Espérance, variance et covariance — Polytechnique

Exercices corrigés de Polytechnique sur le thème « espérance, variance et covariance », regroupés par filière.

MP–MPI


Exercice 1. (★) Groupe symétrique, déterminants ; Loi uniforme ; Linéarité de l'espérance
Quel est le nombre moyen de points fixes d’une permutation uniforme de {\left\{1,\ldots,n\right\}} ?
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Exercice 2. (★★★) Décomposition en cycles ; Dénombrement ; Variables indicatrices
Soit {\sigma_n} uniforme sur {\mathfrak S_n}.
1) Si {L_n} est la longueur du cycle contenant {1}, calculer son espérance.
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2) Pour {n\ge2}, calculer la probabilité que {1,2} soient dans le même cycle.
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3) Si {c_n} est le nombre total de cycles, montrer que {\mathbb E(c_n)\sim\ln n}.
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Exercice 3. (★★★★) Réduction des endomorphismes et des matrices ; Sommes d'indicatrices ; Cycles
Soient {X_1,\ldots,X_n} i.i.d. uniformes sur {\left\{1,\ldots,n\right\}}, et {f(e_i)=e_{X_i}} sur {\mathbb{C}^n}.
a) Calculer {\mathbb E(\operatorname{rg}f)}.
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b) Si {\mu_z} est la multiplicité de {z} comme valeur propre, calculer {\mathbb E(\mu_z)}.
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Exercice 4. (★★★★) Moments ; Fonctions puissances ; Indépendance
Soit {a\in[1,2]} et {f_a(x)=|1+x|^a-|2x|^a-ax}.
a) Montrer que {f_a(x)\le1} pour tout {x\in\mathbb{R}}.
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b) Si {X} est réelle centrée avec un moment d’ordre {2}, montrer {\mathbb E(|c+X|^a)\le2^aE(|X|^a)+|c|^a} pour tout {c}.
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c) Pour des {X_i} i.i.d. centrées de moment d’ordre {2}, montrer {\mathbb E(|\sum\limits_{i=1}^nX_i|^a)\le2^a\sum\limits_{i=1}^nE(|X_i|^a)}.
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Exercice 5. (★★★) Variance d'une somme ; Loi géométrique ; Bienaymé-Tchebychev
On collectionne {N} jouets, chaque achat donnant uniformément l’un des {N} types. Soit {T_i} le temps pour obtenir {i} types différents.
a) Calculer {\mathbb E(T_N)}.

b) Calculer {V(T_N)}.

c) Montrer que, pour tout {\varepsilon>0}, {P(|T_N/(N\ln N)-1|\ge\varepsilon)\to0}.

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Exercice 6. (★★★) Inégalité de Markov ; Indépendance ; Moments
Soient {(X_n)} i.i.d. réelles centrées avec {\mathbb E(X_1^4)\lt \infty}.
a) Montrer {\mathbb E((X_1+\cdots+X_n)^4)=O(n^2)}.

b) Pour {\varepsilon>0}, étudier la série de terme général {P((X_1+\cdots+X_n)/n>\varepsilon)}.

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Exercice 7. (★★) Variance ; Espérance ; Variables indicatrices
Pour une permutation uniforme de {\left\{1,\ldots,n\right\}}, déterminer l’espérance et la variance du nombre de points fixes.
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Exercice 8. (★★) Loi géométrique ; Indépendance ; Probabilités totales
On lance une pièce, avec probabilité {p\in]0,1[} de pile. On découpe les lancers en séquences maximales de résultats identiques.

Déterminer l’espérance de la longueur de la deuxième séquence.

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Exercice 9. (★★★★) Tirages sans remise ; Probabilités de queue ; Loi binomiale
[MPI] On tire successivement, uniformément sans remise, les {2n} chaussettes constituant {n} paires, jusqu’à obtenir une paire complète.

Calculer l’espérance du nombre {T} de chaussettes tirées. Indication : établir probabilistiquement {\sum\limits_{k=n}^{2n}\binom kn2^{-k}=1}.

