L'ensemble des issues d'une expérience aléatoire est appelé univers. En général on le note $\Omega$, et les issues sont les éléments de l'ensemble $\Omega$,
on les note souvent $e_1$, $e_2$,..., $e_n$.
$\Omega=\{e_1;e_2;...;e_n\}$.
Un événement est une sous-ensemble de $\Omega$. Un événement elémentaire est un événement qui ne contient qu'un seul élément de $\omega$.
L'événement "A et B" correspond au sous-ensemble $A\cap B$ de $\Omega$.
L'événement "A ou B" correspond au sous-ensemble $A\cup B$ de $\Omega$.
L'événement "contraire de A" correspond au sous-ensemble $\overline{A}$ de $\Omega$.
Deux événements sont incompatibles si $A\cap B=\emptyset$.
Loi de probabilité.
Soit $\Omega=\{e_1;e_2;...;e_n\}$ un univers.
Définir une loi de probabilité $p$ sur $\Omega$, c'est associer à chaque événement élémentaire $e_i$ un nombre $p_i=p(e_i)$ tels que :
$0\leq p_i\leq 1$ et $p_1+p_2+...+p_n=1$.
Chaque nombre réel $p_i$ est appelé probabilité de l'événement $e_i$.
Une loi de probabilité est équirépartie si $p_1=p_2=...=p_n=\dfrac{1}{n}$.
Calculs de probabilité.
Définition.
Soit un univers $\Omega$ muni d'une loi de probabilité $p$.
La probabilité d'un événement $A$ que l'on note $P(A)$ est la somme des probabilités de tous les événements élémentaires inclus dans $A$.
Deux événements $A$ et $B$ sont équiprobables si $P(A)=P(B)$.
Notation: soit $E$ un ensemble fini, on note $Card(E)$ le nombre d'éléments contenus dans $E$.
Propriété.
Soit $\Omega$ un univers de cardinal fini muni d'une loi équirépartie $p$, et soit $A$ un événement de $\Omega$, alors on a:
$P(A)=\dfrac{Card(A)}{Card(\Omega)}=\dfrac{nombre~~d'elements~~de~~A}{nombre~~d'elements~~de~~\Omega}$.
On a en particulier,
$P(\Omega)=1$ et $P(\emptyset)=0$.
Théorème.
Soit $\Omega$ un univers muni d'une loi de probabilité $p$, et soit $A$ et $B$ deux événements de $\Omega$, alors on a:
Si $A\cap B=\emptyset$ alors $P(A\cup B)=P(A)+P(B)$.
Si $A\cap B\not=\emptyset$ alors $P(A\cup B)=P(A)+P(B)-P(A\cap B)$.}
$P(\overline{A})=1-P(A)$.
Soit $\Omega$ un univers muni d'une loi de probabilité $p$, et soit $A$ et $B$ deux événements de $\Omega$.
Supposons que $A\cap B=\emptyset$, donc $A$ et $B$ n'ont aucun événement élémentaire commun.
$P(A\cup B)=\sum_{e\in A\cup B}P(\{e\})=\sum_{e\in A}P(\{e\})+\sum_{e\in B}P(\{e\})=P(A)+P(B)$.
Cas général, si $A\cap B\not=\emptyset$.
Nous savons que $P(A\cup B)=\sum_{e\in A\cup B}P(\{e\})$. Quand on éffectue la somme $\sum_{e\in A}P(\{e\})+\sum_{e\in B}P(\{e\})$, tous les nombres $P(\{e\})$ avec $e\in A\cap B$ vont être compter deux fois.
Donc $P(A\cup B)=P(A)+P(B)-P(A\cap B)$.
On remarque que $\Omega=A\cup \bar{A}$ et $A\cap\bar{A}=\emptyset$.
Donc d'après la premiére relation on a: $1=P(\Omega)=P(A)+P(\bar{A})$.
Donc $P(\overline{A})=1-P(A)$.
Variables aléatoires.
Définition.
Soit $\Omega$ un univers, toute fonction $X$ définie sur $\Omega$ et à valeur dans $\mathbb{R}$, est appelée une variable aléatoire.
$X:\Omega\longmapsto\mathbb{R}$.
Exemple.
Lançons simultanément deux dés. Considérons La variable aléatoire $X$ qui donne la somme des nombres indiqués sur les deux dés.
On peut utiliser un algorithme pour simuler cette petite expérience aléatoire.
Ici $X$ prend les valeurs $\{2;3;4;5;6;7;8;9;10;11;12\}$.
La fonction python randint(1,6) permet de simuler un dé.
Loi de probabilité d'une variable aléatoire.
Soit $X$ une variable aléatoire définie sur l'univers $\Omega$, Notons $I$ l'ensemble des valeurs de $X$, $I=\{x_1;x_2;...;x_m\}$.
Considérons l'événement "X prend la valeur $x_i$", que l'on note $(X=x_i)$.
