Propriétés théoriques et simulations
L'essentiel du cours (2 notions)
Linéarité de l'espérance et König-Huygens
Propriété : Pour tous réels $a$ et $b$ : $E(aX + b) = a E(X) + b$. Formule de König-Huygens : $V(X) = E(X^2) - (E(X))^2$.
Méthode : 1. Calculer $E(X^2) = \sum x_i^2 p_i$. 2. Appliquer $V(X) = E(X^2) - (E(X))^2$. 3. Pour une transformation $aX+b$, utiliser $E(aX+b) = a E(X) + b$.
Exemple : Si $E(X)=3$ et $E(X^2)=13$, alors $V(X)=13-3^2=4$ et $E(2X+1)=2 \times 3 + 1 = 7$.
Fonction d'écart quadratique moyen
Propriété : La fonction $f(x) = E((X - x)^2)$ s'écrit $f(x) = x^2 - 2E(X)x + E(X^2)$. C'est une parabole atteignant son minimum en $x = E(X)$, égal à $V(X)$.
Méthode : 1. Développer $(X - x)^2$. 2. Appliquer la linéarité pour obtenir $f(x) = x^2 - 2E(X)x + E(X^2)$. 3. Déterminer le minimum en $x = E(X)$.
Exemple : Pour $E(X)=4$ et $V(X)=3$, le minimum de $f(x)=E((X-x)^2)$ est atteint en $x=4$ et vaut $f(4)=3$.
On considère la fonction Python suivante, destinée à simuler $n$ tirages d'un dé équilibré à 6 faces et à renvoyer la moyenne de l'échantillon obtenu :
from random import randint
def moyenne_echantillon(n):
somme = 0
for i in range(n):
x = randint(1, 6)
somme = somme + x
return somme / n
Lors d'un essai avec $n = 5$, les tirages successifs générés par l'instruction randint(1, 6) sont : $2$, $5$, $1$, $6$ et $4$.
Saisir la valeur renvoyée par l'appel moyenne_echantillon(5) pour cet essai.
Pour estimer l'aire située sous la parabole d'équation $y = x^2$ sur l'intervalle $[0 ; 1]$, on utilise la fonction Python ci-dessous basée sur la méthode de Monte-Carlo :
import random
def monte_carlo_parabole(n):
compteur = 0
for i in range(n):
x = random.random()
y = random.random()
if y <= x**2:
compteur = compteur + 1
return compteur / nLors d'une exécution de cette fonction pour $n = 500$ tirages dans le carré $[0 ; 1] \times [0 ; 1]$, la condition y <= x**2 a été vérifiée $168$ fois.
Saisir la valeur de l'estimation de l'aire obtenue par cet essai sous forme d'un nombre décimal.
On souhaite estimer l'aire du domaine géométrique situé sous la parabole d'équation $y = x^2$, au-dessus de l'axe des abscisses et pour $x \in [0 ; 2]$.
Pour cela, on réalise une simulation de Monte-Carlo en générant aléatoirement des points dans le rectangle défini par $0 \le x \le 2$ et $0 \le y \le 4$.
On considère l'algorithme écrit en Python ci-dessous :
import random
def estimation_aire(N):
compteur = 0
for i in range(N):
x = random.uniform(0, 2)
y = random.uniform(0, 4)
if y <= x**2:
compteur = compteur + 1
return (compteur / N) * kAfin que la fonction estimation_aire renvoie une estimation correcte de l'aire recherchée, quelle valeur numérique doit-on attribuer au paramètre $k$ ?
Saisir la valeur du paramètre $k$.
On considère le script Python suivant mettant en œuvre un algorithme de Monte-Carlo pour estimer la valeur du nombre $\pi$ :
import random
def monte_carlo(N):
c = 0
for i in range(N):
x = random.random()
y = random.random()
if x**2 + y**2 <= 1:
c = c + 1
pi_estime = 4 * c / N
return pi_estimeLors d'une exécution de cette fonction avec un nombre total de tirages $N = 2500$, l'algorithme a renvoyé la valeur approchée $3{,}12$.
Déterminer le nombre de points $c$ ayant satisfait la condition x**2 + y**2 <= 1 lors de cette simulation.
Saisir la valeur de c.
Soit $X$ une variable aléatoire dont l'espérance est $E(X) = 3$ et la variance est $V(X) = 16$.
Déterminer la valeur de $E(X^2)$
Saisir la valeur de $E(X^2)$.
On considère une variable aléatoire $X$ dont la loi de probabilité est définie par le tableau suivant :
$$\begin{array}{c|ccc}x_i & -3 & 1 & 5 \\ \hline P(X = x_i) & 0{,}2 & 0{,}5 & 0{,}3 \end{array}$$Un chercheur simule $N$ échantillons de taille $n$ de cette variable aléatoire et étudie la proportion des cas où la moyenne observée $m$ appartient à l'intervalle $[\mu - d(n) ; \mu + d(n)]$, où $\mu$ est l'espérance de $X$ et $d(n) = \dfrac{2\sigma}{\sqrt{n}}$ représente le seuil de tolérance théorique avec $\sigma$ l'écart-type de $X$.
Déterminer la plus petite valeur entière de la taille d'échantillon $n$ pour laquelle le seuil de tolérance $d(n)$ est inférieur ou égal à $0{,}35$.
Saisir cette valeur minimale de $n$.
On considère une variable aléatoire d'espérance $\mu = 12$ et d'écart type $\sigma = 5$. On simule $10$ échantillons de taille $n = 100$ issus de cette variable aléatoire, et on enregistre leurs moyennes respectives dans une liste Python.
On définit la fonction Python suivante :
def proportion_ecart(moyennes, mu, sigma, n):
seuil = 2 * sigma / (n**0.5)
compteur = 0
for m in moyennes:
if abs(m - mu) <= seuil:
compteur += 1
return compteur / len(moyennes)
moyennes_obtenues = [11.8, 12.3, 10.8, 12.1, 11.4, 13.2, 12.5, 11.9, 11.1, 12.7]
p = proportion_ecart(moyennes_obtenues, 12, 5, 100)Déterminer la valeur numérique de la variable p obtenue après l'exécution du script.
Saisir la valeur de $p$ sous forme d'un nombre décimal.
Soit $X$ une variable aléatoire réelle telle que $E(X) = 4$ et $E(X^2) = 20$.
Pour tout nombre réel strictement positif $k$, on définit la variable aléatoire $Y = k X + 3$.
On cherche à déterminer la valeur du paramètre $k$ pour laquelle l'espérance et la variance de $Y$ sont égales.
Saisir la valeur exacte du réel $k$.
On considère le script Python ci-dessous permettant de simuler une variable aléatoire $X$ et de calculer la moyenne d'un échantillon de taille $n$ :
import random
def simuler_X():
d = random.randint(1, 6)
if d == 6:
return 15
elif d >= 4:
return 6
else:
return k
def moyenne_echantillon(n):
somme = 0
for i in range(n):
somme = somme + simuler_X()
return somme / nOn sait que l'espérance théorique de la variable aléatoire $X$ simulée par ce programme est égale à $6$.
Déterminer la valeur de la constante entière $k$ utilisée dans la fonction simuler_X().
Saisir la valeur de k.
Une étude statistique s'appuie sur une variable aléatoire $X$ suivant une loi de Bernoulli de paramètre $p$, avec $p < 0{,}5$. On s'intéresse à la moyenne $m$ d'un échantillon de taille $n = 100$.
Le script Python ci-dessous calcule la proportion d'échantillons pour lesquels la différence entre la moyenne observée $m$ et l'espérance $\mu$ est inférieure ou égale au seuil théorique $\dfrac{2\sigma}{\sqrt{n}}$, où $\sigma$ est l'écart-type de $X$.
import random
def simulation(N, n, p):
mu = p
seuil = 0.08
succes = 0
for _ in range(N):
echantillon = [1 if random.random() < p else 0 for _ in range(n)]
m = sum(echantillon) / n
if abs(m - mu) <= seuil:
succes += 1
return succes / NEn exploitant la valeur attribuée à la variable seuil pour $n = 100$, déterminer la valeur initiale du paramètre $p$.
Saisir la valeur de $p$.
On s'intéresse à une méthode d'estimation géométrique de la surface sous une courbe à l'aide d'un algorithme probabiliste.
Propriété admise : L'aire du domaine délimité par la parabole d'équation $y = x^2$, l'axe des abscisses et la droite d'équation $x = 2$ est égale à $\dfrac{8}{3}$ unités d'aire.
Soit $k$ un entier strictement supérieur à $4$. On génère aléatoirement des points $M(X, Y)$ répartis de manière uniforme dans le rectangle $R = [0 ; 2] \times [0 ; k]$.
Un point $M(X, Y)$ appartient au domaine situé sous la parabole si ses coordonnées vérifient la condition $Y \leqslant X^2$.
Le script Python ci-dessous simule $1\ 350$ tirages indépendants de points dans ce rectangle :
import random
def simulation(k):
compteur = 0
for i in range(1350):
x = random.uniform(0, 2)
y = random.uniform(0, k)
if y <= x**2:
compteur = compteur + 1
return compteurOn cherche à déterminer la valeur du paramètre $k$ pour laquelle le nombre théorique moyen de points tombant sous la parabole lors de cette simulation est égal à $180$.
Saisir la valeur de $k$.
Soit $X$ une variable aléatoire réelle dont la loi de probabilité est donnée par le tableau suivant :
$$\begin{array}{c|ccc}x_i & -3 & 1 & 7 \\ \hline P(X = x_i) & 0{,}3 & 0{,}3 & 0{,}4 \end{array}$$On définit sur $\mathbb{R}$ la fonction $f$ par $f(x) = E((X - x)^2)$.
Propriété admise : Pour toute variable aléatoire $X$ et tout réel $x$, la fonction $f$ vérifie l'égalité $f(x) = x^2 - 2 E(X) x + E(X^2)$.
Démontrer que la fonction $f$ admet un minimum sur $\mathbb{R}$ et déterminer la valeur exacte de ce minimum.
Saisir la valeur minimale atteinte par la fonction $f$ sous forme décimale.