Séquences PF et FF à Pile ou Face

Bonjour.
On a une pièce de monnaie, qui donne « Face » avec la probabilité $p \in ]0,1[$ et « Pile » avec la probabilité $1-p $. On lance cette pièce successivement et l'on désigne par $X$ la variable aléatoire égale au nombre de lancers donnant la séquence $PF$ et par $Y$ la variable aléatoire égale au nombre de lancers donnant $FF$.

Par exemple : $P(X=1)=0$, $P(X=2)=p(1-p)$, $P(X=3)=p(1-p)$,
$~~~~~~$ et aussi : $P(Y=1)=0$, $P(Y=2)=p^2$, $P(Y=3)=p^2(1-p)$.

Pour $k\in \mathbb N^*$ soit $P(X=k)=p_k$ et $P(Y=k)=q_k$. On exprime $p_k$ sans difficulté et $q_k$ comme une suite à récurrence linéaire d'ordre $2$, et on calcule pour $X$ et $Y $ l'espérance et si l'on veut la variance .

Ensuite, je cherche à étudier la variable aléatoire $Z=Y-X$ en regardant pour chaque $ (k,j) \in \mathbb N^* \times \mathbb N^*$ les suites de lancers qui réalisent l'événement $[X=k] \cap [Z=-j]$ et celles qui réalisent $[X=k] \cap [Z=j]$. Je trouve des formules pour $P(Z=-j)$ et $P(Z=j)$, qui me donnent bien une espérance $E(Z)$ égale à $E(Y)-E(X)$, mais ensuite j'ai un défaut de cohérence dans les résultats, dont je ne trouve pas l'origine.

Alors je vous signale le problème dans l'espoir que quelqu'un s'y intéresse et trouve des résultats qu'on pourrait comparer aux miens.

Bonne journée.
Fr. Ch.

Réponses

  • Bonjour,

    Je ne comprends pas l'énoncé.
    Peux-tu donner quelques exemples de réalisations et les valeurs de $X$ et $Y$ correspondantes ?
  • FFFF compte pour 2 ou 3?
  • Merci aléa, je t'attendais ;-).
    On procède à des lancers successifs de la pièce de monnaie et on désigne par $X$ (resp. $Y$) le nombre de lancers au terme desquels on obtient la première séquence $PF $ (resp. $FF$ ), et soit $Z=Y-X$.
    Par exemple si l'on obtient $FPPPFPFPPFF....$, alors $X=5$, $Y=11$, et $Z=6$.
    Si l'on obtient $FFFPPPPF...$, alors $X=8$, $Y=2$, et $Z=-6$.
    J'espérais avoir bien expliqué :-o. Merci de m'indiquer ce qui n'était pas clair.
    Bonne journée. Bien cordialement,
    Fr. Ch.
  • J'ai compris ma maladresse : je n'ai pas dit la première séquence. Si l'on obtient $FFFF...$, alors $Y=2$.
  • Il faut lire le chapitre Renewal theory de Feller 1949 dans laquelle il explique les systemes de renouvellement qui consiste en l'attente d'un mot- ou d'un systeme de mots- dans le modele pile ou face. Je n'ai pas le livre la ou je suis pour etre plus precis.
  • Pour $Y$, tu peux trouver la fonction génératrice ici
    http://www.iecl.univ-lorraine.fr/~Olivier.Garet/livre-pps/extrait.pdf
    tout en bas de la page 173.
    C'est un extrait de mon livre http://www.iecl.univ-lorraine.fr/~Olivier.Garet/livre-pps/ où la méthode générale de l'analyse au premier pas est traitée en détail.
  • Je l'ai dit à demi-mot : j'ai traité les variables aléatoires $X$ et $Y$.

    Pour $k \in \mathbb N^*$, je trouve, si $p=\frac{1}{2}$, alors : $P(X=k)=p_{k}=(k-1)(\frac{1}{2})^{k}$,
    et si $p\neq \frac{1}{2}$, alors : $P(X=k)=p_{k}=\frac{p(1-p)}{1-2p}((1-p)^{k-1}-p^{k-1})$.

