Exercices corrigés de Polytechnique sur le thème « probabilités, variables aléatoires », regroupés par filière.
Exercice 1. (★★★★) Loi de Poisson ; Bienaymé-Tchebychev ; Formule de Stirling
Pour {X_\lambda} de loi de Poisson de paramètre {\lambda>0}, étudier {p(\lambda)=\mathbb{P}(X_\lambda>\mathbb E(X)_\lambda)} quand {\lambda\to\infty}.
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Exercice 2. (★★★) Loi binomiale ; Suites géométriques ; Racines de l'unité
Soient
{m\ge2},
{0\lt p\lt 1},
{q=1-p}, et
{(X_n)} indépendantes de loi de Bernoulli de paramètre
{p}. Soit
{A_n=\left\{m\mid X_1+\cdots+X_n\right\}}.
1) Montrer que {\sum_{0\le k\le n,\ m\mid k}\binom nkp^kq^{n-k} =\frac1m\sum_{j=0}^{m-1}(q+pe^{2i\pi j/m})^n.}
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2) Calculer la limite {\ell} de {\mathbb{P}(A_n)}.
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3) Montrer que {|\mathbb{P}(A_n)-\ell|\le e^{-8pqn/m^2}}.
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Exercice 3. (★★★) Loi uniforme ; Structures Algébriques ; Indépendance
Soit
{G} un groupe fini de neutre
{e} et
{(X_k)} indépendantes uniformes sur
{G\setminus\left\{e\right\}}.
Déterminer la loi de {Y_n=X_n\cdots X_1}.
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Exercice 4. (★★★) Loi binomiale ; Inégalité de Markov ; Loi de Poisson
Pour des variables à valeurs dans
{\mathbb{N}}, posons
{d(X,Y)=\sum\limits_{k\ge0}|\mathbb{P}(X=k)-\mathbb{P}(Y=k)|}.
Si {S_n\sim\mathcal B(n,1/n)} et {P\sim\mathcal P(1)}, montrer que {d(S_n,P)\to0}.
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Exercice 5. (★★★) Loi uniforme ; Division euclidienne ; Séries numériques
Soit
{X_n} uniforme sur
{\left\{1,\ldots,n\right\}},
{R_n} le reste de la division de
{n} par
{X_n}, et
{Y_n=R_n/X_n}.
Montrer que {\mathbb{P}(Y_n\ge1/2)\to2\ln2-1}.
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Exercice 6. (★★★) Formule de Stirling ; Loi binomiale ; Racines rationnelles
Soient
{d\ge1} et
{\varepsilon_1,\ldots,\varepsilon_{d-1}} indépendantes de loi de Bernoulli
{1/2}.
Si {p_d} est la probabilité que {X^d+\sum\limits_{i=1}^{d-1}\varepsilon_iX^i+1} ait une racine rationnelle, montrer que {p_d\sim\sqrt{2/(\pi d)}}.
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Exercice 7. (★★) Loi de Poisson ; Formule de transfert ; Développements limités
Pour {X_\lambda\sim\mathcal P(\lambda)} et {Z_\lambda=(X_\lambda-\lambda)/\sqrt\lambda}, calculer {\lim_{\lambda\to\infty}\mathbb E(e^{itZ_\lambda})} pour {t\in\mathbb{R}}.
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Exercice 8. (★★★) Probabilités conditionnelles ; Cauchy-Schwarz ; Indépendance
Soient
{X,Y,Z} uniformes sur
{\left\{1,\ldots,n\right\}}, et
{\sigma} uniforme sur
{\mathfrak S_n}, ces quatre variables étant indépendantes. Notons
{L_X,L_Y,L_Z} les longueurs des cycles de
{\sigma} contenant respectivement
{X,Y,Z}.
Montrer que {\mathbb{P}(L_X=L_Y=L_Z)\ge\mathbb{P}(L_X=L_Y)^2}.
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Exercice 9. (★★) Loi géométrique ; Indépendance ; Lois de couples
Soient
{X_1,\ldots,X_n} indépendantes de loi géométrique de paramètre
{p\in(0,1)} sur
{\mathbb{N}^\star}. Posons
{M_n=\max_iX_i} et
{N_n=|\left\{i:X_i=M_n\right\}|}.
1) Donner {\mathbb{P}(M_n=k,N_n=a)} pour {k\in\mathbb{N}}, {a\ge1}.
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2) Si {1-p=1/t} avec un entier {t\ge4}, calculer la limite de {\mathbb{P}(N_{t^m}=1,M_{t^m}=m)}.
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Exercice 10. (★) Loi uniforme ; Indépendance ; Combinaisons
Soient
{b,n\ge2} et
{X_1,\ldots,X_n} indépendantes uniformes sur
{\left\{0,\ldots,b-1\right\}}.
1) Calculer {\mathbb{P}(X_{i+1}\lt X_i)}.
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2) Pour {i+j\le n}, calculer {\mathbb{P}(X_{i+j}\lt X_{i+j-1}\lt \cdots\lt X_i)}.
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Exercice 11. (★★★) Inégalité de Markov ; Indépendance ; Probabilités de réunions dénombrables
Soient
{(X_i)} réelles indépendantes, de même loi, centrées et bornées, et
{S_n=\sum\limits_{i=1}^nX_i}.
1) Montrer que {\mathbb E(S_n^4)\le Cn^2} pour une constante {C>0}.
