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Cours · Bac+3 (ingénieur)

Probabilités avancées

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Variables aléatoires

Non commencé

Définitions

Une variable aléatoire (v.a.) XX sur (Ω,F,P)(\Omega, \mathcal{F}, P) est mesurable ; caractérisée par sa loi, sa fonction de répartition FX(x)=P(X≤x)F_X(x) = P(X \leq x), ou sa densité fXf_X. Espérance E[X]E[X], variance Var(X)=E[(X−E[X])2]\mathrm{Var}(X) = E[(X-E[X])^2].

Lois usuelles ingénieur : Bernoulli, binomiale, Poisson (événements rares, λ≈np\lambda \approx np), uniforme, exponentielle (durées sans mémoire), normale (TCL). Processus : famille (Xt)t∈T(X_t)_{t \in T}. Martingale : E[Xt+1∣Ft]=XtE[X_{t+1} | \mathcal{F}_t] = X_t. Filtration Ft\mathcal{F}_t modélise l'information disponible.

Variable aléatoire : loi via FXF_X ou densité. Espérance, variance. Lois ingénieur : Bernoulli, binomiale, Poisson, uniforme, exponentielle, normale.

Processus (Xt)(X_t) ; martingale E[Xt+1∣Ft]=XtE[X_{t+1}|\mathcal F_t]=X_t.

Formules

  • E[X]=∫ΩX dP;Var(X)=E[X2]−E[X]2E[X] = \int_\Omega X\,dP \quad ; \quad \mathrm{Var}(X) = E[X^2] - E[X]^2
  • P(λ):P(X=k)=e−λλkk!, E[X]=Var(X)=λ\mathcal{P}(\lambda) : P(X=k) = e^{-\lambda}\frac{\lambda^k}{k!},\ E[X] = \mathrm{Var}(X) = \lambda
  • E(λ):f(x)=λe−λx1x≥0, E=1/λ\mathcal{E}(\lambda) : f(x) = \lambda e^{-\lambda x}\mathbf{1}_{x \geq 0},\ E = 1/\lambda
  • E[X∣F] : v.a. F-mesurable, meilleure preˊdiction L2E[X | \mathcal{F}] \text{ : v.a. } \mathcal{F}\text{-mesurable, meilleure prédiction L}^2

Exemples

Exemple 1

Poisson λ=0,5\lambda=0{,}5 : P(N=0)P(N=0).

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) P(N=0)=e−λ=e−0,5≈0,607P(N=0)=e^{-\lambda}=e^{-0{,}5}\approx 0{,}607. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

e−0,5≈0,61e^{-0{,}5}\approx 0{,}61.

Exemple 2

Exponentielle : propriété sans mémoire.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) P(T>t+s∣T>t)=P(T>s)P(T>t+s|T>t)=P(T>s) ; MTBF =1/λ=1/\lambda. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Sans mémoire ; E[T]=1/λE[T]=1/\lambda.

À retenir

Convergences

Non commencé

Définitions

Pour (Xn)(X_n) v.a., on distingue convergences : presque sûre (p.s.) Xn→XX_n \to X p.s. ; en probabilité P(∣Xn−X∣>ε)→0P(|X_n - X| > \varepsilon) \to 0 ; en loi FXn→FXF_{X_n} \to F_X ; LpL^p : E[∣Xn−X∣p]→0E[|X_n - X|^p] \to 0. Implications : p.s. ⇒\Rightarrow proba ⇒\Rightarrow loi ; L2L^2 ⇒\Rightarrow proba.

Théorèmes limites : LFGN (Xˉn→μ\bar{X}_n \to \mu), TCL (n(Xˉn−μ)σ→N(0,1)\frac{\sqrt{n}(\bar{X}_n - \mu)}{\sigma} \to \mathcal{N}(0,1)), convergence monotone, convergence dominée (Lebesgue). En ingénierie, choisir la convergence adaptée au critère (presque sûr pour trajectoires, en loi pour quantiles).

Convergences : p.s., proba, loi, LpL^p. Implications : L2⇒L^2\Rightarrow proba ⇒\Rightarrow loi ; p.s. ⇒\Rightarrow proba.

LFGN, TCL. Monte Carlo : erreur O(1/N)O(1/\sqrt N).

