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Prépa · MPSI / MP2I

Erreurs fréquentes : Variables aléatoires sur un univers fini (Prépa, 1re année)

Une variable aléatoire associe un nombre, ou un objet, au résultat d'une expérience aléatoire. On ne raisonne plus seulement sur des événements isolés : on étudie une loi, puis on la résume par l'espérance et la variance, et on contrôle les écarts à la moyenne par les inégalités de Markov et de Bienaymé-Tchebychev.

Erreur

Écrire $E(XY)=E(X)E(Y)$ sans avoir justifié l'indépendance de $X$ et $Y$.

Ce qu'il faut écrire

Cette égalité équivaut à $\mathrm{Cov}(X,Y)=0$, ce qui est faux en général (dans le couple de la section 3, $\mathrm{Cov}(X,Y)=\frac13$). On ne l'utilise qu'après avoir établi l'indépendance.

Erreur

Croire que $\mathrm{Cov}(X,Y)=0$ entraîne l'indépendance.

Ce qu'il faut écrire

Contre-exemple : $X\sim\mathcal U(\{-1,0,1\})$ et $Y=X^2$ ont une covariance nulle mais $P(X=0,Y=1)=0\neq P(X=0)P(Y=1)$.

Erreur

Écrire $V(X+Y)=V(X)+V(Y)$ dans tous les cas, ou $V(X-Y)=V(X)-V(Y)$.

Ce qu'il faut écrire

En général $V(X\pm Y)=V(X)+V(Y)\pm2\mathrm{Cov}(X,Y)$. Pour $X,Y$ indépendantes, $V(X-Y)=V(X)+V(Y)$ : les variances s'ajoutent toujours, car $V(-Y)=V(Y)$.

Erreur

Écrire $V(aX+b)=aV(X)+b$ ou $\sigma(aX)=a\,\sigma(X)$.

Ce qu'il faut écrire

La constante $b$ ne change pas la dispersion et le facteur sort au carré : $V(aX+b)=a^2V(X)$, $\sigma(aX+b)=|a|\sigma(X)$.

Erreur

Écrire $E(f(X))=f(E(X))$, par exemple $E(X^2)=E(X)^2$ ou $E(\frac1X)=\frac1{E(X)}$.

Ce qu'il faut écrire

C'est faux sauf si $f$ est affine. On calcule $E(f(X))=\sum_xf(x)P(X=x)$ par la formule de transfert. La différence $E(X^2)-E(X)^2$ est justement la variance.

Erreur

Déduire la loi conjointe d'un couple à partir des seules lois marginales, en multipliant les probabilités.

Ce qu'il faut écrire

$P(X=x,Y=y)=P(X=x)P(Y=y)$ n'est vrai que si $X$ et $Y$ sont indépendantes. Sinon, on calcule la loi conjointe à partir de l'expérience (probabilités composées, dénombrement).

Erreur

Penser que des variables indépendantes deux à deux sont mutuellement indépendantes, ou inversement exiger l'indépendance mutuelle pour additionner les variances.

Ce qu'il faut écrire

Indépendance deux à deux n'entraîne pas l'indépendance mutuelle (exemple de $Z=\mathbf 1_{(X=Y)}$). En revanche, pour $V(\sum X_i)=\sum V(X_i)$, l'indépendance deux à deux suffit.

Erreur

Appliquer l'inégalité de Markov à une variable qui prend des valeurs négatives, ou reconnaître une loi binomiale dans un tirage sans remise.

Ce qu'il faut écrire

Markov exige $X\geqslant0$. La loi binomiale exige des épreuves indépendantes de même paramètre : un tirage sans remise ne la donne pas.