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2) Pour {\varepsilon>0}, montrer que {\mathbb{P}(\bigcup_{n\ge N}\left\{|S_n/n|>\varepsilon\right\})\to0}.
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3) Interpréter et calculer la probabilité de {\bigcup_{k\ge1}\bigcap_{N\ge0}\bigcup_{n\ge\max(N,1)} \left\{|S_n/n|\ge1/k\right\}.}
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Exercice 12. (★★★★★) Probabilités conditionnelles ; Indépendance ; Récurrence
Soient des événements
{A_1,\ldots,A_n}, des réels
{x_i\in(0,1)} et des parties
{D_i\subset\left\{1,\ldots,n\right\}}. Supposons que
{\mathbf1_{A_i}} est indépendante du vecteur
{(\mathbf1_{A_j})_{j\notin D_i}} et que
{\mathbb{P}(A_i)\le x_i\prod_{j\in D_i}(1-x_j).}Pour
{E\subset\left\{1,\ldots,n\right\}} et
{i\notin E}, posons
{B_E=\bigcap_{j\in E}\overline{A_j}}.
Si {\mathbb{P}(B_E)>0}, montrer que {\mathbb{P}(A_i\mid B_E)\le x_i}.
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Exercice 13. (★★★) Loi uniforme ; Applications injectives ; Fonctions hyperboliques
a) Montrer que {e^{-x}/(1-e^{-x})^2\lt 1/x^2} pour {x>0}.
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b) Une partition de
{n\ge1} est une liste décroissante
{(\lambda_k)_{1\le k\le n}} d’entiers naturels non nuls de somme
{n}.
Si {P(n)} compte ces listes, montrer {P(n)\le2^{n-1}}.
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c) Pour une partition
{X} uniforme, poser
{N_k=|\left\{i\in\left\{1,\ldots,n\right\}:X_i=k\right\}|}.
Exprimer {P(N_k\ge j)} comme un quotient de nombres de partitions.
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d) Calculer {\sum\limits_{i=1}^niN_i}.
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Exercice 14. (★★★) Loi d'un temps d'attente ; Récurrences linéaires du second ordre ; Espérance et variance
Soit
{a_1=0},
{a_2=1},
{a_n=a_{n-1}+a_{n-2}} pour
{n\ge3}.
a) Calculer {\sum\limits_{n\ge2}a_n/2^n}.
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b) Pour des lancers indépendants d’une pièce équilibrée, déterminer la loi de l’instant {X} de première apparition du motif Face–Face.
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c) Calculer {\mathbb E(X)} et {V(X)}.
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d) Donner un équivalent de {P(X=n)}.
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Exercice 15. (★★★) Sommes de Bernoulli indépendantes ; Variance d'une somme ; Cycles
Sur
{S_n} uniforme, soit
{N} le nombre d’orbites d’une permutation.
a) Calculer
{P(N=1)} et
{P(N=n)}.
b) Donner sa fonction génératrice.
c) Donner un équivalent de {\mathbb E(N)} lorsque {n\to\infty}.
d) Donner un équivalent de {V(N)}.
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Exercice 16. (★★★) Loi uniforme ; Indépendance ; Inclusion-exclusion
Soient
{B_1,\ldots,B_n} indépendantes uniformes sur
{\left\{0,\ldots,b-1\right\}}. Soit
{S=\left\{i\in\left\{1,\ldots,n\right\}:B_i>B_{i+1}\right\}} l’ensemble des descentes.
a) Calculer {P(B_i>B_{i+1})}.
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b) Calculer {P(B_1>\cdots>B_{j+1})}.
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c) Si {\alpha(I)} compte les suites avec {S\subset I} et {\beta(I)} celles avec {S=I}, exprimer chacune de ces fonctions par l’autre.
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Exercice 17. (★★★★) Convergence normale ; Orthogonalité des exponentielles ; Indépendance
Soit
{p\in[0,1/2]} et
{(X_n)} i.i.d. avec
{P(X_n=\pm1)=p},
{P(X_n=0)=1-2p}. On cherche les
{p} pour lesquels, pour tous entiers
{a_i,b},
{P(\sum\limits_{i=1}^na_iX_i=0)\ge P(\sum\limits_{i=1}^na_iX_i=b)}.
a) Montrer successivement {p\le1/3}, {p\lt 1/3}, puis {p\le1/4}.
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b) Pour {X} entière et {\Phi_X(\theta)=\mathbb E(e^{iX\theta})}, exprimer {P(X=k)} par {\Phi_X}.
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c) Montrer que {p\le1/4} est suffisant.
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Exercice 18. (★★★) Loi uniforme ; Indépendance ; Racines de l'unité
Soient
{1\le d\lt n} et
{X_1,\ldots,X_n} indépendantes uniformes sur
{\left\{0,\ldots,d\right\}}. Soit
{S_n} leur somme réduite modulo
{n}.
a) Est-elle uniforme sur
{\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}} ?
b) Calculer sa loi.
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Exercice 19. (★★) Loi uniforme ; Indépendance ; Sommes géométriques
Soient
{X_n} i.i.d. uniformes sur
{\left\{1,\ldots,d\right\}} et
{S_n=\sum\limits_{k=1}^nX_k}.
a) Pour {Y} entière, {0\le r\lt d}, {\omega=e^{2\pi i/n}}, montrer {P(Y\equiv r\pmod d)=\frac1n\sum_{k=0}^{n-1}\omega^{-kr}\mathbb E(\omega^{kY}).}
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b) Exprimer {P(S_n\equiv r\pmod d)}.
