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Leçon 5

Linéarité de l'espérance

Vidéo 5 : Linéarité de l'espérance · 4 min 03 s · sous-titres en français

Le cours écrit

5.1 Transformer une variable

Si XX est une variable aléatoire et si aa et bb sont deux réels, aX+baX + b est la variable qui associe à chaque issue ω\omega le nombre a X(ω)+ba\,X(\omega) + b.

Exemple 26. Le stand double tous les lots, puis ajoute 11 euro à chaque joueur : le joueur reçoit S=2X+1S = 2X + 1. Les valeurs de SS sont 11, 1111 et 2121, avec les mêmes probabilités. Donc E(S)=0,6×1+0,2×11+0,2×21=0,6+2,2+4,2=7E(S) = 0{,}6 \times 1 + 0{,}2 \times 11 + 0{,}2 \times 21 = 0{,}6 + 2{,}2 + 4{,}2 = 7. Or 2×3+1=72 \times 3 + 1 = 7 : on pouvait s'en passer.

5.2 La propriété

Propriété (linéarité de l'espérance). Pour tous réels aa et bb : E(aX+b)=a E(X)+b.E(aX + b) = a\,E(X) + b.

Démonstration. Si XX prend les valeurs x1x_1, …, xnx_n avec les probabilités p1p_1, …, pnp_n, alors aX+baX + b prend les valeurs axi+bax_i + b avec les mêmes probabilités. Donc E(aX+b)=p1(ax1+b)+⋯+pn(axn+b)=a(p1x1+⋯+pnxn)+b(p1+⋯+pn).E(aX + b) = p_1(ax_1 + b) + \cdots + p_n(ax_n + b) = a(p_1 x_1 + \cdots + p_n x_n) + b(p_1 + \cdots + p_n). La première parenthèse vaut E(X)E(X), et la seconde vaut 11. Donc E(aX+b)=a E(X)+bE(aX + b) = a\,E(X) + b.

5.3 Calculer sans refaire la loi

Exemple 27. Le gain net G=X−4G = X - 4 a pour espérance E(G)=E(X)−4=3−4=−1E(G) = E(X) - 4 = 3 - 4 = -1 : le joueur perd en moyenne 11 euro par partie.

Exemple 28 (un marchand de glaces). Un marchand vend chaque jour un nombre NN de cornets, avec E(N)=40E(N) = 40. Un cornet rapporte 33 euros et il paie 5050 euros de frais par jour. Sa recette nette est R=3N−50R = 3N - 50, donc E(R)=3×40−50=70E(R) = 3 \times 40 - 50 = 70 euros, sans connaître la loi de NN.

5.4 Ce que la linéarité ne dit pas

Attention. La propriété ne vaut que pour aX+baX + b. En général, E(X2)E(X^2) n'est pas égale à E(X)2E(X)^2. Pour le jeu des enveloppes, X2X^2 prend les valeurs 00, 2525 et 100100, donc E(X2)=0,2×25+0,2×100=25E(X^2) = 0{,}2 \times 25 + 0{,}2 \times 100 = 25, alors que E(X)2=32=9E(X)^2 = 3^2 = 9.

5.5 Somme de deux variables

Propriété (admise). Pour toutes variables aléatoires XX et YY définies sur un même univers : E(X+Y)=E(X)+E(Y).E(X + Y) = E(X) + E(Y).

Aucune hypothèse d'indépendance n'est demandée. Cette propriété sera étudiée en Terminale ; ici, on la voit sur un exemple.

Exemple 29 (les trajets de Nora). Nora, apprentie, va au travail en scooter. On choisit au hasard l'un des cinq jours de sa semaine. On note XX la durée de l'aller et YY celle du retour, en minutes.

Jour lundi mardi mercredi jeudi vendredi
XX 2020 2525 2020 3030 2525
YY 3030 2525 2020 3535 4040
X+YX + Y 5050 5050 4040 6565 6565

Les deux variables sont définies sur le même univers : les cinq jours. On a E(X)=1205=24E(X) = \dfrac{120}{5} = 24 et E(Y)=1505=30E(Y) = \dfrac{150}{5} = 30. La variable X+YX + Y vaut 4040 avec la probabilité 0,20{,}2, 5050 avec la probabilité 0,40{,}4 et 6565 avec la probabilité 0,40{,}4. Donc E(X+Y)=8+20+26=54E(X + Y) = 8 + 20 + 26 = 54, et on a bien 24+30=5424 + 30 = 54.

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Exercices 9 et 10

  • Exercice 9 : sans refaire la loi
  • Exercice 10 : un stand de crêpes

Exercices du chapitre (PDF, 165 Ko)

Corrigés

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Corrigés du chapitre (PDF, 149 Ko)

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