Mathématiques universitaires — Licence 3 · Bachelor Year 3
22Probabilités : fondements et loi des grands nombres
L’année 2 a construit les probabilités sur les espaces dénombrables ; la théorie de la mesure lève maintenant toute restriction. Un espace probabilisé est un espace mesuré de masse totale , les variables aléatoires sont des applications mesurables, l’espérance est l’intégrale de Lebesgue — et d’un coup tout l’arsenal analytique (Chapitres 9, 10 et 11) s’applique au hasard. Ce chapitre installe le dictionnaire, construit des suites infinies de variables aléatoires indépendantes (sur , à partir des chiffres binaires : le hasard se cache dans la mesure de Lebesgue), prouve les lemmes de Borel–Cantelli et la loi du zéro-un de Kolmogorov, met de l’ordre dans les modes de convergence, et prouve la loi des grands nombres — le théorème qui fait converger les fréquences vers les probabilités et rend la statistique possible. Le problème de week-end donne la preuve d’Etemadi de la loi forte sous sa forme définitive.
22.1 Le dictionnaire
Définition 22.1
Un espace probabilisé est un espace mesuré avec ; les éléments de sont les événements, et une propriété vaut presque sûrement (p.s.) si son événement a pour probabilité . Une variable aléatoire est une application mesurable (ou : un vecteur aléatoire) ; sa loi est la mesure de probabilité image sur (Exercice 11.9), déterminée par la fonction de répartition (Exercice 9.3). a une densité si ; elle est discrète si est une combinaison dénombrable de masses de Dirac. L’espérance est
et le théorème de transfert (Exercice 11.9) la calcule dans la loi : — dans le cas discret, dans le cas à densité : les formules de l’année 2, désormais théorèmes d’une seule théorie. La variance est pour .
Exemple 22.2
Les lois standard et leurs transformées d’intérêt : Bernoulli , binomiale , géométrique, Poisson (discrètes : les tables de l’année 2 restent valides) ; uniforme sur (la mesure de Lebesgue elle-même) ; exponentielle (densité ) ; la gaussienne de densité — une densité de probabilité par le Problème 10.1, d’espérance et de variance (moments gaussiens, Exercice 11.10).
Proposition 22.3 (Markov et Bienaymé–Tchebychev)
Pour et : ; pour : .
Démonstration. Exercice 10.5(a) ; Bienaymé–Tchebychev est Markov appliqué à . ∎
22.2 Indépendance
Définition 22.4
Des sous--algèbres sont indépendantes si pour tous ; des événements sont indépendants si les -algèbres le sont ; des variables aléatoires si les -algèbres le sont. Une famille infinie est indépendante si toute sous-famille finie l’est.
Théorème 22.5
sont indépendantes ssi la loi du vecteur est la mesure produit . Dans ce cas, pour (ou telles que les produits soient intégrables) :
en particulier et pour des variables indépendantes.
Démonstration. Si les sont indépendantes, les deux mesures de probabilité et coïncident sur tous les produits d’ensembles boréliens — un -système engendrant (Proposition 11.2(b)) — donc partout (Théorème 9.7). Réciproquement, une loi produit factorise tous les événements : indépendance. La formule d’espérance est alors Tonelli/Fubini (Théorème 11.5) via le théorème de transfert ; est le cas , et développer le carré donne l’additivité des variances (termes croisés ). ∎
Théorème 22.6 (Existence de suites indépendantes)
Sur il existe une suite de variables aléatoires indépendantes, chacune uniforme sur . Par conséquent, pour toute suite de lois prescrites sur il existe des indépendantes avec .
Démonstration. Chiffres. Pour , soit ses chiffres binaires ( ; choisir le développement ne se terminant pas par des — l’ambiguïté ne concerne qu’un ensemble dénombrable, donc négligeable). Chaque est une variable aléatoire ( est une union finie d’intervalles dyadiques) et le vecteur prend chaque valeur de sur un intervalle dyadique de longueur : les sont des Bernoulli indépendantes.
Regroupement. Scinder en une infinité d’ensembles infinis disjoints (p.ex. par puissances de premiers, ou diagonales) ; soit une énumération de et poser
Chaque est uniforme : ses chiffres binaires sont des bits équitables indépendants, donc pour tout intervalle dyadique, et les intervalles dyadiques déterminent la loi (Théorème 9.7). Les sont indépendantes : elles sont fonctions de blocs disjoints de la famille indépendante — formellement, les événements pour dyadiques dépendent d’un nombre fini de chiffres de ensembles disjoints, et se factorisent ; l’argument de -système monte à tous les boréliens.
