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MPSI · Mathématiques · Probabilités · Chapitre 23

Probabilités

Fiche de cours10 min de lecturePar Robin RinguetMise à jour : octobre 2026

1Univers, événements, variables aléatoires

Définition. Un univers est un ensemble fini non vide Ω\Omega, dont les éléments ω\omega modélisent les issues d’une expérience aléatoire ; un événement est une partie AA de Ω\Omega, un événement élémentaire un singleton. Tout ce chapitre se limite au cas d’un univers fini.

Notation. Le vocabulaire probabiliste relit le vocabulaire ensembliste : ω∈A\omega\in A « ω\omega réalise AA » ; A∩BA\cap B « AA et BB » ; A∪BA\cup B « AA ou BB » ; A‾=Ω∖A\overline{A}=\Omega\setminus A événement contraire ; A⊂BA\subset B « AA implique BB » ; A∩B=∅A\cap B=\varnothing « AA et BB incompatibles (ou disjoints) ».

Définition. (A1,…,An)(A_{1},\dots,A_{n}) est un système complet d’événements lorsque les AiA_{i} sont deux à deux incompatibles et ⋃i=1nAi=Ω\bigcup_{i=1}^{n}A_{i}=\Omega. Exemple fondamental : (A,A‾)\bigl(A,\overline{A}\bigr), et plus généralement ({X=x})x∈X(Ω)\bigl(\ens{X=x}\bigr)_{x\in X(\Omega)} pour une variable aléatoire XX.

Définition. Une variable aléatoire sur Ω\Omega est une application X:Ω→EX:\Omega\to E, où EE est un ensemble quelconque. Pour A⊂EA\subset E et x∈Ex\in E on note  {X∈A}=(X∈A)={ω∈Ω, X(ω)∈A} \ \ens{X\in A}=(X\in A)=\ens{\omega\in\Omega,\ X(\omega)\in A}\ et  {X=x}={X∈{x}}\ \ens{X=x}=\ens{X\in\ens{x}}.

Remarque. Une variable aléatoire n’est ni un nombre ni une inconnue : c’est une fonction. On ne parlera d’espérance (resp. de variance) que lorsque E⊂CE\subset\C (resp. E⊂RE\subset\R).

2Espaces probabilisés finis

Définition. Une probabilité sur Ω\Omega est une application P:P(Ω)→[0 ;1]\mathbb{P}:\mathcal{P}(\Omega)\to\intff{0}{1} telle que P(Ω)=1\mathbb{P}(\Omega)=1 et P(A∪B)=P(A)+P(B)\mathbb{P}(A\cup B)=\mathbb{P}(A)+\mathbb{P}(B) pour tous événements incompatibles AA, BB. Le couple (Ω,P)(\Omega,\mathbb{P}) est un espace probabilisé fini.

Définition. Une distribution de probabilités sur un ensemble EE est une famille (px)x∈E(p_{x})_{x\in E} d’éléments de R+\R_{+} de somme 11.

Théorème. Une probabilité sur Ω\Omega est entièrement déterminée par la distribution (P({ω}))ω∈Ω\bigl(\mathbb{P}(\ens{\omega})\bigr)_{\omega\in\Omega}, et réciproquement toute distribution (pω)ω∈Ω(p_{\omega})_{\omega\in\Omega} provient d’une unique probabilité, donnée par  P(A)=∑ω∈Apω\ \mathbb{P}(A)=\sum_{\omega\in A}p_{\omega}.

Définition. La probabilité uniforme sur Ω\Omega est celle de distribution constante : P({ω})=1Card⁡Ω\mathbb{P}(\ens{\omega})=\frac{1}{\Card\Omega}, et alors  P(A)=Card⁡ACard⁡Ω\ \mathbb{P}(A)=\frac{\Card A}{\Card\Omega}. C’est le modèle d’équiprobabilité : tout calcul s’y ramène à un dénombrement (chapitre 22).

Propriété — règles de calcul. Pour tous événements AA, BB :  P(∅)=0\ \mathbb{P}(\varnothing)=0 ;  P(A‾)=1−P(A)\ \mathbb{P}(\overline{A})=1-\mathbb{P}(A) ;  P(B∖A)=P(B)−P(A∩B)\ \mathbb{P}(B\setminus A)=\mathbb{P}(B)-\mathbb{P}(A\cap B) ; croissance : A⊂B  ⟹  P(A)⩽P(B)A\subset B\implies\mathbb{P}(A)\leq\mathbb{P}(B) et alors P(B∖A)=P(B)−P(A)\mathbb{P}(B\setminus A)=\mathbb{P}(B)-\mathbb{P}(A) ; enfin

P(A∪B)=P(A)+P(B)−P(A∩B)d’ouˋP(A∪B)⩽P(A)+P(B).\boxed{\mathbb{P}(A\cup B)=\mathbb{P}(A)+\mathbb{P}(B)-\mathbb{P}(A\cap B)}\quad\text{d'où}\quad \mathbb{P}(A\cup B)\leq\mathbb{P}(A)+\mathbb{P}(B).

