Cours en ligne Maths en Maths Spé
Chapitres Maths en MP, PSI, PC, TSI, PT
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Variables aléatoires en MP, PC, PSI et PT
Résumé de cours Exercices et corrigés
Exercices et corrigés – Variables aléatoires
1. Loi géométrique : min, max etc …
Soient et deux variables aléatoires suivant des lois géométriques de paramètres et ().
Soit et .
Question 1.
Déterminer la loi conjointe du couple .
Question 2
suit une loi géométrique de paramètre
Question 3
Pour tout ,
Question 4
et sont indépendantes
Question 5
Soit .
De la loi de , on peut déduire la loi de . Si oui, la donner.
Question 6
Déterminer la loi de .
Corrigé de l’exercice :
Question 1 :
On note dans la suite et . et .
Si ,
car et sont indépendantes.
.
Si ,
et par indépendance de et ,
.
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Question 2 :
On détermine la loi de comme loi marginale du couple :
On distingue le cas de .
.
.
et donnent la simplification :
On calcule : .
On a montré que pour tout ,
avec .
suit une loi géométrique de paramètre .
Question 3 :
La propriété est fausse si mais vraie si .
Si ,
Question 4 :
Soit ,
,
Si ,
et
donc pour tout
et sont des variables aléatoires indépendantes.
Question 5 :
On utilise .
Donc si ,
si , .
si ,
.
si ,
où et .
Question 6 :
Pour déterminer la loi de , on calcule
Par indépendance de et ,
.
.
La propriété reste vraie si .
On écrit ensuite si , .
Ces événements étant incompatibles :
donc
.
2. Somme de variables indépendantes de loi géométrique
Annale Mines Ponts MP 2018
Question 1.
On considère variables aléatoires indépendantes qui suivent une loi géométrique de paramètre . Soit .
La somme de ces variables aléatoires vérifie si
a)
b)
c)
d)
Question 2.
Une bactérie a une probabilité de se faire toucher par un laser et il faut coups de laser pour la tuer. Calculer la loi de , temps de vie de la bactérie, et son espérance sachant qu’il y a 1 seconde entre chaque passage de laser.
a)
b)
c)
d) .
Corrigé de l’exercice :
Question 1 :
La fonction génératrice d’une variable aléatoire de loi géométrique de paramètre est définie sur par en notant .
La fonction génératrice d’une somme de variables aléatoires indépendantes est égale au produit des fonctions génératrices, donc la fonction génératrice de est définie sur par .
En dérivant fois la relation ,
on obtient
,
En divisant par , on obtient
.
Alors est égal à
Puis en posant ,
.
Par unicité du DSE,
si et si .
Question 2 :
On obtient .
Soit où « la bactérie est touchée à la seconde » et « en secondes, la bactérie a été touchée fois et non touchée fois ».
car où suit une loi binomiale de paramètres .
.
On remarque que a même loi que la somme de variables aléatoires indépendantes de loi géométrique de paramètre .
Alors .
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3. Problème du collectionneur
CCP MP 2018 – Mines Ponts PSI 2015
On cherche à obtenir toutes les pièces d’un puzzle de pièces différentes.
On achète chaque semaine une pièce emballée, chaque pièce étant équiprobable. On note la variable aléatoire égale au nombre de semaines nécessaires pour avoir une -ième nouvelle pièce à partir du moment où l’on en a déjà .
Question 1
a) Quelle est la loi de ? Quelle est celle de si ?
b) Les variables sont-elles mutuellement indépendantes ?
c) Donner l’espérance et la variance de si
Question 2
On introduit la variable aléatoire comptant le nombre d’achats nécessaires pour avoir les pièces différentes du puzzle.
a) Si , l’espérance de est égale à
R1 : R2 :
b) En utilisant une comparaison série-intégrale, on démontre que .
c) L’espérance de est équivalente à si .
d) Il existe un équivalent de lorsque de la forme .
Corrigé de l’exercice :
Question 1 :
a/ est la variable aléatoire certaine égale à 1.
Si , est le temps d’attente du premier succès lors d’une suite d’épreuves indépendantes de probabilité de succès égale à .
suit une loi géométrique : et pour tout .
b/
On démontre que les variables sont mutuellement indépendantes :
Si et si , avec , on note .
Réaliser revient
à obtenir la même pièce du rang 1 au rang de probabilité
à obtenir une nouvelle pièce au rang de probabilité
à obtenir une des deux pièces déjà obtenues du rang au rang soit fois de probabilité
à obtenir une nouvelle pièce au rang de probabilité ,
….
obtenir une des pièces déjà obtenues du rang au rang soit fois de probabilité
obtenir une nouvelle pièce au rang de probabilité .
.
On a vu que si .
,
soit aussi
.
car .
On a prouvé l’indépendance des v.a.r. pour tout tel que , donc les variables sont mutuellement indépendantes.
c/
Par propriété des lois géométriques,
et .
Ces résultats sont encore vrais si .
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Question 2 :
a/
Il est évident que donc par linéarité de l’espérance, .
et en posant ,
.
b/
Par division par ,
donc par encadrement :
et alors .
c/
.
d/
Comme les variables sont indépendantes, .
.
en posant . Donc :
.
On note . La suite converge vers .
et .
En utilisant lorsque , .
4. Tirages de boules pour avoir deux boules noires consécutives
Mines Ponts MP 2018
On considère un sac dans lequel on a mis des boules blanches et des boules noires. Il y a deux fois plus de boules noires que de boules blanches. Le tirage s’effectue au hasard et avec remise.
On note la variable aléatoire égale au nombre de tirages pour obtenir deux boules noires consécutives. On pose pour tout .
Question 1
Montrer que : avec
Question 2.
Démontrer que l’on a bien défini la loi d’une variable aléatoire.
Question 3.
Déterminer la loi de .
Question 4.
Montrer que admet des moments de tout ordre. Calculer son espérance et sa variance.
Corrigé de l’exercice :
Question 1 :
Il est évident que .
On note « on tire une boule noire au -ème tirage » et « on tire une boule blanche au -ème tirage ».
La famille est un système complet d’événements de probabilités non nulles.
Par la formule des probabilités totales si ,
car il reste tirages pour obtenir les deux noires consécutives.
car il reste tirages pour obtenir les deux noires consécutives, les deux premiers tirages étant « inutiles ».
Si .
et .
On a donc prouvé que :
.
Question 2 :
Les événements étant deux à deux incompatibles, la série de terme général pour est convergente. On note sa somme.
En sommant la relation ,
on obtient comme ,
et avec
.
On a donc défini la loi d’une variable aléatoire car .
Question 3 :
L’équation caractéristique admet deux racines distinctes : et .
Il existe alors deux réels et tels que pour tout ,
(les puissances au lieu de puissances simplifient les calculs qui suivent).
En utilisant et , on obtient le système :
donc pour tout .
Question 4 :
Pour tout la série de terme général converge absolument car les rayons de convergence des séries et sont respectivement égaux à et 3.
On utilise ensuite et pour calculer l’espérance et la variance.
Calcul de l’espérance :
.
Calcul de la variance :
et enfin .
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