Lois arbitraires. Soit (la fonction quantile de la fonction de répartition ) ; l’équivalence clé (continuité à droite de , monotonie) montre que est mesurable avec : loi ; l’indépendance est héritée (fonctions de variables indépendantes, Exercice 22.3). ∎
Exemple 22.7 (Le problème des anniversaires, honnêtement)
Parmi personnes d’anniversaires indépendants, uniformes sur jours, la probabilité que tous les anniversaires diffèrent est
par conditionnement itéré (ou directement : les favorables sur le total , un argument de comptage que la formule produit de l’indépendance rend rigoureux). En prenant les logarithmes et en utilisant :
Le point de bascule se situe en : pour , (). Deux morales. Premièrement, les collisions parmi items dans boîtes apparaissent à l’échelle , non — l’échelle des anniversaires qui gouverne les collisions de hachage et le coût des attaques d’anniversaire en cryptographie. Deuxièmement, le calcul est un modèle : les événements de collision par paires ne sont pas indépendants, et pourtant la réponse se comporte comme s’ils l’étaient ( est exactement l’heuristique des paires indépendantes) — une première instance de l’approximation de Poisson rendue rigoureuse dans le problème de week-end du Chapitre 23 (inégalité de Le Cam).
22.3 Borel–Cantelli et la loi du zéro-un
Théorème 22.8 (Borel–Cantelli)
Soient des événements et (« se produit infiniment souvent »).
- Si , alors .
- Si et les sont indépendants, alors .
Démonstration. (1) est l’Exercice 9.4. (2) : pour , l’indépendance des complémentaires (Exercice 22.3) donne
( ; la série diverge). Donc pour tout , et l’intersection décroissante en a encore pour probabilité (continuité par le haut, Proposition 9.6). ∎
Théorème 22.9 (Loi du zéro-un de Kolmogorov)
Soient indépendantes et la -algèbre de queue (événements insensibles à tout nombre fini des : convergence de , de , valeurs des , …). Alors tout a .
Démonstration. Fixons . Les -algèbres et sont indépendantes : les événements dépendant de blocs disjoints se factorisent sur les -systèmes générateurs (cylindres , resp. conditions finies sur les variables ultérieures), et Dynkin (Théorème 9.4, appliqué deux fois, un côté à la fois) étend la factorisation. Un événement de queue est dans pour tout : est indépendant de toute , donc de la -algèbre qu’elles engendrent, (Dynkin encore : l’union des est un -système l’engendrant). Mais aussi : est indépendant de lui-même, : . ∎
22.4 Modes de convergence
Définition 22.10
presque sûrement si ; en probabilité si pour tout ; en si .
Proposition 22.11
(a) la convergence p.s. implique la convergence en probabilité ; (b) la convergence implique la convergence en probabilité ; (c) la convergence en probabilité implique la convergence p.s. le long d’une sous-suite ; (d) aucune autre implication ne vaut en général.
Démonstration. (a) sous convergence p.s. (continuité par le haut ; l’événement limsup exclut la convergence). (b) Markov : . (c) Choisir avec ; Borel–Cantelli (1) force éventuellement, p.s. (d) La machine à écrire (Exercice 12.3) sur converge en et en probabilité mais nulle part point par point ; p.s. mais pas en ; détails et les contre-exemples restants dans l’Exercice 22.6. ∎
22.5 La loi des grands nombres
Tout au long, sont indépendantes de même loi (i.i.d.), .
Théorème 22.12 (Loi faible des grands nombres)
Si , avec :
en probabilité (et en ).
Démonstration. et (Théorème 22.5) ; Bienaymé–Tchebychev. ∎
Théorème 22.13 (Loi forte des grands nombres)
Si , alors
Nous la prouvons ici sous l’hypothèse plus forte ; le cas général ( : preuve d’Etemadi) est le problème de week-end.
Preuve sous . Centrage (), on suppose . Développer :
car l’indépendance et le centrage tuent tout terme contenant un facteur isolé ( sauf si les indices s’apparient : les seuls survivants sont les termes et les termes à deux paires distinctes). Markov :
sommable : Borel–Cantelli (1) donne, pour chaque rationnel, que éventuellement, p.s. ; en intersectant sur (dénombrablement beaucoup d’événements de probabilité ) : p.s. ∎
Exemple 22.14 (Ce que la loi forte achète)
(a) Fréquences : pour des piles ou faces i.i.d., la fréquence observée de faces converge p.s. vers — la justification empirique de la probabilité elle-même. (b) Monte-Carlo : pour et i.i.d. uniformes (Théorème 22.6), p.s. : intégrales par échantillonnage, en toute dimension, au taux indépendant de la dimension précisé au Chapitre 23. (c) Nombres normaux : presque tout nombre réel a, dans son développement binaire, une fréquence asymptotique de uns (appliquer la loi forte aux variables chiffres du Théorème 22.6) — le théorème de Borel, un énoncé sur les nombres de tous les jours prouvé par la mesure : le Problème 22.1 le complète dans toutes les bases.