Si A1,…,AnA_{1},\dots,A_{n} sont deux à deux incompatibles, P(⋃iAi)=∑iP(Ai)\mathbb{P}\bigl(\bigcup_{i}A_{i}\bigr)=\sum_{i}\mathbb{P}(A_{i}) ; si c’est de plus un système complet, cette somme vaut 11. La formule du crible est hors programme : la formule de la réunion n’est disponible que pour deux événements ; au-delà, on découpe en événements deux à deux incompatibles ou l’on passe au contraire.

3Probabilités conditionnelles

Définition. Si P(B)>0\mathbb{P}(B)>0, la probabilité conditionnelle de AA sachant BB est  P(A∣B)=PB(A)=P(A∩B)P(B)\ \mathbb{P}(A\mid B)=\mathbb{P}_{B}(A)=\dfrac{\mathbb{P}(A\cap B)}{\mathbb{P}(B)}. Convention officielle : P(A∣B)P(B)=0\mathbb{P}(A\mid B)\mathbb{P}(B)=0 lorsque P(B)=0\mathbb{P}(B)=0, de sorte que P(A∩B)=P(A∣B)P(B)\mathbb{P}(A\cap B)=\mathbb{P}(A\mid B)\mathbb{P}(B) soit vraie sans hypothèse.

Théorème. PB\mathbb{P}_{B} est une probabilité sur Ω\Omega : toutes les règles ci-dessus lui s’appliquent (PB(A‾)=1−PB(A)\mathbb{P}_{B}(\overline{A})=1-\mathbb{P}_{B}(A), etc.). En revanche PB\mathbb{P}_{B} est une probabilité en la première variable seulement : P(A∣B)+P(A∣B‾)\mathbb{P}(A\mid B)+\mathbb{P}(A\mid\overline{B}) n’a aucune raison de valoir 11.

Théorème — probabilités composées. Si P(A1∩⋯∩An−1)>0\mathbb{P}(A_{1}\cap\dots\cap A_{n-1})>0, alors

P(A1∩⋯∩An)=P(A1) P(A2∣A1) P(A3∣A1∩A2)⋯P(An∣A1∩⋯∩An−1).\mathbb{P}(A_{1}\cap\dots\cap A_{n})=\mathbb{P}(A_{1})\,\mathbb{P}(A_{2}\mid A_{1})\,\mathbb{P}(A_{3}\mid A_{1}\cap A_{2})\cdots\mathbb{P}(A_{n}\mid A_{1}\cap\dots\cap A_{n-1}).

Idée de preuve. Récurrence sur nn ; par croissance, tous les conditionnements écrits portent sur des événements de probabilité non nulle.

Théorème — probabilités totales. Si (A1,…,An)(A_{1},\dots,A_{n}) est un système complet d’événements, alors pour tout événement BB

P(B)=∑i=1nP(B∩Ai)=∑i=1nP(B∣Ai) P(Ai)\boxed{\mathbb{P}(B)=\sum_{i=1}^{n}\mathbb{P}(B\cap A_{i})=\sum_{i=1}^{n}\mathbb{P}(B\mid A_{i})\,\mathbb{P}(A_{i})}

(la seconde écriture avec la convention ci-dessus). Idée de preuve (exigible). Les B∩AiB\cap A_{i} sont deux à deux incompatibles et de réunion B∩Ω=BB\cap\Omega=B : on applique l’additivité puis la définition du conditionnement.

Théorème — formule de Bayes. Si P(A)>0\mathbb{P}(A)>0 et P(B)>0\mathbb{P}(B)>0,  P(A∣B)=P(B∣A)P(A)P(B)\ \mathbb{P}(A\mid B)=\dfrac{\mathbb{P}(B\mid A)\mathbb{P}(A)}{\mathbb{P}(B)} ; et si (A1,…,An)(A_{1},\dots,A_{n}) est un système complet d’événements de probabilités non nulles,

P(Aj∣B)=P(B∣Aj)P(Aj)∑i=1nP(B∣Ai)P(Ai).\mathbb{P}(A_{j}\mid B)=\frac{\mathbb{P}(B\mid A_{j})\mathbb{P}(A_{j})}{\sum_{i=1}^{n}\mathbb{P}(B\mid A_{i})\mathbb{P}(A_{i})}.

Idée de preuve (exigible). Calculer P(A∩B)\mathbb{P}(A\cap B) de deux façons, puis développer le dénominateur par les probabilités totales.

Méthode — arbre de probabilités. un arbre dont le premier niveau est un système complet d’événements résume les trois formules : on multiplie le long d’une branche (composées), on additionne les branches aboutissant à un même événement (totales) ; Bayes remonte l’arbre.

4Lois de variables aléatoires

Définition. La loi de X:Ω→EX:\Omega\to E est la probabilité PX\mathbb{P}_{X} définie par PX(A)=P(X∈A)\mathbb{P}_{X}(A)=\mathbb{P}(X\in A) ; elle est déterminée par la distribution (P(X=x))x∈E\bigl(\mathbb{P}(X=x)\bigr)_{x\in E}, nulle hors de l’ensemble fini X(Ω)X(\Omega). On note X∼YX\sim Y lorsque PX=PY\mathbb{P}_{X}=\mathbb{P}_{Y}. Si f:E→Ff:E\to F, alors f(X)=f∘Xf(X)=f\circ X est une variable aléatoire et  X∼Y  ⟹  f(X)∼f(Y)\ X\sim Y\implies f(X)\sim f(Y). Attention, X∼YX\sim Y n’entraîne pas X=YX=Y : sur Ω={0,1}\Omega=\ens{0,1} équiprobable, X=idX=\mathrm{id} et Y=1−XY=1-X ont même loi et ne sont jamais égales.

Définition — lois usuelles.

Formulaire
  • X∼U(E)X\sim\mathcal{U}(E), EE fini non vide : XX est à valeurs dans EE et P(X=x)=1Card⁡E\mathbb{P}(X=x)=\frac{1}{\Card E} pour tout x∈Ex\in E.
  • X∼B(p)X\sim\mathcal{B}(p), p∈[0 ;1]p\in\intff{0}{1} : X(Ω)⊂{0,1}X(\Omega)\subset\ens{0,1}, P(X=1)=p\mathbb{P}(X=1)=p, P(X=0)=1−p\mathbb{P}(X=0)=1-p (XX code le succès d’une expérience). Pour A⊂ΩA\subset\Omega, l’indicatrice 1A\mathbf{1}_{A} suit B(P(A))\mathcal{B}\bigl(\mathbb{P}(A)\bigr).
  • X∼B(n,p)X\sim\mathcal{B}(n,p) (loi binomiale), n∈N∗n\in\N^{*} : XX est à valeurs dans ⟦0 ;n⟧\intent{0}{n} et  P(X=k)=(nk)pk(1−p)n−k\ \mathbb{P}(X=k)=\binom{n}{k}p^{k}(1-p)^{n-k}. Interprétation : nombre de succès lors de nn répétitions indépendantes d’une expérience de probabilité de succès pp. Contrôle : ∑k=0n(nk)pk(1−p)n−k=(p+(1−p))n=1\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}p^{k}(1-p)^{n-k}=\bigl(p+(1-p)\bigr)^{n}=1 (binôme).

Définition. Pour P(A)>0\mathbb{P}(A)>0, la loi conditionnelle de XX sachant AA est la loi de XX pour PA\mathbb{P}_{A}, c’est-à-dire la distribution (P(X=x∣A))x∈E\bigl(\mathbb{P}(X=x\mid A)\bigr)_{x\in E}.

Définition. Le couple (X,Y):Ω→E×F(X,Y):\Omega\to E\times F est une variable aléatoire ; sa loi, dite loi conjointe, est donnée par les P(X=x,Y=y)\mathbb{P}(X=x,Y=y). Les lois de XX et YY sont les lois marginales, et on les retrouve par

P(X=x)=∑y∈FP(X=x,Y=y),P(Y=y)=∑x∈EP(X=x,Y=y),\mathbb{P}(X=x)=\sum_{y\in F}\mathbb{P}(X=x,Y=y),\qquad \mathbb{P}(Y=y)=\sum_{x\in E}\mathbb{P}(X=x,Y=y),

probabilités totales appliquées au système complet ({Y=y})y∈F\bigl(\ens{Y=y}\bigr)_{y\in F} (resp. ({X=x})x∈E\bigl(\ens{X=x}\bigr)_{x\in E}). Tout s’étend aux nn-uplets.

Remarque. Les marges ne déterminent pas la loi conjointe : les tableaux (1/2001/2)\left(\begin{smallmatrix}1/2&0\\0&1/2\end{smallmatrix}\right) et (1/41/41/41/4)\left(\begin{smallmatrix}1/4&1/4\\1/4&1/4\end{smallmatrix}\right) ont les mêmes marges, toutes deux uniformes sur {0,1}\ens{0,1}.

5Indépendance

Définition. AA et BB sont indépendants lorsque P(A∩B)=P(A)P(B)\mathbb{P}(A\cap B)=\mathbb{P}(A)\mathbb{P}(B) ; si P(B)>0\mathbb{P}(B)>0, cela s’écrit P(A∣B)=P(A)\mathbb{P}(A\mid B)=\mathbb{P}(A). La famille (A1,…,An)(A_{1},\dots,A_{n}) est indépendante lorsque  P ⁣(⋂i∈IAi)=∏i∈IP(Ai) \ \mathbb{P}\!\left(\bigcap_{i\in I}A_{i}\right)=\prod_{i\in I}\mathbb{P}(A_{i})\ pour toute partie II de ⟦1 ;n⟧\intent{1}{n}.

Propriété. Si AA et BB sont indépendants, AA et B‾\overline{B} le sont aussi (donc aussi A‾\overline{A} et B‾\overline{B}) ; dans une famille indépendante, on peut remplacer certains AiA_{i} par leurs contraires sans perdre l’indépendance.

Remarque — les deux confusions à ne jamais faire. Incompatibilité et indépendance sont sans rapport : deux événements incompatibles de probabilités non nulles ne sont jamais indépendants, puisque P(A∩B)=0<P(A)P(B)\mathbb{P}(A\cap B)=0<\mathbb{P}(A)\mathbb{P}(B). Et l’indépendance deux à deux n’implique pas l’indépendance de la famille : il faut vérifier toutes les parties II, y compris I=⟦1 ;n⟧I=\intent{1}{n}.