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Exercice 10. (★★★★) Partitions d'un ensemble ; Raisonnement et ensembles ; Moments factoriels
[MPI]
a) Pour {X\sim\mathcal P(\lambda)}, calculer {\mathbb E(X(X-1)\cdots(X-p+1))}, {\mathbb E(1/(X+1))}, {\mathbb E(1/(X+2))}.
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b) Une {p}-partition d’un ensemble {A} de cardinal {n} est une partition en {p} blocs non vides. Pour une partition fixée {F} et un ensemble {B} de cardinal {m}, compter les applications {A\to B} dont les fibres non vides sont exactement les blocs de {F}.
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c) En déduire une expression en série du nombre de partitions de {A}.
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Exercice 11. (★★★) Second moment ; Probabilités, variables aléatoires ; Inégalité de Cauchy-Schwarz
[MPI] Soit {X} discrète positive ou nulle, de second moment fini strictement positif.

Montrer, pour {t>0}, {\mathbb{P}(X-\mathbb E(X)\le-t)\le\exp\left(-\frac{t^2}{\mathbb E(X^2)}\right).}

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Exercice 12. (★★★★★) Séries, familles sommables ; Bienaymé-Tchebychev ; Variance
** Soient {(X_n)} indépendantes de même loi à valeurs dans {\mathbb{N}^\star}, avec {\mathbb E(X_1^2)\lt \infty}. Posons {S_n=\sum\limits_{i=1}^nX_i}, {T_n=\sum\limits_{i=1}^n1/S_i}.
a) Montrer que {T_n} a une limite dans {[0,\infty]} pour chaque trajectoire.
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b) Trouver {C>0} et {n_k} strictement croissants avec {n_{k+1}\ge2n_k} et {\mathbb{P}(S_{n_k}>2n_k\mathbb E(X_1))\le C/2^k}.
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c) Montrer {T_n\to\infty} presque sûrement.
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d) Montrer {V(T_n)\le\sum\limits_{i=1}^n\mathbb E(1/S_i^2)}.
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Exercice 13. (★★★★) Inégalité de Cauchy-Schwarz ; Inégalité de Markov ; Indépendance
** Soit {X} à support fini dans {\mathbb{Z}^2}, de même loi que {-X}, et {(X_k)} des copies indépendantes. Posons {S_n=\sum\limits_{k=1}^nX_k}.
a) Montrer {\mathbb E(\lVert S_n\rVert^2)=n\mathbb E(\lVert X\rVert^2)} et {\mathbb{P}(S_{2n}=0)=\sum\limits_x\mathbb{P}(S_n=x)^2}.
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b) Montrer {\mathbb{P}(S_{2n}=0)\ge c/n} pour une constante {c>0}.
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c) Montrer que le retour à zéro à un temps strictement positif est presque sûr.
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PSI


Exercice 1. (★★★) Loi géométrique ; Espérance et variance ; Bienaymé-Tchebychev
On effectue des tirages indépendants avec remise parmi {n} objets différents et {N_n} est le nombre de tirages pour tous les obtenir.
a) Calculer {\mathbb E(N_n)} et {V(N_n)}.

c) Montrer que, pour tout {\varepsilon>0}, {P(|N_n/(n\ln n)-1|>\varepsilon)\to0}.

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Exercice 2. (★) espérance ; lois géométrique et binomiale ; probabilités conditionnelles
Soit {X\sim\mathcal G(p)} sur {\mathbb{N}^\star}. Conditionnellement à {X=N}, supposons {Y\sim\mathcal B(N,p)}.

Déterminer {\mathbb E(Y)}.

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Exercice 3. (★★★) Groupe symétrique, déterminants ; espérance ; variance
Soit {A=(a_{ij})\in M_n(\mathbb{R})}, où les {a_{ij}} sont indépendantes, uniformes sur {\left\{-1,1\right\}}.

Déterminer {\mathbb E(\det A)} et {V(\det A)}.

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Exercice 4. (★★) stricte concavité ; espérance d’une fonction ; cas d’égalité
Soit {Y} à support fini dans {\mathbb{R}_+}.

Déterminer quand {\mathbb E(Y^{1/2^n})=(\mathbb E(Y))^{1/2^n}} pour tout entier naturel {n}.