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c) Déterminer {\lim_nP(S_n\equiv0\pmod d)}.
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Exercice 20. (★★★★) Calcul asymptotique ; Indépendance ; Sommes de Riemann
a) Soient
{X_n,Y_n} indépendants uniformes sur
{\left\{1,\ldots,n\right\}^2}.
Pour {r\in\mathbb{Q}}, calculer la probabilité {u_n(r)} qu’ils soient distincts et que la droite qui les joint ait pour pente {r}.
Donner un équivalent.
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b) Pour quatre points indépendants
{X_n,Y_n,A_n,B_n} de même loi, soit
{p_n} la probabilité que les deux couples soient distincts et leurs droites parallèles.
Montrer {p_n=O(\ln n/n^2)}.
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Exercice 21. (★★★) Probabilités conditionnelles ; Loi ; Coefficients binomiaux
Une urne contient
{a} boules jaunes et
{b} rouges. Après chaque tirage avec remise, on ajoute une boule de la couleur tirée. Soit
{X_n} le nombre de boules jaunes après
{n} tirages et
{T_n} l’événement d’un tirage jaune au rang
{n}.
a) Calculer
{P(T_1\mid T_2)}.
b) Déterminer la loi de {X_n}.
c) Calculer {P(T_n)}.
d) Pour des indices tous distincts, calculer {P(T_{n_1}\cap\cdots\cap T_{n_p}\cap T_{m_1}^c\cap\cdots\cap T_{m_q}^c)}.
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Exercice 22. (★★★★★) Calcul asymptotique ; Indépendance ; Coefficients multinomiaux
Soient
{A,B,C} indépendants uniformes sur
{\left\{0,1\right\}^n}.
a) Pour
{n\ge2}, calculer la probabilité
{p_n} que
{ABC} soit un triangle équilatéral.
b) Donner un équivalent de {p_n}.
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Exercice 23. (★★★) Espérance, variance et covariance ; Inclusion-exclusion ; Sommes d'indicatrices
Soit
{X_n} le nombre de points fixes d’une permutation uniforme de
{S_n}.
a) Calculer {P(X_n=0)}.
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b) Déterminer sa loi.
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c) Étudier sa convergence en loi.
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d) Calculer son espérance et sa variance.
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Exercice 24. (★★★) Loi de Poisson ; Réduction des endomorphismes et des matrices ; Polynômes annulateurs
Soit
{M=\begin{pmatrix}a&-b&-c&-d\\[4pt]b&a&d&-c\\[4pt]c&-d&a&b\\[4pt]d&c&-b&a\end{pmatrix},}où
{a+1,b+1,c+1,d+1} ont respectivement les lois de Poisson de paramètres
{\alpha,\beta,\gamma,\delta}.
a) Calculer la probabilité que
{M} soit inversible.
b) Calculer la probabilité qu’elle soit inversible et diagonalisable sur {\mathbb{R}}.
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Exercice 25. (★★★) Lois conjointes ; Probabilités conditionnelles ; Loi géométrique
Soient
{X,Y\in\mathbb{N}}, avec
{X\ge Y} presque sûrement,
{P(X=n)>0} pour tout
{n}, et
{P(Y=i\mid X=n)=1/(n+1)} pour
{0\le i\le n}.
a) Montrer que {P(X=i,Y=j)=P(X=i,X-Y=j)}, puis {X-Y\sim Y}.
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b) Montrer {P(Y=0)>0}.
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c) Si {X-Y} et {Y} sont indépendantes, déterminer leurs lois et celle de {X}.
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Exercice 26. (★★★★) Loi uniforme ; Cycles ; Récurrences de dénombrement
Soit
{n\ge3}, avec les classes modulo
{n} notées
{\overline k}. Soient
{X_1,\ldots,X_n} indépendantes uniformes sur
{\left\{\overline1,\overline2,\overline3\right\}}.
Définir {F(\overline k)=\overline k+X_k}.
Calculer la probabilité que {F} soit bijective.
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Exercice 27. (★★) Norme euclidienne ; Indépendance ; Espérance
Soient
{v_1,\ldots,v_n} unitaires dans un espace euclidien.
Montrer qu’il existe {\varepsilon_i\in\left\{-1,1\right\}} tels que {\lVert \sum\limits_{i=1}^n\varepsilon_iv_i\rVert\le\sqrt n}.
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Exercice 28. (★★★★) Espérance d'une somme ; Indépendance ; Continuité monotone des probabilités
Soient
{(X_n)} indépendantes, uniformes sur
{\left\{-1,1\right\}},
{S_n=\sum\limits_{k=1}^nX_k} et
{N=\#\left\{n\ge1:S_n=0\right\}\in\mathbb{N}\cup\left\{+\infty\right\}}.
1) Montrer que {\mathbb E(N)=+\infty}.
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2) Exprimer {\mathbb{P}(N\ge2)} en fonction de {\mathbb{P}(N\ge1)}.
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3) Montrer que {\mathbb{P}(N=+\infty)=1}.
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Exercice 29. (★★★) Groupe symétrique, déterminants ; Variance ; Loi de Bernoulli
Pour une permutation uniforme de
{S_n}, soit
{X_n} son nombre d’orbites.
1) Calculer {\mathbb{P}(X_n=1)} et {\mathbb{P}(X_n=n)}.