Définition. X:Ω→EX:\Omega\to E et Y:Ω→FY:\Omega\to F sont indépendantes, ce qu’on note X⊥ ⁣ ⁣ ⁣⊥YX\mathrel{\perp\!\!\!\perp} Y, lorsque pour toutes parties A⊂X(Ω)A\subset X(\Omega) et B⊂Y(Ω)B\subset Y(\Omega) les événements (X∈A)(X\in A) et (Y∈B)(Y\in B) sont indépendants.

Théorème — caractérisation. X⊥ ⁣ ⁣ ⁣⊥YX\mathrel{\perp\!\!\!\perp} Y si et seulement si  P(X=x,Y=y)=P(X=x)P(Y=y) \ \mathbb{P}(X=x,Y=y)=\mathbb{P}(X=x)\mathbb{P}(Y=y)\ pour tous (x,y)∈E×F(x,y)\in E\times F : la loi conjointe est le produit des lois marginales. De même X1,…,XnX_{1},\dots,X_{n} sont indépendantes lorsque P(X1=x1,…,Xn=xn)=∏i=1nP(Xi=xi)\mathbb{P}(X_{1}=x_{1},\dots,X_{n}=x_{n})=\prod_{i=1}^{n}\mathbb{P}(X_{i}=x_{i}) pour tous x1,…,xnx_{1},\dots,x_{n}.

Notation. On modélise nn expériences aléatoires indépendantes par une famille finie (Xi)1⩽i⩽n(X_{i})_{1\leq i\leq n} de variables aléatoires indépendantes ; la construction explicite d’un univers portant ce nn-uplet n’est pas un objectif du programme.

Théorème. Si X1,…,XnX_{1},\dots,X_{n} sont indépendantes de même loi B(p)\mathcal{B}(p), alors  X1+⋯+Xn∼B(n,p)\ X_{1}+\dots+X_{n}\sim\mathcal{B}(n,p). Idée de preuve (exigible). {∑Xi=k}\ens{\sum X_{i}=k} est la réunion disjointe, sur les (nk)\binom{n}{k} parties II de cardinal kk, des ⋂i∈I(Xi=1)∩⋂i∉I(Xi=0)\bigcap_{i\in I}(X_{i}=1)\cap\bigcap_{i\notin I}(X_{i}=0), chacune de probabilité pk(1−p)n−kp^{k}(1-p)^{n-k} par indépendance.

Théorème — stabilité, lemme des coalitions. Si X⊥ ⁣ ⁣ ⁣⊥YX\mathrel{\perp\!\!\!\perp} Y, alors f(X)⊥ ⁣ ⁣ ⁣⊥g(Y)f(X)\mathrel{\perp\!\!\!\perp} g(Y) pour toutes applications f,gf,g. Plus généralement (lemme des coalitions, admis) : si X1,…,XnX_{1},\dots,X_{n} sont indépendantes et 1⩽m<n1\leq m<n, alors f(X1,…,Xm)⊥ ⁣ ⁣ ⁣⊥g(Xm+1,…,Xn)f(X_{1},\dots,X_{m})\mathrel{\perp\!\!\!\perp} g(X_{m+1},\dots,X_{n}) ; l’énoncé s’étend à plus de deux coalitions, formées de blocs d’indices disjoints.

6Espérance

Définition. Pour X:Ω→CX:\Omega\to\C, l’espérance de XX est  E⁡(X)=∑x∈X(Ω)x P(X=x)=∑ω∈ΩX(ω) P({ω})\ \displaystyle\operatorname{E}(X)=\sum_{x\in X(\Omega)}x\,\mathbb{P}(X=x)=\sum_{\omega\in\Omega}X(\omega)\,\mathbb{P}(\ens{\omega}) : c’est un indicateur de position. XX est dite centrée si E⁡(X)=0\operatorname{E}(X)=0 ; X−E⁡(X)X-\operatorname{E}(X) l’est toujours. L’espérance ne dépend que de la loi, celle d’une constante cc vaut cc, et  E⁡(1A)=P(A)\ \boxed{\operatorname{E}(\mathbf{1}_{A})=\mathbb{P}(A)}.

Théorème — propriétés. Pour XX, YY sur Ω\Omega à valeurs complexes et λ,μ∈C\lambda,\mu\in\C : linéarité E⁡(λX+μY)=λE⁡(X)+μE⁡(Y)\operatorname{E}(\lambda X+\mu Y)=\lambda\operatorname{E}(X)+\mu\operatorname{E}(Y) — sans aucune hypothèse d’indépendance ; positivité : X⩾0  ⟹  E⁡(X)⩾0X\geq0\implies\operatorname{E}(X)\geq0 ; croissance : X⩽Y  ⟹  E⁡(X)⩽E⁡(Y)X\leq Y\implies\operatorname{E}(X)\leq\operatorname{E}(Y) ; inégalité triangulaire : ∣E⁡(X)∣⩽E⁡(∣X∣)\abs{\operatorname{E}(X)}\leq\operatorname{E}(\abs{X}). En particulier m⩽X⩽M  ⟹  m⩽E⁡(X)⩽Mm\leq X\leq M\implies m\leq\operatorname{E}(X)\leq M.

Idée de preuve (exigible). Tout se lit sur E⁡(X)=∑ωX(ω)P({ω})\operatorname{E}(X)=\sum_{\omega}X(\omega)\mathbb{P}(\ens{\omega}) : linéarité de la somme, positivité des P({ω})\mathbb{P}(\ens{\omega}), inégalité triangulaire du module.