Méthode 22.15
L’ordre de travail pour les énoncés asymptotiques sur les suites aléatoires : (1) L’événement est-il un événement de queue ? Alors sa probabilité vaut ou (Théorème 22.9) et il ne reste qu’à décider laquelle. (2) Pour prouver des énoncés p.s. : Borel–Cantelli — probabilités sommables pour les « mauvais » événements, via des bornes de type Markov/Bienaymé–Tchebychev sur les moments existants ; l’indépendance n’est nécessaire que pour la direction réciproque. (3) Sous-suite + sandwich : prouver la convergence le long d’une sous-suite maniable, contrôler l’oscillation entre les deux par monotonie ou inégalités maximales — le squelette de la preuve d’Etemadi. (4) Pour les limites en loi, attendre le Chapitre 23.
22.6 Exercices
Exercice 22.1 ★
(a) Soit de fonction de répartition continue strictement croissante. Montrer que est uniforme sur , et que pour uniforme, : simulation par inversion. (b) Calculer la fonction de répartition et la densité de pour uniforme sur , et de pour uniforme sur .
Solution
Solution de Exercice 22.1.
(a) Pour : (continuité et stricte monotonie font de une bijection sur avec ) : est uniforme. Réciproquement : pour simuler une loi, appliquer la fonction de répartition inverse à un échantillon uniforme.
(b) , uniforme sur : pour , : densité . Et : l’exponentielle — l’inversion en action.
Exercice 22.2 ★
(a) Calculer moyenne et variance des lois de Poisson et géométrique via le théorème de transfert. (b) Montrer qu’une variable aléatoire positive avec pour tout satisfait la propriété sans mémoire pour tous ssi est exponentielle. (La fonction de survie satisfait l’équation fonctionnelle de Cauchy ; la monotonie remplace la continuité.)
Solution
Solution de Exercice 22.2.
(a) Poisson : , , donc . Géométrique () : , (dériver deux fois la série géométrique).
(b) est décroissante avec ; l’absence de mémoire se lit . Alors et : pour rationnel ; en écrivant ( : forcerait , impossible pour une variable finie ; est exclu par hypothèse) et en encadrant un arbitraire entre des rationnels (monotonie) : — la loi exponentielle. La réciproque est un calcul.
Exercice 22.3 ★★
(a) Montrer que si sont indépendantes et des fonctions boréliennes, les sont indépendantes. (b) Montrer que des événements sont indépendants ssi leurs complémentaires le sont, ssi les indicateurs sont des variables aléatoires indépendantes. (c) (Deux à deux est plus faible) Deux pièces équitables : la première est face, la seconde est face, les deux coïncident. Montrer que sont deux à deux indépendants mais non indépendants.
Solution
Solution de Exercice 22.3.
(a) ( borélienne), et des sous--algèbres de -algèbres indépendantes sont indépendantes (l’identité définissante vaut a fortiori).
(b) : les trois énoncés affirment l’indépendance des mêmes -algèbres. (Que la factorisation sur les se propage aux complémentaires est l’argument de -système dans l’équivalence de la Définition 22.4 — ou l’inclusion-exclusion directe.)
(c) ; par paires : chaque intersection est « deux faces » ou analogue, de probabilité : deux à deux indépendants. Mais : non indépendants — est déterminé par et .
Exercice 22.4 ★★
(a) (Singe infini) Une suite i.i.d. de frappes uniformes sur un alphabet fini contient p.s. tout texte fini infiniment souvent : le prouver avec Borel–Cantelli (2) sur des blocs disjoints. (b) (Séries) Pour des bits équitables i.i.d., soit la longueur de la série de uns commençant en position . Montrer que p.s. un nombre fini de fois, et infiniment souvent (les deux moitiés de Borel–Cantelli ; pour la seconde, passer à des blocs disjoints pour gagner l’indépendance) : la plus longue série dans les premiers chiffres croît comme .
Solution
Solution de Exercice 22.4.
(a) Soit le texte de longueur et ( la taille de l’alphabet). Les événements {positions épellent } sont indépendants (blocs disjoints de lettres i.i.d.), chacun de probabilité : , et Borel–Cantelli (2) donne infiniment beaucoup d’occurrences p.s.
