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Variables aleatoires discretes

Lois, espérance, variance et lois usuelles : Bernoulli, binomiale, Poisson, géométrique.

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Introduction

Les variables aléatoires discrètes modélisent les résultats numériques d'expériences aléatoires à valeurs dénombrables. Les lois usuelles (binomiale, Poisson, géométrique) sont à connaître parfaitement pour les concours.


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Définitions essentielles

Définition : Variable aléatoire discrète — Application X : Ω → ℝ prenant un nombre fini ou dénombrable de valeurs.

Définition : Loi de X — Donnée de P(X = xᵢ) pour toutes les valeurs xᵢ de X. On a Σᵢ P(X = xᵢ) = 1.

Définition : Espérance — E(X) = Σᵢ xᵢ·P(X = xᵢ). C'est la « moyenne pondérée » des valeurs.

Définition : Variance — V(X) = E[(X − E(X))²] = E(X²) − [E(X)]². Mesure la dispersion.

Définition : Écart-type — σ(X) = √V(X).


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Théorèmes et propriétés fondamentaux

Linéarité de l'espérance

E(aX + bY) = aE(X) + bE(Y) (toujours, même sans indépendance).

A retenir

: La linéarité de l'espérance est INCONDITIONNELLE. C'est la propriété la plus puissante.

Variance et indépendance

V(X + Y) = V(X) + V(Y) si X et Y sont indépendantes.

V(aX + b) = a²V(X).

Formule de transfert

E(g(X)) = Σᵢ g(xᵢ)·P(X = xᵢ).

Inégalité de Markov

P(X ≥ a) ≤ E(X)/a pour X ≥ 0 et a > 0.

Inégalité de Bienaymé-Tchebychev

P(|X − E(X)| ≥ a) ≤ V(X)/a².


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Formules clés

LoiNotationE(X)V(X)
BernoulliB(p)pp(1−p)
BinomialeB(n, p)npnp(1−p)
PoissonP(λ)λλ
GéométriqueG(p)1/p(1−p)/p²
Uniforme discrèteU({1,…,n})(n+1)/2(n²−1)/12
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Méthodes types

Méthode : Reconnaître une loi usuelle

  1. 1Identifier le type d'expérience (épreuves indépendantes, comptage, etc.)
  2. 2Bernoulli : une seule épreuve avec succès/échec
  3. 3Binomiale : n épreuves indépendantes, on compte les succès
  4. 4Géométrique : rang du premier succès
  5. 5Poisson : nombre d'événements rares sur un grand nombre d'essais

Méthode : Calculer E(X) et V(X)

  1. 1Déterminer la loi de X (tableau de valeurs et probabilités)
  2. 2Calculer E(X) = Σ xᵢ·P(X = xᵢ)
  3. 3Calculer E(X²) = Σ xᵢ²·P(X = xᵢ)
  4. 4V(X) = E(X²) − [E(X)]²

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Pièges classiques

  • La variance n'est PAS linéaire : V(aX + b) = a²V(X) (pas a·V(X))
  • V(X + Y) = V(X) + V(Y) nécessite l'indépendance
  • Ne pas confondre la loi de X et les valeurs de X
  • La géométrique peut commencer à 0 ou à 1 selon les conventions

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