Théorème — formule de transfert. Pour X:Ω→EX:\Omega\to E et f:E→Cf:E\to\C,  E⁡(f(X))=∑x∈X(Ω)f(x) P(X=x)\ \boxed{\displaystyle\operatorname{E}\bigl(f(X)\bigr)=\sum_{x\in X(\Omega)}f(x)\,\mathbb{P}(X=x)} : on calcule E⁡(f(X))\operatorname{E}(f(X)) sans déterminer la loi de f(X)f(X). Elle vaut aussi pour les couples et nn-uplets : E⁡(f(X,Y))=∑x,yf(x,y)P(X=x,Y=y)\operatorname{E}\bigl(f(X,Y)\bigr)=\sum_{x,y}f(x,y)\mathbb{P}(X=x,Y=y).

Idée de preuve (exigible). Regrouper ∑ωf(X(ω))P({ω})\sum_{\omega}f\bigl(X(\omega)\bigr)\mathbb{P}(\ens{\omega}) selon la valeur de X(ω)X(\omega), ce qui est licite car ({X=x})x∈X(Ω)\bigl(\ens{X=x}\bigr)_{x\in X(\Omega)} est un système complet d’événements.

Théorème. Si X⊥ ⁣ ⁣ ⁣⊥YX\mathrel{\perp\!\!\!\perp} Y, alors E⁡(XY)=E⁡(X)E⁡(Y)\operatorname{E}(XY)=\operatorname{E}(X)\operatorname{E}(Y) ; plus généralement E⁡ ⁣(∏i=1nXi)=∏i=1nE⁡(Xi)\operatorname{E}\!\left(\prod_{i=1}^{n}X_{i}\right)=\prod_{i=1}^{n}\operatorname{E}(X_{i}) si X1,…,XnX_{1},\dots,X_{n} sont indépendantes. La réciproque est fausse (voir « décorrélées »).

Propriété. Si X∼B(p)X\sim\mathcal{B}(p), E⁡(X)=p\operatorname{E}(X)=p ; si X∼B(n,p)X\sim\mathcal{B}(n,p), E⁡(X)=np\operatorname{E}(X)=np ; si X∼U(⟦1 ;n⟧)X\sim\mathcal{U}\bigl(\intent{1}{n}\bigr), E⁡(X)=n+12\operatorname{E}(X)=\frac{n+1}{2}. Idée de preuve (exigible) pour la binomiale. Écrire X=X1+⋯+XnX=X_{1}+\dots+X_{n} avec Xi∼B(p)X_{i}\sim\mathcal{B}(p) indépendantes et appliquer la linéarité. (Le calcul direct par k(nk)=n(n−1k−1)k\binom{n}{k}=n\binom{n-1}{k-1} marche aussi, mais la décomposition en indicatrices est la bonne méthode.)

Méthode — exemple type : décomposer en indicatrices. pour σ∼U(Sn)\sigma\sim\mathcal{U}(\mathfrak{S}_{n}), le nombre de points fixes s’écrit X=∑i=1n1AiX=\sum_{i=1}^{n}\mathbf{1}_{A_{i}} avec Ai=(σ(i)=i)A_{i}=(\sigma(i)=i) ; comme Card⁡{σ, σ(i)=i}=(n−1)!\Card\ens{\sigma,\ \sigma(i)=i}=(n-1)!, P(Ai)=1n\mathbb{P}(A_{i})=\frac1n et E⁡(X)=1\operatorname{E}(X)=1 : un point fixe en moyenne, quel que soit nn. Les AiA_{i} n’étant pas indépendants, la variance réclamera les covariances.

7Variance, écart type, covariance

Définition. Pour X:Ω→RX:\Omega\to\R : variance V⁡(X)=E⁡((X−E⁡(X))2)⩾0\operatorname{V}(X)=\operatorname{E}\bigl((X-\operatorname{E}(X))^{2}\bigr)\geq0 et écart type σ(X)=V⁡(X)\sigma(X)=\sqrt{\operatorname{V}(X)} — des indicateurs de dispersion. XX est réduite si V⁡(X)=1\operatorname{V}(X)=1.

Théorème — formule de König-Huygens.  V⁡(X)=E⁡(X2)−E⁡(X)2\ \boxed{\operatorname{V}(X)=\operatorname{E}\bigl(X^{2}\bigr)-\operatorname{E}(X)^{2}}, d’où E⁡(X)2⩽E⁡(X2)\operatorname{E}(X)^{2}\leq\operatorname{E}(X^{2}). Idée de preuve (exigible). Avec m=E⁡(X)m=\operatorname{E}(X) constante, développer (X−m)2=X2−2mX+m2(X-m)^{2}=X^{2}-2mX+m^{2} et appliquer la linéarité : V⁡(X)=E⁡(X2)−2m2+m2\operatorname{V}(X)=\operatorname{E}(X^{2})-2m^{2}+m^{2}.