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2) Déterminer sa fonction génératrice.
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3) En déduire des équivalents de son espérance et de sa variance.
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4) Comment déterminer sa loi ?
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Exercice 30. (★★★★) Inclusion-exclusion ; Bijections ; Coefficients binomiaux
1) Dénombrer les listes croissantes de {k} entiers non consécutifs de {\left\{1,\ldots,n\right\}}.
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2) On place
{n} couples
{(A_i,B_i)} autour d’une table de
{2n} places, sans que deux
{A_i} soient voisins. On cherche la probabilité
{p_n} qu’aucun
{A_i} ne soit voisin de
{B_i}.
Montrer qu’elle ne dépend pas de la configuration fixée des {A_i}, puis donner une expression sommatoire.
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Exercice 31. (★★★) Indépendance ; Décomposition en facteurs premiers ; Loi géométrique
Pour
{s>1}, munissons
{\mathbb{N}^\star} de
{P_s(\left\{n\right\})=1/(n^s\zeta(s))}. Pour chaque premier
{p}, posons
{X_p(n)=\mathbf1_{p\mid n}}.
1) Montrer que les {X_p} sont mutuellement indépendantes.
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2) En déduire {\zeta(s)=\prod\limits_p(1-p^{-s})^{-1}}.
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3) Déterminer les lois des valuations {v_p} et leur indépendance mutuelle.
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Exercice 32. (★★) Espérance ; Loi de Bernoulli ; Loi géométrique
Une goutte part de
{(2,n)} dans la grille
{\left\{1,2,3\right\}\times\left\{1,\ldots,n\right\}}. À chaque instant entier, au milieu elle descend avec probabilité
{1/2} ou se déplace vers chacun des bords avec probabilité
{1/4}. Sur un bord elle descend avec probabilité
{1/2} ou revient au milieu avec probabilité
{1/2}.
1) Calculer la probabilité qu’elle sorte à l’instant
{t}.
2) Calculer l’espérance du temps de sortie.
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Exercice 33. (★★★) Inégalité de Cauchy-Schwarz ; Espérance d'une somme ; Indépendance
1) Pour {X,Y} indépendantes uniformes sur {\left\{2,4,\ldots,2n\right\}}, calculer {P(|X-Y|\le1)} et {P(|X-Y|\le2)}.
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2) Pour
{X_1,\ldots,X_n} i.i.d. à valeurs entières, poser
{S_m(n)=\#\left\{(i,j):|X_i-X_j|\le m\right\}}.
Montrer {\mathbb E(S_m)(n)=n+n(n-1)P(|X_1-X_2|\le m)}.
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3) Pour une suite entière déterministe
{(x_i)}, définir de même
{s_m(n)}.
Montrer {s_2(n)\le3s_1(n)}.
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4) En déduire {P(|X-Y|\le2)\le3P(|X-Y|\le1)} pour deux variables entières indépendantes de même loi.
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Exercice 34. (★★★★) Convergence uniforme ; Sommes géométriques ; Dénombrement
Soit
{X_n} uniforme sur
{\left\{1,\ldots,n\right\}}. Notons
{A_n} l’événement que le premier chiffre après la virgule de
{\sqrt{X_n}} est
{1},
{B_n} celui que son premier chiffre est
{1}, et
{C_n} celui que le premier chiffre de
{2^{X_n}} est
{1}.
Étudier l’existence et calculer, le cas échéant, les limites de leurs probabilités.
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Exercice 35. (★★★★) Loi binomiale ; Loi de Poisson ; Variance
Une variable
{Y} est
{k}-divisible si elle a la loi d’une somme de
{k} variables indépendantes et de même loi.
1) Pour {Y\sim\mathcal B(n,p)}, déterminer les entiers {k\ge1} pour lesquels elle est {k}-divisible.
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2) Donner une variable non constante infiniment divisible.
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3) Montrer qu’une variable bornée infiniment divisible est presque sûrement constante.
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Exercice 36. (★★★★) Continuité monotone des probabilités ; Indépendance ; Séries à termes positifs
Soit
{\alpha>0} et
{(B_n)} indépendantes avec
{P(B_n=1)=n^{-\alpha}}. Posons
{S=\left\{n\ge1:B_n=1\right\}}.
1) Déterminer quand {S} est presque sûrement infini ou fini.
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2) Pour {\alpha\lt 1} et {\beta>0}, déterminer quand il existe presque sûrement une infinité d’entiers {n} tels que {S\cap\left\{n,\ldots,\lfloor n+n^\beta\rfloor\right\}=\varnothing}. Autrement dit, étudier {P(N=+\infty)} pour le supremum {N} de ces entiers.
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3) Montrer que, presque sûrement, il existe un rationnel {\gamma} tel que {\lfloor\gamma2^n\rfloor\notin S} pour tout {n\ge0}.
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Exercice 37. (★★★★) Séries entières ; Probabilités totales ; Décomposition en éléments simples
Soit
{\mu} une loi sur
{\left\{1,\ldots,N\right\}}, avec
{\mu(1)>0}, et
{(X_n)} i.i.d. de loi
{\mu}. Posons
{S_0=0},
{S_n=\sum\limits_{j=1}^nX_j} et
{E=\left\{S_m:m\ge0\right\}}.
1) Montrer {P(n\in E)=\sum\limits_{k=1}^N\mu(k)P(n-k\in E)} pour {n\ge1}.