Formules

  • Xn→L2X⇒Xn→PX⇒Xn→LXX_n \xrightarrow{L^2} X \Rightarrow X_n \xrightarrow{P} X \Rightarrow X_n \xrightarrow{\mathcal{L}} X
  • Xˉn→Pμ(LFGN)\bar{X}_n \xrightarrow{P} \mu \quad \text{(LFGN)}
  • n(Xˉn−μ)σ→LN(0,1)(TCL)\frac{\sqrt{n}(\bar{X}_n - \mu)}{\sigma} \xrightarrow{\mathcal{L}} \mathcal{N}(0,1) \quad \text{(TCL)}
  • E[lim⁡Xn]=lim⁡E[Xn] si Xn↗,Xn≥0 (monotone)E[\lim X_n] = \lim E[X_n] \text{ si } X_n \nearrow, X_n \geq 0 \text{ (monotone)}

Exemples

Exemple 1

IC approximatif 95% pour une moyenne.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) TCL : Xˉ±1,96 σ/n\bar X\pm 1{,}96\,\sigma/\sqrt n. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Intervalle ±1,96σ/n\pm 1{,}96\sigma/\sqrt n.

Exemple 2

Erreur Monte Carlo.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Écart-type de la moyenne empirique ∼σ/N\sim\sigma/\sqrt N, indépendant de la dimension. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Erreur typique O(1/N)O(1/\sqrt N).

À retenir

Conditionnement

Non commencé

Définitions

L'espérance conditionnelle E[X∣F]E[X | \mathcal{F}] est la v.a. F\mathcal{F}-mesurable minimisant E[(X−Y)2]E[(X - Y)^2] sur les YY F\mathcal{F}-mesurables. Formule des probabilités totales : E[X]=E[E[X∣F]]E[X] = E[E[X | \mathcal{F}]]. Variance totale : Var(X)=E[Var(X∣Y)]+Var(E[X∣Y])\mathrm{Var}(X) = E[\mathrm{Var}(X|Y)] + \mathrm{Var}(E[X|Y]).

Le conditionnement filtre l'incertitude : prédiction bayésienne, filtre de Kalman (conditionnement gaussien). Chaîne de Markov : P(Xn+1∣X0,…,Xn)=P(Xn+1∣Xn)P(X_{n+1}|X_0,\ldots,X_n) = P(X_{n+1}|X_n).

Espérance conditionnelle E[X∣F]E[X|\mathcal F] : meilleure prédiction L2L^2 F\mathcal F-mesurable. Tower property. Variance totale.

Markov : futur ⊥\perp passé | présent. Filtre de Kalman (gaussien).

Pourquoi c’est central : cette notion structure les preuves et calculs du programme ; maîtriser définitions et hypothèses évite les applications hors cadre.

Formules

  • E[X]=E[E[X∣F]](tower property)E[X] = E[E[X | \mathcal{F}]] \quad \text{(tower property)}
  • Var(X)=E[Var(X∣Y)]+Var(E[X∣Y])\mathrm{Var}(X) = E[\mathrm{Var}(X|Y)] + \mathrm{Var}(E[X|Y])
  • P(A∣B)=P(A∩B)P(B);E[X∣Y=y]=∫xfX∣Y(x∣y) dxP(A|B) = \frac{P(A \cap B)}{P(B)} \quad ; \quad E[X|Y=y] = \int x f_{X|Y}(x|y)\,dx
  • Kalman : x^k∣k=x^k∣k−1+Kk(zk−Hx^k∣k−1)\text{Kalman : } \hat{x}_{k|k} = \hat{x}_{k|k-1} + K_k(z_k - H\hat{x}_{k|k-1})

Exemples

Exemple 1

Formule de variance totale.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Var(X)=E[Var(X∣Y)]+Var(E[X∣Y])\mathrm{Var}(X)=E[\mathrm{Var}(X|Y)]+\mathrm{Var}(E[X|Y]) (ANOVA). (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Var totale = intra + inter.

Exemple 2

Kalman : mise à jour.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) x^k∣k=x^k∣k−1+Kk(zk−Hx^k∣k−1)\hat x_{k|k}=\hat x_{k|k-1}+K_k(z_k-H\hat x_{k|k-1}) : mélange prédiction/mesure. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Gain KkK_k pondère l'innovation.

À retenir