Propriété. V⁡(X)=0\operatorname{V}(X)=0 si et seulement s’il existe cc tel que P(X=c)=1\mathbb{P}(X=c)=1. Pour a,b∈Ra,b\in\R :  V⁡(aX+b)=a2V⁡(X)\ \boxed{\operatorname{V}(aX+b)=a^{2}\operatorname{V}(X)} et σ(aX+b)=∣a∣σ(X)\sigma(aX+b)=\abs{a}\sigma(X). Si σ(X)>0\sigma(X)>0, la variable  X∗=X−E⁡(X)σ(X) \ X^{*}=\dfrac{X-\operatorname{E}(X)}{\sigma(X)}\ est centrée réduite.

Définition. La covariance est Cov⁡(X,Y)=E⁡((X−E⁡(X))(Y−E⁡(Y)))\operatorname{Cov}(X,Y)=\operatorname{E}\bigl((X-\operatorname{E}(X))(Y-\operatorname{E}(Y))\bigr) ; si Cov⁡(X,Y)=0\operatorname{Cov}(X,Y)=0, XX et YY sont dites décorrélées.

Théorème.  Cov⁡(X,Y)=E⁡(XY)−E⁡(X)E⁡(Y)\ \boxed{\operatorname{Cov}(X,Y)=\operatorname{E}(XY)-\operatorname{E}(X)\operatorname{E}(Y)} ; Cov⁡\operatorname{Cov} est symétrique, bilinéaire, et Cov⁡(X,X)=V⁡(X)\operatorname{Cov}(X,X)=\operatorname{V}(X). Si X⊥ ⁣ ⁣ ⁣⊥YX\mathrel{\perp\!\!\!\perp} Y, alors XX et YY sont décorrélées ; la réciproque est fausse. Idée de preuve (exigible). Développer le produit et appliquer la linéarité (comme pour König-Huygens) ; l’implication est le théorème E⁡(XY)=E⁡(X)E⁡(Y)\operatorname{E}(XY)=\operatorname{E}(X)\operatorname{E}(Y).

Théorème — variance d’une somme.  V⁡ ⁣(∑i=1nXi)=∑i=1nV⁡(Xi)+2 ⁣ ⁣∑1⩽i<j⩽n ⁣ ⁣Cov⁡(Xi,Xj)\ \displaystyle\operatorname{V}\!\left(\sum_{i=1}^{n}X_{i}\right)=\sum_{i=1}^{n}\operatorname{V}(X_{i})+2\!\!\sum_{1\leq i<j\leq n}\!\!\operatorname{Cov}(X_{i},X_{j}). Si les XiX_{i} sont deux à deux décorrélées (en particulier si elles sont indépendantes), V⁡ ⁣(∑Xi)=∑V⁡(Xi)\operatorname{V}\!\left(\sum X_{i}\right)=\sum\operatorname{V}(X_{i}). En particulier, pour XX et YY décorrélées, V⁡(X+Y)=V⁡(X−Y)=V⁡(X)+V⁡(Y)\operatorname{V}(X+Y)=\operatorname{V}(X-Y)=\operatorname{V}(X)+\operatorname{V}(Y) ; prendre Y=XY=X montre que l’hypothèse est indispensable, car V⁡(2X)=4V⁡(X)\operatorname{V}(2X)=4\operatorname{V}(X).

Propriété. Si X∼B(p)X\sim\mathcal{B}(p), V⁡(X)=p(1−p)\operatorname{V}(X)=p(1-p) ; si X∼B(n,p)X\sim\mathcal{B}(n,p), V⁡(X)=np(1−p)\operatorname{V}(X)=np(1-p) ; si X∼U(⟦1 ;n⟧)X\sim\mathcal{U}\bigl(\intent{1}{n}\bigr), V⁡(X)=n2−112\operatorname{V}(X)=\frac{n^{2}-1}{12}. Idée de preuve (exigible). Pour B(p)\mathcal{B}(p) : X2=XX^{2}=X, donc V⁡(X)=p−p2\operatorname{V}(X)=p-p^{2}. Pour la binomiale : X=∑XiX=\sum X_{i} avec les XiX_{i} indépendantes de loi B(p)\mathcal{B}(p), donc les variances s’ajoutent.

8Inégalités de concentration

Théorème — inégalité de Markov. Si XX est positive, alors pour tout a>0a>0 :  P(X⩾a)⩽E⁡(X)a\ \boxed{\mathbb{P}(X\geq a)\leq\dfrac{\operatorname{E}(X)}{a}}. Idée de preuve (exigible). On a a 1(X⩾a)⩽Xa\,\mathbf{1}_{(X\geq a)}\leq X sur tout Ω\Omega (disjonction des cas selon que ω\omega réalise ou non (X⩾a)(X\geq a), en utilisant X⩾0X\geq0) ; on prend l’espérance par croissance et E⁡(1(X⩾a))=P(X⩾a)\operatorname{E}\bigl(\mathbf{1}_{(X\geq a)}\bigr)=\mathbb{P}(X\geq a).

