Petit exo posé à Ulm

Bonjour,
Un de mes élèves m'a posé une colle en ramenant l'exercice qui lui a été donné à l'oral d'Ulm (section PSI).
Le voici :
1) Soit $X$ et $X'$ deux variables aléatoires sur un espace probabilisé $(\Omega, \mathcal{A}, \mathbb{P})$. Soit $B\in\mathcal{A}$. Montrer que : $$|\mathbb{P}(X\in B )-\mathbb{P}(X'\in B )|\leq 2\mathbb{P}(X\neq X')$$

2) Soit $n$ un entier naturel non nul. Soit $(p_0,\dots,p_n) \in [0,1]^n$. On définit $n$ variables aléatoires mutuellement indépendantes, à valeurs dans $\N\times \N$, notées $Z_m=(Y_m, Y'_m)$ pour $m\in [1,n]$, par : $$\forall (i,j)\in \N^2, \forall m\in [1,n], \mathbb{P}\left((Y_m,Y'_m)=(i,j)\right)=\left\{
\begin{array}{lcl}
1-p_m & \text{si} & i=j=0 \\
e^{-p_m}-(1-p_m) & \text{si} & i=1 \text{ et } j=0 \\
0 & \text{si} & i=0 \text{ et } j>0 \\
e^{-p_m} \frac{p_m^j}{j!} & \text{si} & i=1 \text{ et } j>0 \\
a & \text{si} & i>1
\end{array}\right.$$
(a) Déterminer la valeur de $a$.
(b) Déterminer la loi de $Y_m$ pour $m\in[1,n]$.
(c) Déterminer la loi de $Y'_m$ pour $m\in[1,n]$.
(d) Pour $m\in[1,n]$, les variables $Y_m$ et $Y'_m$ sont-elles indépendantes ?
(e) Montrer que : $$\mathbb{P}\left(\sum_{m=1}^{n}Y_m \neq \sum_{m=1}^{n} Y'_m\right)\leq\sum_{m=1}^{n} p_m^2$$

3) Soit $Z$ suivant une loi binomiale $\mathcal{B}(n,p)$ et $Z'$ suivant une loi de Poisson $\mathcal{P}(\lambda)$ définies sur l'espace probabilisé $(\Omega,\mathcal{A},\mathbb{P})$.
Montrer que $\forall B\in \mathcal{A}, |\mathbb{P}(Z\in B )-\mathbb{P}(Z'\in B )|\leq 2\lambda p$.
J'ai su faire presque sans problème les 2 premières questions (même si la question de l'indépendance est un peu vache à traiter entièrement, et la (e) m'a demandé quelques efforts tout de même).
En revanche, je ne vois pas comment faire la dernière question.

J'ai pensé à utiliser les 2 précédentes... mais ça ne marcherait que si l'on avait $\lambda=np$ (ou bien sûr dans le cas trivial où $2\lambda p >1$).

Encore une fois, si vous avez des idées, je suis preneur.
D'avance, merci.

Réponses

  • Bonjour Bisam,

    Tu as raison, il manque l'hypothèse $\lambda =np$ pour avoir une telle simplification.
  • Voir appendice 2 du cours de proba du forum.
  • Désolé de m'incruster, mais par rapport à la première question, on n'a pas plutôt $|\mathbb{P}(X\in B)-\mathbb{P}(X'\in B)|\leq \mathbb{P}(X\neq X')$ ?
  • @skyffer3 : en particulier on a bien $$|\mathbb{P}(X\in B)-\mathbb{P}(X'\in B)|\leq 2\mathbb{P}(X\neq X')$$ :-D
  • J'attendais le premier malin qui allait me sortir ça :-D Mais si t'arrives à démontrer ça sans démontrer la version avec un facteur 1 ce serait pas mal 8-)

    La prochaine fois autant mettre un facteur $\pi/e$ quitte à pièger B-)-

    J'en profite pour dire qu'effectivement l'appendice 2 repéré par P a l'air de tourner autour de cette question, enfin j'ai pas regardé le détail.
  • Je ne comprends pas ce que signifie $X \in B$.
  • C'est le formalisme classique des probas, $X\in B=\{\omega \in \Omega \mid X(\omega)\in B\}$, où bien sûr $\Omega$ est l'espace probabilisé où sont définies nos variables.

