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Leçon 2

Espérance et variance de aX + b

Vidéo 2 : Espérance et variance de aX + b · 3 min 24 s · sous-titres en français

Le cours écrit

2.1 Un exemple

Exemple 3 (les bougies de Nadia). Nadia fabrique des bougies et les vend chaque samedi sur un marché. Le nombre XX de bougies vendues suit la loi suivante.

xx 1010 2020 3030
P(X=x)P(X = x) 0,20{,}2 0,50{,}5 0,30{,}3

On trouve E(X)=10×0,2+20×0,5+30×0,3=21E(X) = 10 \times 0{,}2 + 20 \times 0{,}5 + 30 \times 0{,}3 = 21, puis V(X)=0,2×(−11)2+0,5×(−1)2+0,3×92=49V(X) = 0{,}2 \times (-11)^2 + 0{,}5 \times (-1)^2 + 0{,}3 \times 9^2 = 49, et σ(X)=7\sigma(X) = 7. Chaque bougie rapporte 66 euros et l'emplacement coûte 4545 euros : le bénéfice du samedi est B=6X−45B = 6X - 45.

2.2 Espérance de aX + b

Une constante bb est une variable qui ne prend qu'une seule valeur : son espérance vaut bb. Par linéarité :

Propriété. Pour tous réels aa et bb, E(aX+b)=a E(X)+bE(aX + b) = a\,E(X) + b.

Exemple 3 (suite). E(B)=6×21−45=81E(B) = 6 \times 21 - 45 = 81 : le bénéfice moyen est de 8181 euros.

2.3 Variance et écart type de aX + b

Propriété. Pour tous réels aa et bb : V(aX+b)=a2 V(X)etσ(aX+b)=∣a∣ σ(X).V(aX + b) = a^2\,V(X) \qquad \text{et} \qquad \sigma(aX + b) = |a|\,\sigma(X). En particulier, V(aX)=a2 V(X)V(aX) = a^2\,V(X).

Démonstration. Soit Y=aX+bY = aX + b. Ses valeurs sont les yi=a xi+by_i = a\,x_i + b, avec les mêmes probabilités pip_i, et E(Y)=a E(X)+bE(Y) = a\,E(X) + b. Donc yi−E(Y)=(a xi+b)−(a E(X)+b)=a(xi−E(X)).y_i - E(Y) = (a\,x_i + b) - \big(a\,E(X) + b\big) = a\big(x_i - E(X)\big). La constante bb a disparu. En élevant au carré : V(Y)=∑ipi a2(xi−E(X))2=a2∑ipi(xi−E(X))2=a2 V(X).V(Y) = \sum_i p_i\,a^2\big(x_i - E(X)\big)^2 = a^2 \sum_i p_i\big(x_i - E(X)\big)^2 = a^2\,V(X). Enfin, σ(Y)=a2 V(X)=∣a∣ V(X)=∣a∣ σ(X)\sigma(Y) = \sqrt{a^2\,V(X)} = |a|\,\sqrt{V(X)} = |a|\,\sigma(X). ■\blacksquare

Exemple 3 (suite). V(B)=62×49=1 764V(B) = 6^2 \times 49 = 1\,764 et σ(B)=6×7=42\sigma(B) = 6 \times 7 = 42 euros. On peut le vérifier directement : BB prend les valeurs 1515, 7575 et 135135 avec les probabilités 0,20{,}2 ; 0,50{,}5 et 0,30{,}3, d'où E(B)=81E(B) = 81 et V(B)=0,2×662+0,5×62+0,3×542=1 764V(B) = 0{,}2 \times 66^2 + 0{,}5 \times 6^2 + 0{,}3 \times 54^2 = 1\,764.

2.4 Déplacer ou étaler

  • Ajouter une constante déplace le diagramme de la loi sans le déformer : l'espérance change, pas l'écart type. Par exemple, X+30X + 30 a pour espérance 5151 et pour écart type 77.
  • Multiplier par un nombre étale le diagramme : les écarts à l'espérance sont multipliés. Par exemple, 2X2X a pour espérance 4242 et pour écart type 1414.

2.5 Deux pièges

  • La variance n'est pas linéaire. V(2X)=4 V(X)V(2X) = 4\,V(X), et non 2 V(X)2\,V(X). De plus, V(X+b)=V(X)V(X + b) = V(X).
  • Le nombre aa peut être négatif. La variance reste positive ou nulle, grâce au carré, et l'écart type fait intervenir ∣a∣|a|.

Exemple 3 (suite). Nadia apporte 4040 bougies. Il lui en reste R=40−XR = 40 - X le soir, soit a=−1a = -1 et b=40b = 40. Alors E(R)=40−21=19E(R) = 40 - 21 = 19, V(R)=(−1)2×49=49V(R) = (-1)^2 \times 49 = 49 et σ(R)=7\sigma(R) = 7.

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Exercices 3 et 4

  • Exercice 3 : calculer sans la loi
  • Exercice 4 : augmenter les salaires

Exercices du chapitre (PDF, 106 Ko)

Corrigés

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Corrigés du chapitre (PDF, 115 Ko)

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