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2) Pour {F(z)=\sum\limits_{n\ge0}P(n\in E)z^n} et {G(z)=\sum\limits_{k=1}^N\mu(k)z^k}, montrer {F=1/(1-G)} dans le disque unité.
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3) Montrer que {1} est un pôle simple de {F}, et que les autres pôles ont un module strictement supérieur à {1}.
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4) En déduire {P(n\in E)\to1/\mathbb E(X_1)}.
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Exercice 38. (★★★★) Espérance par les queues ; Indépendance ; Récurrences linéaires
[MPI] Les joueurs
{J_0,J_1} jouent, puis le vainqueur affronte
{J_2}, puis le suivant, etc. Les matchs sont indépendants et
{p_n} est la probabilité que
{J_n} remporte son premier match. Le tournoi s’arrête dès qu’un joueur gagne deux matchs successifs ; soit
{T} le nombre de matchs. Pour
{0\lt \alpha\lt 1}, supposons
{p_n=1-n^{-\alpha}} pour
{n\ge2}.
a) Montrer l’arrêt presque sûr.
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b) Montrer que {T} a une espérance finie.
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c) Si l’arrêt demande {N\ge2} victoires successives et {p_n=p\in]0,1[}, donner une récurrence pour {a_n=\mathbb{P}(T>n)}. Préciser les valeurs initiales {a_0,\ldots,a_N}.
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Exercice 39. (★★★★) Décomposition en cycles ; Bienaymé-Tchebychev ; Loi de Bernoulli
[MPI] Pour
{\sigma\in\mathfrak S_n}, soit
{|\sigma|} son nombre de cycles, cycles de longueur un compris.
a) Calculer {f_n(x)=\sum\limits_{k=1}^nC_kx^k}, où {C_k=|\left\{\sigma:|\sigma|=k\right\}|}.
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b) Pour une permutation uniforme {\sigma_n}, donner un équivalent de {\mathbb E(|\sigma_n|)}.
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c) Montrer {|\sigma_n|/\ln n\to1} en probabilité.
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Exercice 40. (★★★★) Séries, familles sommables ; Loi de Poisson ; Probabilités totales
Soient
{0\lt p\lt 1},
{t>0}, des signes indépendants
{(X_n)_{n\ge0}} avec
{\mathbb{P}(X_n=1)=p}, et
{N\sim\mathcal P(t)} indépendant. On pose
{S_n=\sum\limits_{i=0}^nX_i}.
a) Calculer {\mathbb{P}(S_N=n)} pour {n\in\mathbb{Z}}.
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b) Montrer l’identité {\sum_{n\in\mathbb{Z}}y^n\sum_{i\ge0,\ n+i\ge0}\frac{x^{n+2i}}{i!(n+i)!}=e^{x(y+1/y)}\quad(x,y>0).}
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Exercice 41. (★★★) Loi binomiale ; Racines de l'unité ; Formule du binôme
Soient
{0\lt p\lt 1},
{m\ge2} et
{\xi=e^{2i\pi/m}}.
a) Montrer {\sum\limits_{0\le k\le n,\ m\mid k}\binom nk a^kb^{n-k}=m^{-1}\sum\limits_{j=0}^{m-1}(b+\xi^ja)^n}.
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b) Pour des Bernoulli indépendantes de paramètre
{p}, soit
{u_n=\mathbb{P}(m\mid X_1+\cdots+X_n)}.
Calculer sa limite.
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c) Montrer {|u_n-1/m|\le e^{-8pqn/m^2}}, avec {q=1-p}.
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Exercice 42. (★★★★) Partitions d'un ensemble ; Loi de Poisson ; Bases de polynômes
On pose
{(X)_0=1} et
{(X)_n=X(X-1)\cdots(X-n+1)}.
a) Montrer que ces polynômes forment une base de {\mathbb{R}[X]}.
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b) Si {X^k=\sum\limits_na_{k,n}(X)_n}, calculer {a_{k,0}} et les coefficients pour {n\ge k}.
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c) Avec une Poisson de paramètre un, montrer {\sum\limits_na_{k,n}=e^{-1}\sum\limits_{i\ge0}i^k/i!}.
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d) On définit {b_{k,n}} comme le nombre de répartitions de {k} objets distincts dans {n} tiroirs non numérotés et non vides. Montrer {b_{k,n}=a_{k,n}}.
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e) Compter les partitions d’un ensemble de cardinal {k}.
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Exercice 43. (★★★) Inégalité de Cauchy-Schwarz ; Indépendance ; Lois conjointes
[MPI] Pour
{X,Y} réelles indépendantes de même loi, montrer qu’il existe une constante universelle
{C} telle que
{\mathbb{P}(|X-Y|\le2)\le C\mathbb{P}(|X-Y|\le1)}.
a) Si {X,Y} sont entières, trouver {C'} tel que {\mathbb{P}(|X-Y|\le2)\le C'\mathbb{P}(X=Y)}.
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b) En déduire le résultat réel.
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c) Montrer {C'\ge3}.
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Exercice 44. (★★★★) Loi binomiale ; Loi de Poisson ; Variance
[MPI]
a) Pour {n\ge1}, {0\lt p\lt 1}, existe-t-il deux variables indépendantes de même loi dont la somme suit {\mathcal B(n,p)} ?
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b) Donner une variable infiniment divisible, c’est-à-dire qui soit en loi une somme de {k} variables indépendantes de même loi pour chaque {k\ge1}.