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Exercice 5. (★★★) espérance ; coefficients binomiaux ; loi d’une variable aléatoire
On tire {1\le n\le N} jetons sans remise parmi ceux numérotés de {1} à {N}.

Si {Z_n} est le plus grand numéro tiré, calculer {\mathbb E(Z_n)}.

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Exercice 6. (★★) linéarité de l’espérance ; Probabilités, variables aléatoires ; inégalité de Bienaymé-Tchebychev
Soient {(X_k)} des Bernoulli indépendantes de paramètre {p\in[0,1]}, et {Y_n=\sum\limits_{k=1}^nX_k/(k+n)}.
a) Calculer son espérance.
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b) En donner la limite.
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c) Trouver {\alpha} telle que {\mathbb{P}(|Y_n-\alpha|>\varepsilon)\to0} pour tout {\varepsilon>0}.
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PC


Exercice 1. (★) Inégalité de convexité ; Formule de transfert
Pour une variable aléatoire réelle sur un espace probabilisé fini, montrer {(\mathbb E(X))^{2n}\leq \mathbb E(X^{2n})} pour {n\in\mathbb{N}}.

Étudier l’égalité.

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Exercice 2. (★★) Loi géométrique ; Variance ; Probabilités totales
On lance une pièce équilibrée jusqu’au premier Pile, de rang {N}, puis on choisit {X} uniformément dans {\left\{1,\ldots,N\right\}}.

Calculer {\mathbb{P}(X=1)}, {\mathbb E(X)} et {V(X)}.

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Exercice 3. (★★) Indépendance ; Linéarité ; Variables indicatrices
Soit {X_1,\ldots,X_n} de même loi à valeurs dans {\mathbb{N}}, indépendantes deux à deux, et {T} indépendante des {X_i}, à valeurs dans {\left\{1,\ldots,n\right\}}.

Calculer l’espérance de {Y=\sum\limits_{i=1}^TX_i}.

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Exercice 4. (★) Formule de transfert ; Positivité
Soit {X} à valeurs dans {\left\{1,\ldots,n\right\}}, avec {x_i=\mathbb{P}(X=i)}. On pose {H(X)=\mathbb E(-\log X)}.

Quel {n}-uplet {(x_1,\ldots,x_n)} maximise cette quantité ?

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Exercice 5. (★★★) variance d'une somme ; covariance ; détermination d'une loi
On lance indéfiniment une pièce équilibrée. Soit {S_n} le nombre de successions de deux piles consécutifs dans les {n} premiers lancers.
1) Calculer son espérance et sa variance.
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2) Pour {T=\min\left\{n:S_n=1\right\}}, calculer la fonction génératrice puis la loi.
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Exercice 6. (★★★) variance ; lois marginales et conditionnelles ; formule de transfert
Soit {0\lt p\lt 1} et {X_0=0}. À chaque étape, conditionnellement au passé, {X_{n+1}=X_n+1} avec probabilité {p}, et {X_{n+1}=0} sinon.

Déterminer la loi, l’espérance et la variance de {X_n}.

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Exercice 7. (★★★★) covariance ; rang ; projection orthogonale
Soit {n\ge2} et {\mathbb{R}^n} muni de sa structure euclidienne canonique. Soit {X=(X_1,\ldots,X_n)^T} un vecteur aléatoire à valeurs dans {\left\{V_1,\ldots,V_m\right\}\subset\mathbb{R}^n}, avec {\mathbb{P}(X=V_k)=p_k>0}.
1) On dit que {X} est centrée lorsque {\mathbb E(X)=0}.

Montrer que, si {X} est centrée, alors {\operatorname{rg}(V_1,\ldots,V_m)\lt m}.

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2) On dit que {X} est centrée-réduite lorsque {\mathbb E(X)=0} et que la matrice de covariance {(\operatorname{Cov}(X_i,X_j))_{1\le i,j\le n}} est {I_n}.

Montrer que, si {X} est centrée-réduite, alors {m>n}.

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3) On suppose {m=n+1}.

Montrer que {X} est centrée-réduite si et seulement si, pour {i\ne j}, {\langle V_i,V_j\rangle=-1}, et, pour tout {i}, {p_i=1/(\lVert V_i\rVert^2+1)}.

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Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.