Leçon 1
L'inégalité de Bienaymé-Tchebychev
Le cours écrit
1.1 L'écart type, unité naturelle d'écart
Soit une variable aléatoire d'espérance , de variance et d'écart type . L'écart type mesure la dispersion de autour de : c'est l'unité naturelle pour parler des écarts. Par construction, il est naturel d'observer des écarts de à de l'ordre de , en deçà ou au-delà.
Exemple 1 (une laverie). Dans une laverie automatique, le nombre de machines occupées à midi suit la loi suivante.
On trouve , puis et . Un écart de à l'espérance, de l'ordre de , est tout à fait normal : .
1.2 L'inégalité
Propriété (inégalité de Bienaymé-Tchebychev). Pour une variable aléatoire d'espérance et de variance , et quel que soit le réel strictement positif :
L'événement signifie que tombe loin de : ou .
Elle vaut pour toutes les lois, et il suffit de connaître et . On peut donc l'utiliser sans connaître la loi de .
Exemple 2 (vérification). Dans la laverie, prenons . L'événement est réalisé quand ou , donc . L'inégalité annonce au plus : c'est bien vrai.
Avec , la borne vaut . Elle dépasse : l'inégalité est vraie, mais elle ne dit rien.
1.3 Pourquoi elle est vraie
Cette preuve n'est pas exigible. Elle n'est pas dans la liste des démonstrations du programme, mais elle est courte et elle éclaire le résultat.
On note les valeurs de et leurs probabilités.
- La variance est une somme de termes positifs : .
- On retire tous les termes où : la somme diminue.
- Dans les termes qui restent, .
On divise par , qui est strictement positif.
1.4 Des écarts mesurés en sigma
Prenons , avec (et ). La borne devient :
| Probabilité au plus |
Pour , la borne ne dit rien : un écart de l'ordre de n'a rien d'étonnant. En revanche, des écarts de quelques deviennent improbables.
Exemple 3 (la piscine). Une piscine municipale accueille chaque mercredi un nombre de nageurs, d'espérance et d'écart type . On ne connaît pas la loi de . Une journée à nageurs ou plus est-elle rare ?
On a , et . Si , alors . Donc
1.5 Un peu d'histoire
Le mathématicien français Bienaymé (en 1853, publication en 1867) et le mathématicien russe Tchebychev (en 1867) démontrent l'inégalité qui porte leur nom, en parlant de fréquences d'échantillons plutôt que de variables aléatoires.
Exercices 1 et 2
- Exercice 1 : le standard de la mairie
- Exercice 2 : les bornes de recharge
Corrigés
Cherche d'abord les exercices sur ta feuille, puis compare avec le corrigé détaillé.