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c) Que dire si son support est inclus dans {[0,1]} ?
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d) Pour {(X_i)} indépendantes de même loi et {N\sim\mathcal P(\lambda)} indépendant, montrer que {Z=X_1+\cdots+X_N} est infiniment divisible.
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Exercice 45. (★★★★★) Développement binomial ; Coefficients positifs ; Indépendance
Soient
{0\lt a\lt 1} et
{\varphi_a(x)=1-(1-x)^a}.
a) Construire {X_a\in\mathbb{N}^\star} dont {\varphi_a} est la fonction génératrice.
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b) Pour des événements {A_n} de probabilités {a/n}, poser {Y=\inf\left\{n\ge1:A_n\text{ se réalise}\right\}} et montrer {Y\sim X_a}. On considère {\varphi_a(x)=x\varphi(\varphi_a(x))} sur {[0,1]}.
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c) Pour {1/2\le a\lt 1}, montrer qu’il existe une unique solution continue, fonction génératrice d’une variable à valeurs dans {\mathbb{N}}.
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d) Montrer que ce n’est pas le cas pour {a=1/3}.
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Exercice 1. (★★) Linéarité de l’espérance ; Indépendance d’événements
Une population comprend
{100} personnes indépendantes, chacune ayant une probabilité
{p} d’être contaminée par un virus. Un test parfait permet de détecter les personnes infectées. On teste les personnes par groupes de
{10} puis, si le résultat est positif, chaque personne du groupe.
Déterminer les {p} pour lesquels cette technique permet, en moyenne, d’effectuer au moins {40} tests de moins qu’en testant tout le monde individuellement.
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Exercice 2. (★★) Sommes de variables indépendantes ; Loi géométrique ; Lois de couples
Soient
{X,Y} deux variables aléatoires indépendantes suivant la loi géométrique de paramètre
{p} sur
{\mathbb{N}^\star}. On pose
{U=\min(X,Y)} et
{V=\max(X,Y)}.
1) Trouver les lois de {U} et {V}.
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2) Trouver la loi de {(U,V)}.
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3) Trouver la loi de {U+V} et son espérance.
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Exercice 3. (★★) Loi géométrique ; Probabilités conditionnelles
Déterminer la loi de {X} à valeurs dans {\mathbb{N}^\star} telle que {P(X>k+\ell\mid X>k)=P(X>\ell)} pour tous {k,\ell\ge1}.
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Exercice 4. (★★) Linéarité de l’espérance ; Loi géométrique
Chaque œuf en chocolat contient uniformément l’un de
{N} jouets. Soit
{T_N} le nombre d’achats pour obtenir la collection complète.
Montrer que {\mathbb E(T_N)=NH_N}, où {H_N=\sum\limits_{k=1}^N1/k}.
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Exercice 5. (★★) Loi de Poisson ; Indépendance ; Inversibilité
Soit
{M=\begin{pmatrix}a&-b&-c&-d\\[4pt]b&a&d&-c\\[4pt]c&-d&a&b\\[4pt]d&c&-b&a\end{pmatrix},}où
{a+1,b+1,c+1,d+1} suivent des lois de Poisson de paramètres
{\lambda_a,\lambda_b,\lambda_c,\lambda_d}.
Calculer la probabilité que {M} soit inversible.
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Exercice 6. (★★★) Sommes de variables indépendantes ; Loi uniforme ; Racines et multiplicités
Soient
{X,Y} indépendantes de même loi sur
{\left\{0,\ldots,n\right\}}.
Déterminer les lois possibles pour que {X+Y} soit uniforme sur {\left\{0,\ldots,n\right\}}.
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Exercice 7. (★★★) indépendance d’événements ; loi géométrique ; probabilités d’intersections
Soit
{X\sim\mathcal G(1/2)} sur
{\mathbb{N}^\star} et
{A_k=\left\{X\text{ est multiple de }k\right\}}.
1) Pour
{p,q} entiers positifs pairs,
{A_p,A_q} sont-ils indépendants ?
2) Même question pour {p,q\ge1} quelconques.
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Exercice 8. (★★★) loi géométrique ; indépendance ; diagonalisation
Soient {X_1,X_2,X_3} indépendantes de loi géométrique de paramètre {p}, et {M=\begin{pmatrix}X_1&1&0\\[4pt]0&X_2&1\\[4pt]0&0&X_3\end{pmatrix}.}Calculer la probabilité que {M} soit diagonalisable.
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Exercice 9. (★★★★) moments ; loi d’une variable aléatoire ; interpolation de Lagrange
Soient
{n\ge2} et
{X,Y} à valeurs dans
{\left\{0,\ldots,n\right\}}.
a) Si leurs moments d’ordres zéro à {n} coïncident, montrer qu’elles ont même loi.
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b) Construire deux lois distinctes ayant mêmes moments d’ordres deux à {n}.
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Exercice 10. (★★★) indépendance ; loi géométrique ; matrices définies positives
Soient
{\varepsilon,X,Y} indépendantes, avec
{\varepsilon\sim\mathcal B(1/2)} et
{X,Y\sim\mathcal G(p)},
{0\lt p\lt 1}. Posons
{M=\begin{pmatrix}(2\varepsilon-1)X&Y\\[4pt]Y&(2\varepsilon-1)X\end{pmatrix}}.
a) Calculer la probabilité que {M} soit inversible.