    Pour $k \in \mathbb N^*$, soit $P(Y=k)=q_k$, alors : $q_{k}=(1-p)q_{k-1}+p(1-p)q_{k-2}$, d'où :
    $q_{k}=p^{2}\frac{\alpha ^{k-1}-\beta ^{k-1}}{\alpha -\beta }$, où $\alpha $ et $ \beta$ sont les racines de l'équation : $x^2-(1-p)x-p(1-p)=0$.

    Ce qui m'ennuie c'est la loi conjointe, c'est-à-dire, pour $k \in \mathbb N^*$ et $j \in \mathbb N^*$, le calcul de : $P(X=k \cap Z=-j)$ et $P(X=k \cap Z=j)$. J'ai monté toute une usine à gaz pour déterminer ces probabilités, il me semblait avoir réussi et en avoir déduit la loi de $Z$. Comme j'ai dit, l'espérance que je trouve à partir de cette loi est bien $E(X)-E(Y)$. Mais quand je veux retrouver la loi marginale $P(X=k)$, ça ne marche plus. C'est pourquoi je pensais que si d'autres reprenaient ça, sans être passés par tous mes calculs, on pourrait y voir plus clair.

    Bonne journée.
    Fr. Ch.
  • Ce serait plus simple si tu nous disais ce que tu as fait :-).

    Je n'ai pas fait les calculs, mais ma première tentative serait comme suit :
    - si on commence par P, le premier joueur a gagné.
    - si on commence par FP, le premier joueur a gagné.
    - sinon, le deuxième joueur a gagné.

    Il est donc facile de déterminer la probabilité que le premier joueur gagn et celle que le second gagne. Ensuite, si je veux par exemple calculer $P(Y=X+i)$ avec $i \ge 1$, on a
    $$
    P(Y=X+i) = P(Y=X+i | Y>X)P(Y>X).
    $$
    On connaît le deuxième facteur (discussion ci-dessus) et le premier se calcule bien : on part de PF et on cherche le temps nécessaire pour faire apparaître FF. Essentiellement on est donc ramené au calcul des marginales.
  • Ce qui m'arrangerait c'est que quelqu'un calcule $ P(X=k \cap Z=-j)$ et $P(X=k \cap Z=j)$ pour $k \in \mathbb N^*$ et $j \in \mathbb N^*$.
    Mais comme disait Coluche, on donne ce qu'on veut.
    Bonne après-midi.
    Fr. Ch.
  • Bon, mon petit problème n'a pas eu l'heur de susciter l'intérêt. Tant pis, tant pis pour moi qui ai perdu du temps à vous le soumettre. J'ai fini par trouver seul, et tout va bien, merci, j'ai récupéré ma loi marginale et faisant un peu plus attention aux calculs.
    Je signale aux professeurs de prépa que ceci peut faire l'objet d'un honnête problème. Je l'avais moi-même posé en prépa-HEC il y a quelques années, et on peut désormais le poser en Math Spé.
    Bonne nuit quand même.
    Fr. Ch.
  • Bonjour, Chaurien,

    je viens seulement de trouver ton intéressante question ; je vais y réfléchir cet après-midi (deux heures de partiel de L1 à surveiller :-?).

    Sinon, de mon côté, je propose aussi un exercice (que je sais traiter) : on lance une pièce jusqu'à l'obtention de $FF$ ; quelle est la loi du nombre de $P$ obtenus auparavant ? Quelle en est l'espérance ?

    On peut broder à l'infini là-dessus : loi du nombre de $P$ conditionnée par le nombre de lancers, ou par le nombre de $F$ ; loi du nombre de $F$ conditionnée par le nombre de $P$, etc.

    Nos tas, benêt : il peut bien sûr y avoir eu des $F$ isolés avant le $FF$ qui met un terme au jeu : $FPPPFPFF$.

    Cdlt, Hicham
  • Bon, j'arrive à construire une chaîne de Markov à sept états qui modélise le processus et qui permet l'obtention de la loi conjointe mais le calcul est-il ensuite (humainement) faisable ? Quelqu'un a--t-il essayé des choses analogues ?

    Hicham
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