Théorème — inégalité de Bienaymé-Tchebychev. Pour XX réelle et ε>0\varepsilon>0 :  P(∣X−E⁡(X)∣⩾ε)⩽V⁡(X)ε2\ \boxed{\mathbb{P}\bigl(\abs{X-\operatorname{E}(X)}\geq\varepsilon\bigr)\leq\dfrac{\operatorname{V}(X)}{\varepsilon^{2}}}. Idée de preuve (exigible). Appliquer Markov à la variable positive Y=(X−E⁡(X))2Y=\bigl(X-\operatorname{E}(X)\bigr)^{2} et au seuil a=ε2>0a=\varepsilon^{2}>0, en remarquant que (Y⩾ε2)=(∣X−E⁡(X)∣⩾ε)(Y\geq\varepsilon^{2})=\bigl(\abs{X-\operatorname{E}(X)}\geq\varepsilon\bigr) et E⁡(Y)=V⁡(X)\operatorname{E}(Y)=\operatorname{V}(X).

Théorème — concentration d’une moyenne. Soient X1,…,XnX_{1},\dots,X_{n} indépendantes de même loi, d’espérance mm et de variance σ2\sigma^{2}, et Xn‾=1n∑i=1nXi\overline{X_{n}}=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}X_{i}. Alors E⁡(Xn‾)=m\operatorname{E}\bigl(\overline{X_{n}}\bigr)=m,  V⁡(Xn‾)=σ2n\ \operatorname{V}\bigl(\overline{X_{n}}\bigr)=\dfrac{\sigma^{2}}{n}, et

∀ε>0,P(∣Xn‾−m∣⩾ε)⩽σ2nε2.\forall\varepsilon>0,\qquad \mathbb{P}\Bigl(\bigl|\overline{X_{n}}-m\bigr|\geq\varepsilon\Bigr)\leq\frac{\sigma^{2}}{n\varepsilon^{2}}.

Idée de preuve (exigible). Linéarité pour l’espérance ; V⁡(Xn‾)=1n2∑V⁡(Xi)=σ2n\operatorname{V}\bigl(\overline{X_{n}}\bigr)=\frac{1}{n^{2}}\sum\operatorname{V}(X_{i})=\frac{\sigma^{2}}{n} par indépendance et V⁡(aX)=a2V⁡(X)\operatorname{V}(aX)=a^{2}\operatorname{V}(X) ; puis Bienaymé-Tchebychev appliqué à Xn‾\overline{X_{n}}.

Remarque — interprétation fréquentiste. Pour Xi∼B(p)X_{i}\sim\mathcal{B}(p) indépendantes, Xn‾\overline{X_{n}} est la fréquence de succès et σ2=p(1−p)⩽14\sigma^{2}=p(1-p)\leq\frac14, d’où P(∣Xn‾−p∣⩾ε)⩽14nε2\mathbb{P}\bigl(\bigl|\overline{X_{n}}-p\bigr|\geq\varepsilon\bigr)\leq\frac{1}{4n\varepsilon^{2}} : à ε\varepsilon fixé, le majorant est aussi petit qu’on veut pour nn grand, ce qui justifie la lecture d’une probabilité comme une fréquence. La majoration est non asymptotique — vraie pour chaque nn, elle fournit un nn explicite. On la démontre, on ne l’invoque pas sous un nom : « la loi faible des grands nombres » n’est pas un résultat du cours de première année, et la convergence en probabilité est hors programme.

Savoir-faire
  • Décrire un univers fini et une probabilité dessus ; reconnaître l’équiprobabilité, se ramener à un dénombrement.
  • Construire un système complet d’événements, puis appliquer composées, totales, Bayes (arbre) ; prouver ou réfuter l’indépendance de deux événements, d’une famille, de deux variables aléatoires.
  • Déterminer une loi, une loi conjointe, des lois marginales, une loi conditionnelle sachant un événement.
  • Calculer E⁡\operatorname{E} et V⁡\operatorname{V} par la loi, par transfert, ou par décomposition en somme d’indicatrices — presque toujours la bonne idée ; calculer une covariance, en déduire la variance d’une somme ; majorer une probabilité par Markov ou Bienaymé-Tchebychev et trouver un nn assurant une précision donnée.
Pièges
  • Confondre P(A∣B)\mathbb{P}(A\mid B) et P(B∣A)\mathbb{P}(B\mid A) ; écrire P(A∣B)\mathbb{P}(A\mid B) sans P(B)>0\mathbb{P}(B)>0 ; appliquer les probabilités totales à une famille qui n’est pas un système complet. Confondre incompatibles et indépendants.
  • Écrire E⁡(XY)=E⁡(X)E⁡(Y)\operatorname{E}(XY)=\operatorname{E}(X)\operatorname{E}(Y) ou V⁡(X+Y)=V⁡(X)+V⁡(Y)\operatorname{V}(X+Y)=\operatorname{V}(X)+\operatorname{V}(Y) sans justifier l’indépendance (resp. la décorrélation) ; croire que décorrélées   ⟹  \implies indépendantes.
  • Confondre XX et le nombre E⁡(X)\operatorname{E}(X) ; écrire E⁡(X2)=E⁡(X)2\operatorname{E}(X^{2})=\operatorname{E}(X)^{2} ou E⁡(1/X)=1/E⁡(X)\operatorname{E}(1/X)=1/\operatorname{E}(X).
  • Modéliser un tirage sans remise par une binomiale ; appliquer Markov à une variable non positive, ou Bienaymé-Tchebychev sans centrer. Formule du crible, loi géométrique ou de Poisson, fonction génératrice, densité, univers infini : hors programme.