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b) Calculer la probabilité qu’elle soit symétrique définie positive.
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Exercice 11. (★★) loi d’une variable aléatoire ; indépendance
Soit
{\mathcal X} l’ensemble des variables sur un espace probabilisé donné, à valeurs dans
{\left\{1,\ldots,n\right\}}, avec
{n\ge2}.
Déterminer celles qui sont indépendantes de toutes les variables de {\mathcal X}.
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Exercice 1. (★) Espérance ; Loi uniforme ; Listes
Alice a oublié un mot de passe de longueur
{p}, sur un alphabet de
{n} caractères. Elle ne réessaie jamais un mot déjà testé.
Quelle est l’espérance du nombre de tentatives nécessaires ?
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Exercice 2. (★★) Loi de Bernoulli ; Probabilités totales ; Suites arithmético-géométriques
Un système part de l’état
{0}. À chaque étape, il passe de
{0} à
{1} avec probabilité
{p\in]0,1[} et de
{1} à
{0} avec probabilité
{q\in]0,1[}.
Déterminer la loi de son état à l’étape {n} et sa limite lorsque {n\to\infty}.
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Exercice 3. (★★★) probabilité d'un événement ; équiprobabilité ; combinaisons avec répétition
On lance indépendamment un dé équilibré à
{N} faces. Le jeu s’arrête lorsque le lancer
{n+1} est strictement inférieur au lancer
{n}.
Calculer la probabilité {\pi_k} que le jeu s’arrête après le rang {k}, puis montrer que {\pi_k\to0}.
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Exercice 4. (★★★) indépendance ; espérance ; formule de transfert
Soient
{a\in\mathbb{R}},
{q\ge3} et
{(X_n)} indépendantes uniformes sur
{\left\{0,1/q,\ldots,(q-1)/q\right\}}.
Poser {T_0=0} et {T_{n+1}=T_n+a+\sin(2\pi(T_n-X_n))}.
Déterminer {\mathbb E(T_n)}.
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Exercice 5. (★★★) fonctions génératrices ; espérance par les probabilités de queue ; loi binomiale
On lance
{N} pièces équilibrées indépendamment, puis on ne relance à chaque étape que les pièces ayant donné pile à l’étape précédente.
Noter {X_k} le nombre de pièces restant après {k} étapes.
Calculer les fonctions génératrices de {X_2}, puis de {X_k}.
Pour {T=\inf\left\{k:X_k=0\right\}}, calculer {\mathbb E(T)} lorsque {N=4}.
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Exercice 6. (★★) indépendance ; inégalité triangulaire ; espérance
Soient
{X,Y} discrètes indépendantes,
{Y} de support fini et
{\mathbb E(Y)=0}, avec
{\mathbb E(|X|)\lt \infty}.
Montrer {\mathbb E(|X-Y|)\ge \mathbb E(|X|)}.
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Exercice 7. (★★) loi binomiale ; fonctions génératrices ; développements limités
On lance
{n} fois indépendamment une pièce donnant pile avec probabilité
{1/n}.
Étudier la probabilité {p_n} d’un nombre impair de piles.
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Exercice 8. (★★★) indépendance ; fonction génératrice exponentielle ; inégalité de Markov
Montrer que
{\cosh x\le e^{x^2/2}} pour tout réel
{x}.
Pour des variables indépendantes uniformes sur {\left\{-1,1\right\}} et {S_n=X_1+\cdots+X_n}, montrer {\mathbb{P}(S_n\ge\lambda)\le e^{-\lambda^2/(2n)}} pour {\lambda>0}.
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Exercice 9. (★★★) loi binomiale ; dérivation et composition ; formule de transfert
Pour
{f:[0,1]\to\mathbb{R}} croissante, montrer que son polynôme de Bernstein
{p_n(x)=\sum\limits_{k=0}^n\binom nkf(k/n)x^k(1-x)^{n-k}} est croissant.
Donner une interprétation probabiliste.
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Exercice 10. (★★★) continuité des probabilités ; sommes de variables indépendantes ; suites récurrentes
Une population commence avec une cellule. À chaque étape, chaque cellule, indépendamment des autres, meurt, reste seule, ou donne
{2} ou
{3} cellules, avec probabilités égales.
Calculer la probabilité d’extinction.
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Exercice 11. (★★★★) opérations dénombrables ; événements ; ensembles
Une classe
{M\subset\mathcal P(\Omega)} est dite monotone si elle contient
{\Omega}, est stable par unions croissantes, et contient
{A\setminus B} lorsque
{A,B\in M},
{B\subset A}.
1) Montrer qu’une intersection de classes monotones est monotone.
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2) Montrer qu’une classe monotone stable par intersections finies est une tribu.
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3) Si {C} est stable par intersections finies, montrer que la classe monotone {D} engendrée par {C} est une tribu.
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Exercice 12. (★★) projecteurs orthogonaux ; théorème spectral ; univers finis
Soit
{H\in S_n(\mathbb{R})}.
a) Écrire {H=\sum\limits_i\lambda_iP_i} avec des {\lambda_i} distincts et des projecteurs orthogonaux de somme {I}, vérifiant {P_iP_j=0} pour {i\ne j}.
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b) Si {R\in S_n^+} et {\operatorname{tr}R=1}, montrer que {p_i=\operatorname{tr}(RP_i)} définit une loi de probabilité.
