Vidéo 3 : L'inégalité de concentration · 3 min 25 s · sous-titres en français
Le cours écrit
3.1 Rappels du chapitre 15
Soit X une variable aléatoire d'espérance μ et de variance V. Un échantillon de taille n de sa loi est une liste (X1,…,Xn) de variables indépendantes, de même loi que X. On note Sn=X1+⋯+Xn et Mn=nSn. Alors :
E(Mn)=μ,V(Mn)=nV,σ(Mn)=nσ.
3.2 L'inégalité de concentration
Propriété (inégalité de concentration). Si Mn est la variable aléatoire moyenne d'un échantillon de taille n d'une variable aléatoire d'espérance μ et de variance V, alors pour tout δ>0 :
P(∣Mn−μ∣⩾δ)⩽nδ2V.
Démonstration. On applique l'inégalité de Bienaymé-Tchebychev à la variable Mn, d'espérance μ et de variance nV :
P(∣Mn−μ∣⩾δ)⩽δ2V(Mn)=δ2V/n=nδ2V.
Plus l'échantillon est grand, plus il est improbable que la moyenne s'écarte de μ.
Exemple 6 (des clémentines). La masse X d'une clémentine, en grammes, suit la loi suivante.
x
60
70
80
90
P(X=x)
0,2
0,4
0,3
0,1
On trouve μ=73, V=0,2×169+0,4×9+0,3×49+0,1×289=81 et σ=9.
On pèse 100 clémentines, qui forment un échantillon de cette loi. Avec δ=3 :
P(∣M100−73∣⩾3)⩽100×3281=90081=0,09.
Pour une seule clémentine (n=1), la borne vaudrait 981=9, et elle ne dirait rien.
3.3 Somme ou moyenne
Comme Sn=nMn, les événements ∣Sn−nμ∣⩾nδ et ∣Mn−μ∣⩾δ sont le même événement. Pour une question sur une somme, on se ramène donc à la moyenne.
Exemple 7 (la masse totale).E(S100)=7300, et
P(∣S100−7300∣⩾300)=P(∣M100−73∣⩾3)⩽0,09.
3.4 Le facteur 1/n
Prenons δ=nkσ avec k>0. Alors nδ2V=nσ2×k2σ2n=k21 :
P(∣Mn−μ∣⩾nkσ)⩽k21.
La borne ne dépend plus de n. Pour un même risque, la largeur de l'intervalle autour de μ est proportionnelle à n1 : quand n est multiplié par 4, la largeur est divisée par 2. C'est le facteur 1/n de la théorie de l'estimation, aperçu expérimentalement en classe de Seconde.
Pour les clémentines, avec k=2, la demi-largeur vaut n18 grammes :