loi {\mathcal G(p)}.

Trouver la loi de {Z=|X-Y|} et calculer son espérance.

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Exercice 20. (★★★) indépendance d'événements ; probabilités sur un univers dénombrable ; continuité des probabilités
On lance une pièce donnant Pile avec probabilité {p\in]0,1[}.
a) Probabilité que la première séquence PF se termine au lancer {n}, avec P au rang {n-1} ?

b) Probabilité que PF apparaisse au moins une fois ?

c) Probabilité que la première séquence PP apparaisse sans avoir été précédée par PF ?

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Exercice 21. (★★) loi géométrique ; indépendance ; couples
Soient {X,Y} indépendantes, {P(X=k)=P(Y=k)=pq^k} sur {\mathbb{N}}, où {0\lt p\lt 1}, {q=1-p}. Soient {U=\max(X,Y)} et {V=\min(X,Y)}.
a) Donner la loi du couple puis celle de {U}. On admet {P(V=n)=pq^{2n}(1+q)}.

b) Montrer que {W=V+1} est géométrique et donner {\mathbb E(V)}.

c) {U,V} sont-elles indépendantes ?

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Exercice 22. (★★) indépendance ; loi binomiale ; diagonalisation
Soit {M=\begin{pmatrix}X_1&1\\[4pt]0&X_2\end{pmatrix}} où {X_1,X_2} sont indépendantes de loi {\mathcal B(n,p)}.

Déterminer la probabilité que {M} soit diagonalisable.

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Exercice 23. (★★) sommes de variables indépendantes ; détermination d'une loi ; calcul de l'espérance et de la variance
Soient {X,Y} indépendantes à valeurs dans {\mathbb{N}} telles que {P(X=k)=P(Y=k)=(1+a^k)/(4k!)}, {a\in\mathbb{R}}.
a) Déterminer {a}.

b) Déterminer {\mathbb E(X)}.

c) Déterminer la loi de {X+Y}.

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Exercice 24. (★★★) indépendance d'événements ; probabilités sur un univers dénombrable ; récurrences linéaires du second ordre
On lance indéfiniment une pièce donnant Pile avec probabilité {p\in]0,1[}. Soit {a_n} la probabilité d’obtenir deux Pile consécutifs pour la première fois au lancer {n}.
a) Calculer {a_1,a_2,a_3,a_4}.

b) Relier {a_{n+2},a_{n+1},a_n}.

c) Montrer que deux Pile consécutifs apparaissent presque sûrement.

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Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.