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Exercice 13. (★★) loi binomiale ; loi de Poisson ; équivalents
Soit
{\lambda>0}. Pour
{n\in\mathbb{N}^\star}, soit
{X_n} de loi binomiale
{\mathcal B(n,\lambda/n)}. Soit
{Y} de loi de Poisson de paramètre
{\lambda}.
Montrer que, pour tout {k\in\mathbb{N}}, {\mathbb{P}(X_n=k)\to\mathbb{P}(Y=k)}.
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Exercice 14. (★★★★) indépendance d’événements ; probabilités sur un univers dénombrable ; séries à termes positifs
Soit
{(a_n)_{n\in\mathbb{N}^\star}} une suite croissante d’entiers naturels non nuls. On tire des dés équilibrés, le
{n}-ième dé ayant
{a_n} faces numérotées de
{1} à
{a_n}. On effectue les tirages tant que la suite des résultats est croissante. On note
{p} la probabilité de faire une infinité de tirages.
Donner une condition nécessaire et suffisante sur {(a_n)} pour que {p\ne0}.
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Exercice 15. (★★★★) loi binomiale ; inégalité de Markov ; inégalités de convexité
Pour
{n\in\mathbb{N}^\star}, soit
{S_n} de loi binomiale
{\mathcal B(n,p)}.
1) Pour {s\ge0}, calculer {\mathbb E(e^{sS_n})}.
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2) Montrer que, pour tout {a\in\mathbb{R}}, {\mathbb{P}(S_n/n\ge a)\le \exp\left(-n\sup_{s\ge0}\left\{as-\log(pe^s+1-p)\right\}\right).}
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3) Montrer qu’il existe {H\in C^0(\mathbb{R}_+^\star,\mathbb{R}_+^\star)}, indépendante de {n}, telle que, pour tout {\varepsilon>0}, {\mathbb{P}(|S_n/n-p|\ge\varepsilon)\le e^{-nH(\varepsilon)}.}
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Exercice 16. (★★★) sommes de variables indépendantes ; Séries, familles sommables ; loi de Poisson
Une suite
{(Y_n)} de variables aléatoires à valeurs dans
{\mathbb{N}} est dite transiente si, pour toute partie bornée
{A} de
{\mathbb{N}},
{\sum\limits_n\mathbb{P}(Y_n\in A)\lt +\infty}. Soient
{\alpha>0} et
{(X_n)_{n\ge1}} indépendantes avec
{X_i\sim\mathcal P(\alpha/i)}. On pose
{Y_n=X_1+\cdots+X_n}.
Montrer que {(Y_n)} est transiente.
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Exercice 17. (★★★★) Séries, familles sommables ; indépendance ; formule de Stirling
Une suite
{(S_n)} à valeurs dans
{\mathbb{N}} est dite transiente si, pour toute partie bornée
{A} de
{\mathbb{N}},
{\sum\limits_n\mathbb{P}(S_n\in A)\lt +\infty}. Soit
{(X_n)_{n\ge1}} une suite i.i.d. telle que
{\mathbb{P}(X_1=1)=p} et
{\mathbb{P}(X_1=-1)=1-p}, avec
{p\in]0,1[}. On pose
{S_n=X_1+\cdots+X_n}.
Montrer que {(S_n)} est transiente si et seulement si {p\ne1/2}.
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Exercice 18. (★★★) produit de Cauchy ; indépendance d’événements ; détermination d’une loi
Soit
{(X_k)_{k\ge1}} une suite i.i.d. avec
{\mathbb{P}(X_k=1)=p} et
{\mathbb{P}(X_k=-1)=1-p}. On pose
{S_n=\sum\limits_{k=1}^nX_k},
{T=\inf\left\{n\in\mathbb{N}^\star:S_n=1\right\}} et
{f_n=\mathbb{P}(T=n)}.
1) Montrer que {f_1=p} et que, pour {n\ge2}, {f_n=(1-p)\sum\limits_{k=2}^nf_{k-1}f_{n-k}}.
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2) On pose
{F(x)=\mathbb E(x^T\mathbf1_{T\lt +\infty})}.
Montrer que {F(x)=px+(1-p)xF(x)^2}.
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Exercice 19. (★★★) Espérance, variance et covariance ; probabilités totales ; formule de transfert
On considère un marcheur pouvant se situer sur
{n} sites numérotés de
{1} à
{n}. À chaque étape, il a une probabilité
{p_{i,j}} de sauter du site
{i} au site
{j}. Pour
{k\in\mathbb{N}},
{X_k} désigne le site occupé à l’étape
{k} et
{\mu_{k,i}=\mathbb{P}(X_k=i)} ;
{\mu_k} est donc la loi de
{X_k}.
1) Donner les lois de {X_1} et {X_2} en fonction de {\mu_0} et des {p_{i,j}}.
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2) Pour {f:\left\{1,\ldots,n\right\}\to\mathbb{R}}, donner {\mathbb E(f(X_1))}. On définit {T(f)(i)=\mathbb E(f(X_1))} lorsque {\mu_0=\mathbf1_{\left\{i\right\}}}.
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3) On dit que la marche est déterministe si, pour tout
{i}, il existe
{j_i} tel que
{p_{i,j_i}=1}.
Interpréter cette définition.
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4) Montrer que la marche est déterministe si et seulement si {T(fg)=T(f)T(g)} pour toutes fonctions réelles {f,g} sur {\left\{1,\ldots,n\right\}}.
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