    On aurait pu écrire $X^{-1}(B)$ mais ce n'est pas l'usage en probas, je ne sais pas pourquoi ...
  • si je prends $\Omega=\{P;F\}$, probabilité uniforme, tribu les parties de $\Omega$ et je définis $X(P)=1$, et $X(F)=-1$.
    je suis comme Chaurien, je ne vois pas ce que signifie $X \in B$, sachant que je connais le formalisme classique rappelé par skyffer.

    S
  • Disons que $B$ est une partie de N ...
  • avec mon exemple et l'énoncé de bisam, on aurait $B \in \mathcal{P}(\{P;F\})$, non ?

    S
  • Non $B$ c'est un ensemble de la tribu de l'espace d'état de la variable, c'est-à-dire une partie de l'espace d'arrivée.
  • Je confirme ce que dit skyffer et il n'y a strictement aucune ambiguïté! (Que l'ensemble soit dans la tribu ou pas l'abréviation est "officielle" en probas. )
    Aide les autres comme toi-même car ils sont toi, ils sont vraiment toi
  • @skyffer3 : Pour ce qui est de la première question, je l'ai démontrée directement avec le facteur 2... sans me douter jusqu'à reprendre ma démonstration il y a 5 minutes que l'on pouvait se contenter du facteur 1.
    Bon, après réflexion, j'ai majoré à la grosse louche... mais quand on aime, on ne compte pas :p

    @Lucas : Ça me rassure : je ne suis pas complètement demeuré alors !
  • Oui c'est la notation usuelle en proba, ce qui permet d'écrire des choses qu'on peut lire directement "probabilité que $X$ vaille tant" dans le cas d'une variable discrète qui compte quelque chose par exemple.
  • L'énoncé est fautif; $B$ n'a aucune raison d'être dans $\mathcal{A}$. On peut penser que c'est un borélien de R, ou plus vraisemblablement, vu le programme de MP, une partie de $N$.
  • Bien vu, je n'avais pas fait gaffe à cette erreur qui a pu perturbé certains intervenants du coup.
  • Ceci dit c'est assez astucieux pour se débarrasser du 2, donc je comprends qu'on garde le 2 dans l'énoncé.
  • Sans rire je ne vois vraiment pas comment vous le démontrez avec un facteur 2 (sans passer par le facteur 1, n'est-ce pas Poirot 8-)).

    Je suis naturellement tombé sur le facteur 1, et pourtant je suis rarement fin dans les inégalités :-D
  • Avec un dessin ce n'est pas dur:
    \begin{eqnarray*}|\Pr(X\in B)-\Pr(Y\in B)|&=&|\Pr((X,Y)\in B\times \R)-\Pr((X,Y)\in \R\times B)|\\&\leq&\Pr((X,Y)\in( B^c\times B) \cup (B\times B^c))\leq\Pr(X\neq Y)\end{eqnarray*}:
  • Un probabiliste dira $|1_B(X)-1_B(X')|\le 1_{X\ne X'}$ et prendra l'espérance ...
  • Non mais le facteur 1 je l'ai (de manière légèrement moins élégante qu'aléa mais ça tient en une ligne aussi), c'est sur le facteur 2 que je m'interrogeais :-D

    Pour info, je partitionne l'événement $X\in B$ selon que $X=X'$ ou $X\neq X'$.
  • bisam
    Modifié (December 2021)
    Voici ce que j'avais grossièrement écrit pour obtenir le fameux 2 :
    $$\begin{array}{rcl}
    |\mathbb{P}(X\in B )-\mathbb{P}(X'\in B )|&=&|\mathbb{P}((X\in B )\cap (X\neq X'))-\mathbb{P}((X'\in B )\cap (X\neq X'))| \\
    &\leq & \mathbb{P}((X\in B )\cap (X\neq X'))+\mathbb{P}((X'\in B )\cap (X\neq X')) \\
    & \leq & 2 \mathbb{P}(X\neq X')
    \end{array}$$
    Pas franchement glorieux p


    Pour ce qui est de la restitution de l'énoncé, il est probable que mon élève ait oublié certains détails (comme le fait que les variables aléatoires considérées dans la question 1 soient à valeurs dans $\N$, par exemple) mais je pense qu'il n'a pas inventé la présence de $B$ dans $\mathcal{A}$... et effectivement, l'énoncé est clairement fautif de ce point de vue-là.
    Je pense que le concepteur a voulu à la fois rester rigoureux et malgré tout dans le cadre restreint des exigences de la prépa... et qu'il a raté ce passage-là. En formalisant moins et en parlant d'événements, on sauve les meubles.




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