A chaque événement $(X=x_i)$ on associe le nombre $p(X=x_i)$, c'est à dire la probabilité que $X$ prenne la valeur $x_i$.
La loi de probabilité de $X$ est la suite des nombres:
$p(X=x_1);p(X=x_2);...,p(X=x_m)\}$.
Exemple
Un jeu consiste à lancer deux fois de suites une pièces de monnaie. On gagne $5$ euros à chaque fois que la pièce tombe sur pile et on perd 2 euros chaque fois que la pièce tombe sur face.
On note $X$ la variable aléatoire qui, à chaque partie associe le gain.
Quelles sont les valeurs prises par $X$?
Déterminer la loi de probabilité de la variable aléatoire $X$.
En déduire $P(X\leq 3)$ et $P(X>3)$.
L'ensemble des issues de cet univers est $\Omega=\{(p;p);(p,f);(f;f);(f;p)\}$.
$V(X)=\Sigma_{i=1}^{i=n}\bigg(p_i\times x_i^2\bigg)-E(X)^2$.
On peut aussi noter cela:
$V(X)=E(X^2)-(E(X))^2$.
$V(X)=(x_1-E(X))^2\times p(X=x_1)+(x_2-E(X))^2\times p(X=x_2)+...+(x_m-E(X))^2\times p(X=x_m)$
$=\sum_{j=1}^{n} (x_j-E(X))^2\times P(X=x_j)$ $=\sum_{j=1}^{n} (x_j^2-2x_jE(X)+E(X)^2)\times P(X=x_j)$
$=\sum_{j=1}^{n} (x_j^2-2x_jE(X)+E(X)^2)\times P(X=x_j)$
$=\sum_{j=1}^{n} x_j^2\times P(X=x_j)-2E(X)\times\bigg(\sum_{j=1}^{n} x_j\times P(X=x_j)\bigg)+E(X)^2\times\bigg(\sum_{j=1}^{n} P(X=x_j)\bigg)$. Or on sait que, $\sum_{j=1}^{n} P(X=x_j)=1$, donc nous avons:
$V(X)=\sum_{j=1}^{n} x_j^2\times P(X=x_j)-2E(X)\times E(X)+E(X)^2$ $=\sum_{j=1}^{n} x_j^2\times P(X=x_j)-E(X)^2$.
Le nombre $\sum_{j=1}^{n} x_j^2\times P(X=x_j)$ représente l'espérance mathématiques de la variables aléatoires $X^2$.
Nous pouvons donc écrire $\sum_{j=1}^{n} x_j^2\times P(X=x_j)=E(X^2)$. donc nous avons $V(X)=E(X^2)-(E(X))^2$.
Espérance de aX+b et variance de aX.
Définition.
Soit $\Omega$ un univers et $X:\Omega\longmapsto\mathbb{R}.$ une variable aléatoire sur cet univers.
On note $aX+b$, avec $a\in\mathbb{R}$ et $b\in\mathbb{R}$, la variable aléatoire qui a chaque événement $\omega$ de $\Omega$ associe le réel $a\times X(\omega)+b$.
Notons $x_1$;...;$x_n$, les valeurs prises par la variables aléatoire $X$, alors $aX+b$ prend les valeurs $ax_1+b$; $ax_2+b$;...; $ax_n+b$.
Nous avons $E(aX+b)=\sum_{j=1}^n (ax_j+b)\times P(aX=ax_j)$.
Or $aX+b=ax_i+b$ $\Leftrightarrow$ $X=x_i$ pour tout $i\in\{1;...;n\}$, donc nous avons $P(aX+b=ax_j+b)=P(X=x_j)$.
Donc nous avons $E(aX+b)=\sum_{j=1}^n (ax_j+b)\times P(aX+b=ax_j+b)$ $=a\times\bigg(\sum_{j=1}^n x_j\times P(X=x_j)\bigg)+b\times\bigg(\sum_{j=1}^n P(X=x_j)\bigg)$ $=a\times E(X)+b$.
Notons $x_1$;...;$x_n$, les valeurs prises par la variables aléatoire $X$, alors $aX$ prend les valeurs $ax_1$; $ax_2$;...; $ax_n$ et nous savons que
$P(aX=ax_j)=P(X=x_j)$.
$V(aX)=\sum_{j=1}^n (ax_j-E(aX))^2\times p(aX=ax_j)$ $=\sum_{j=1}^n [a(x_j-E(X))]^2\times p(X=x_j)$ $=\sum_{j=1}^n a^2(x_j-E(X))^2\times p(X=x_j)$
$=a^2\times\bigg(\sum_{j=1}^n (x_j-E(X))^2\times p(X=x_j)\bigg)$ $=a^2V(X)$.
Proposition.
Soit $X$ une variable aléatoire sur un univers $\Omega$, pour tout $a\in\mathbb{R}$ et $b\in\mathbb{R}$ on a: