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Mathématiques · Classes prépa (CPGE) — 1ère année — ECS

Couples de variables aléatoires discrètes

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Soit $(\Omega, \mathcal{P}(\Omega), P)$ un espace probabilisé. Un couple de variables aléatoires discrètes est une application $X \times Y : \Omega \to \mathbb{R}^2$.

  • Loi conjointe : Définie par $P(X=x_i, Y=y_j)$ pour tout $(x_i, y_j) \in X(\Omega) \times Y(\Omega)$.
  • Lois marginales : $P(X=x_i) = \sum_{j} P(X=x_i, Y=y_j)$ et $P(Y=y_j) = \sum_{i} P(X=x_i, Y=y_j)$.
  • Indépendance : $X$ et $Y$ sont indépendantes si $\forall (i, j), P(X=x_i, Y=y_j) = P(X=x_i)P(Y=y_j)$.
  • Covariance : $Cov(X, Y) = E(XY) - E(X)E(Y)$.
  • Coefficient de corrélation : $\rho(X, Y) = \frac{Cov(X, Y)}{\sigma(X)\sigma(Y)}$.

Méthodes à maîtriser

  1. Construction du tableau de loi conjointe : Toujours vérifier que la somme des probabilités est égale à 1.
  2. Calcul des lois marginales : Sommer les lignes pour $X$ et les colonnes pour $Y$.
  3. Vérification de l'indépendance : Comparer $P(X=x_i, Y=y_j)$ avec le produit $P(X=x_i) \times P(Y=y_j)$ pour tous les couples.
  4. Linéarité de l'espérance : $E(aX + bY) = aE(X) + bE(Y)$.

Exemples corrigés

Soit $X, Y$ deux variables avec $P(X=0, Y=0)=0.2, P(X=0, Y=1)=0.3, P(X=1, Y=0)=0.1, P(X=1, Y=1)=0.4$.

  • $P(X=0) = 0.2 + 0.3 = 0.5$.
  • $E(XY) = \sum x_i y_j P(X=x_i, Y=y_j) = 0\cdot0\cdot0.2 + 0\cdot1\cdot0.3 + 1\cdot0\cdot0.1 + 1\cdot1\cdot0.4 = 0.4$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier que $E(XY) = E(X)E(Y)$ n'est vrai que si $X$ et $Y$ sont indépendantes.
  • Confondre loi conjointe et lois marginales.
  • Ne pas vérifier la condition $\sum P = 1$ avant de commencer les calculs.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Couples de variables aléatoires discrètes

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Si $X$ et $Y$ sont indépendantes, alors $Cov(X, Y)$ est :

❓ Questions fréquentes

Est-ce que le support d'un couple est toujours un produit cartésien ?

Non, le support est l'ensemble des couples $(x_i, y_j)$ tels que $P(X=x_i, Y=y_j) > 0$. Il peut être plus petit que le produit cartésien $X(\Omega) \times Y(\Omega)$.

💡 À retenir : Regarde bien les cases où la probabilité est nulle.

kifach n7seb l'espérance conditionnelle E(X|Y=y) ?
  1. Calcule la loi conditionnelle $P(X=x|Y=y) = \frac{P(X=x, Y=y)}{P(Y=y)}$.
  2. Applique la formule de l'espérance : $E(X|Y=y) = \sum x \cdot P(X=x|Y=y)$.

💡 À retenir : Il faut que $P(Y=y) > 0$.

La covariance peut-elle être négative ?

Oui, une covariance négative signifie que quand $X$ augmente, $Y$ a tendance à diminuer.

💡 À retenir : Le signe de la covariance indique le sens de la corrélation.

Qu'est-ce qu'une loi conjointe ?

C'est la donnée de toutes les probabilités $P(X=x_i, Y=y_j)$ pour tous les couples possibles de valeurs prises par $X$ et $Y$. On la présente souvent sous forme d'un tableau à double entrée.

💡 À retenir : La somme de toutes les cases du tableau doit impérativement être égale à 1.

kifach n3ref wach X o Y indépendants ?
  1. Calcule les lois marginales $P(X=x_i)$ et $P(Y=y_j)$.
  2. Vérifie si pour chaque case du tableau, $P(X=x_i, Y=y_j) = P(X=x_i) \times P(Y=y_j)$.
  3. Si ça marche pour TOUTES les cases, alors ils sont indépendants.

💡 À retenir : Il suffit d'un seul contre-exemple pour dire qu'ils ne sont pas indépendants.

Est-ce que Cov(X, X) = Var(X) ?

Oui, tout à fait. D'après la formule, $Cov(X, X) = E(X^2) - E(X)E(X) = E(X^2) - (E(X))^2$, ce qui est exactement la définition de la variance $V(X)$.

💡 À retenir : La covariance d'une variable avec elle-même est sa variance.

chnou l'far9 bin covariance o coefficient de corrélation ?

La covariance mesure la dépendance linéaire mais dépend de l'unité de mesure. Le coefficient de corrélation est une version normalisée (entre -1 et 1) qui ne dépend pas des unités.

💡 À retenir : $\rho$ est sans dimension, contrairement à la covariance.

Comment calculer E(XY) ?

On utilise la formule : $E(XY) = \sum_{i} \sum_{j} x_i y_j P(X=x_i, Y=y_j)$.

  1. Multiplie chaque valeur $x_i$ par $y_j$.
  2. Multiplie ce résultat par la probabilité correspondante dans la case du tableau.
  3. Fais la somme de tous ces produits.

💡 À retenir : Ne pas oublier les valeurs nulles qui annulent certains termes.

wach l'espérance dyal X+Y hiya dima E(X) + E(Y) ?

Oui, toujours ! C'est la propriété de linéarité de l'espérance. Elle est vraie même si $X$ et $Y$ ne sont pas indépendantes.

💡 À retenir : La linéarité est universelle, contrairement à la variance qui nécessite l'indépendance pour $V(X+Y) = V(X) + V(Y)$.

Que signifie rho = 0 ?

Cela signifie que les variables ne sont pas corrélées linéairement. Attention : cela ne veut pas dire qu'elles sont indépendantes (sauf dans le cas du couple gaussien, mais c'est hors programme ici).

💡 À retenir : Non corrélé $\neq$ Indépendant.

Comment calculer la loi marginale de X ?

Pour chaque valeur $x_i$ de $X$, tu additionnes toutes les probabilités de la ligne correspondante dans le tableau de la loi conjointe.

💡 À retenir : La somme des probabilités marginales de $X$ doit valoir 1.

Si X et Y sont indépendantes, V(X-Y) est égal à quoi ?

Si $X$ et $Y$ sont indépendantes, alors $V(X-Y) = V(X) + (-1)^2 V(Y) = V(X) + V(Y)$.

💡 À retenir : La variance d'une somme ou d'une différence de variables indépendantes est toujours la somme des variances.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Soit $(X, Y)$ un couple de variables aléatoires dont la loi conjointe est donnée par : $P(X=0, Y=0) = 0.1$, $P(X=0, Y=1) = 0.2$, $P(X=1, Y=0) = 0.3$, $P(X=1, Y=1) = 0.4$.

  1. Déterminer les lois marginales de $X$ et $Y$.
  2. Calculer $E(X)$ et $E(Y)$.
  3. $X$ et $Y$ sont-elles indépendantes ?
Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 2

Soit $X$ et $Y$ deux variables aléatoires indépendantes suivant la loi de Bernoulli de paramètre $p=0.5$.

  1. Déterminer la loi conjointe du couple $(X, Y)$.
  2. Calculer $Cov(X, Y)$.
  3. Calculer $V(X+Y)$.
Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 3

Un sac contient 3 boules numérotées {1, 2, 3}. On tire deux boules simultanément. $X$ est le numéro de la plus petite boule, $Y$ le numéro de la plus grande.

  1. Donner la loi conjointe du couple $(X, Y)$.
  2. Calculer $E(XY)$.
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