Exercices, contrôles et sujets

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1

Exercices de base

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Les bases : événements, conditionnement, indépendance, lois, espérance, variance, concentration

12 exercicesniveau Difficulté 1 sur 3 à Difficulté 2 sur 3durée conseillée : 3 hrésultats sous forme de fractions exactes

  1. Vocabulaire des événementsDifficulté 1 sur 3
  2. Une distribution de probabilitésDifficulté 1 sur 3
  3. Tirages dans une urneDifficulté 2 sur 3
  4. Probabilités composéesDifficulté 2 sur 3
  5. Trois machines (probabilités totales et Bayes)Difficulté 2 sur 3
  6. Indépendance : ce qu’elle est et ce qu’elle n’est pasDifficulté 1 sur 3
  7. Maximum et écart de deux désDifficulté 2 sur 3
  8. Loi binomialeDifficulté 1 sur 3
  9. Un couple de variables aléatoiresDifficulté 2 sur 3
  10. Formule de transfertDifficulté 1 sur 3
  11. Variance, König-Huygens, variable centrée réduiteDifficulté 2 sur 3
  12. Markov et Bienaymé-TchebychevDifficulté 2 sur 3
2

Exercices d'application

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Mise en œuvre : conditionnement en chaîne, indicatrices, covariance, marches aléatoires, concentration

9 exercicesniveau Difficulté 2 sur 3durée conseillée : 4 hrésultats sous forme de fractions exactes

  1. Une urne qui s’enrichitDifficulté 2 sur 3
  2. Trois piècesDifficulté 2 sur 3
  3. Indépendance deux à deux n’est pas indépendanceDifficulté 2 sur 3
  4. Maximum et minimum de nn désDifficulté 2 sur 3
  5. Points fixes d’une permutation aléatoireDifficulté 2 sur 3
  6. Une marche aléatoireDifficulté 2 sur 3
  7. Une chaîne de Markov à deux étatsDifficulté 2 sur 3
  8. Décorrélées, mais pas indépendantesDifficulté 2 sur 3
  9. Un sondage, et combien de personnes interrogerDifficulté 2 sur 3
3

Interrogation A

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Durée : 1 h — sans document ni calculatrice

3 exercicesnoté sur 20niveau Difficulté 1 sur 3 à Difficulté 2 sur 3la rédaction est évaluée

  1. Questions de cours5 ptsDifficulté 1 sur 3
  2. Deux urnes7 ptsDifficulté 2 sur 3
  3. Une somme de deux jetons8 ptsDifficulté 2 sur 3
4

Interrogation B

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Durée : 1 h — sans document ni calculatrice

3 exercicesnoté sur 20niveau Difficulté 2 sur 3 à Difficulté 3 sur 3la rédaction est évaluée

  1. Questions de cours5 ptsDifficulté 2 sur 3
  2. Boîtes vides7 ptsDifficulté 3 sur 3
  3. Moyenne de nn lancers de dé8 ptsDifficulté 2 sur 3
5

Approfondissement

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Convolution binomiale, records d’une permutation, moments d’ordre supérieur, méthode probabiliste

7 exercicesniveau Difficulté 3 sur 3durée conseillée : 5 hsans calculatrice

  1. La loi binomiale, autrementDifficulté 3 sur 3
  2. Les records d’une permutation aléatoireDifficulté 3 sur 3
  3. Une inégalité de Cauchy-Schwarz pour la covarianceDifficulté 3 sur 3
  4. Un moment d’ordre quatre, et une meilleure concentrationDifficulté 3 sur 3
  5. Marche aléatoire sur un triangleDifficulté 3 sur 3
  6. La méthode probabiliste : une grande coupeDifficulté 3 sur 3
  7. Un mélange binomialDifficulté 3 sur 3
6

DS type concours

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Le graphe aléatoire : arêtes, degrés, triangles et concentration

durée : 4 hnoté sur 20quatre parties enchaînéescalculatrice interdite

7

Planche de colle

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Une question de cours et quatre exercices d’oral indépendants

4 exercicesniveaux Difficulté 1 sur 3, Difficulté 2 sur 3, Difficulté 2 sur 3, Difficulté 3 sur 3environ 20 min chacunsans calculatrice

  1. Trois boules dans une urneDifficulté 1 sur 3
  2. Une pièce truquéeDifficulté 2 sur 3
  3. Les faces qui manquentDifficulté 2 sur 3
  4. Une somme de dés divisible par sixDifficulté 3 sur 3

Prépa · Mathématiques : les 26 chapitres

  1. Logique et raisonnement
  2. Ensembles et applications
  3. Sommes et produits
  4. Inégalités et trigonométrie
  5. Nombres complexes
  6. Fonctions usuelles
  7. Primitives et équations différentielles
  8. Nombres réels et suites numériques
  9. Limites et continuité
  10. Dérivabilité et convexité
  11. Arithmétique des entiers relatifs
  12. Structures algébriques usuelles
  13. Calcul matriciel
  14. Polynômes et fractions rationnelles
  15. Analyse asymptotique
  16. Espaces vectoriels
  17. Dimension et applications linéaires
  18. Matrices et applications linéaires
  19. Groupe symétrique
  20. Déterminants
  21. Intégration
  22. Dénombrement
  23. Probabilités
  24. Espaces préhilbertiens
  25. Séries et familles sommables
  26. Fonctions de deux variables