(b) Haut : , sommable : par Borel–Cantelli (1), p.s. seulement un nombre fini de tels . Bas : empaqueter des blocs disjoints — le -ème de longueur commençant en ; les événements « le bloc est tout en uns » sont indépendants de probabilité , dont la somme diverge : Borel–Cantelli (2) donne infiniment beaucoup de blocs tout-uns, c’est-à-dire infiniment souvent. Ensemble : la longueur maximale de série dans les premiers chiffres est p.s.
Exercice 22.5 ★★
Soit indépendantes. (a) Montrer que le rayon de convergence de est une constante p.s. (éventuellement ou ). (b) Montrer que et . (c) Donner un événement sur qui n’est pas un événement de queue, et vérifier que la loi du zéro-un peut échouer pour lui.
Solution
Solution de Exercice 22.5.
(a) est inchangé si on modifie un nombre fini de : pour tout , est -mesurable, c’est-à-dire mesurable pour la queue. Alors chaque événement a pour probabilité ou (Théorème 22.9), donc la fonction de répartition de ne prend que les valeurs : elle saute en un seul point , et p.s.
(b) La convergence de et de sont insensibles au changement d’un nombre fini de termes (pour la seconde : les termes modifiés contribuent ) : événements de queue ; loi du zéro-un.
(c) dépend de : pour des signes i.i.d. (), sa probabilité est — pas de contradiction, ce n’est pas un événement de queue.
Exercice 22.6 ★★
Sur , exhiber — avec preuves — des variables aléatoires telles que : (a) en probabilité et dans tout , mais nulle part p.s. ; (b) p.s. mais dans aucun ; (c) en mais pas en ; (d) et montrer : si en probabilité et , alors en (sous-suites + convergence dominée + le truc de la sous-sous-suite).
Solution
Solution de Exercice 22.6.
On travaille sur . (a) La machine à écrire (Exercice 12.3) : (tous ), donc aussi en probabilité ; en tout les valeurs et reviennent toutes deux : pas de convergence point par point nulle part. (b) hors de , mais . (c) : , . (d) De toute sous-suite extraire (convergence en probabilité) une sous-suite ultérieure convergeant p.s. (Proposition 22.11(c)) ; la convergence dominée donne la convergence le long d’elle, avec la même limite . Ainsi toute sous-suite de la suite numérique a une sous-sous-suite tendant vers : la suite entière tend vers .
Exercice 22.7 ★★
Un sondage estime une proportion inconnue par la fréquence empirique de tirages indépendants. (a) Bienaymé–Tchebychev : montrer (utiliser ). (b) Combien de tirages garantissent une erreur avec probabilité par cette borne ? (La vraie réponse, via le Chapitre 23, est environ : Bienaymé–Tchebychev est honnête mais grossier.)
Solution
Solution de Exercice 22.7.
(a) avec binomiale : , et Bienaymé–Tchebychev (Proposition 22.3) donne la borne. (b) Résoudre : . Le théorème central limite justifiera pour la même garantie : Bienaymé–Tchebychev paie sa généralité d’un facteur .
Exercice 22.8 ★★★
(Bernstein) Pour définir le polynôme de Bernstein . (a) Reconnaître pour binomiale . (b) Prouver uniformément sur : scinder sur et son complémentaire, en utilisant la continuité uniforme et Bienaymé–Tchebychev avec la borne uniforme . (c) Conclure : une seconde preuve, probabiliste, du théorème d’approximation de Weierstrass (Corollaire 7.16), avec le taux explicite pour le module de continuité — prouver au moins la forme .
Solution
Solution de Exercice 22.8.
(a) Si , le théorème de transfert donne .
(b)–(c) Soit le module de continuité (, et par enchaînement d’étapes). Alors, pour tout ,
(si , clair ; sinon ). Prendre les espérances en :
avec : (continuité uniforme sur le compact) : un théorème de Weierstrass probabiliste, avec un taux explicite et uniforme.
Exercice 22.9 ★★★
(Collectionneur de coupons) Des cartes de types sont tirées uniformément avec remise ; soit le nombre de tirages jusqu’à ce que tous les types soient vus. (a) Écrire avec géométrique de paramètre , les indépendantes, et en déduire ( le nombre harmonique) et . (b) Bienaymé–Tchebychev : en probabilité. (c) Affiner avec Borel–Cantelli : montrer directement pour (borne d’union sur l’événement qu’un type est manqué après tirages, via ), et en déduire que le long de , p.s. éventuellement, pour tout .
Solution
Solution de Exercice 22.9.
(a) Après types collectés, chaque tirage est nouveau avec probabilité : est géométrique , et les sont indépendantes (les tirages le sont). Sommes : ; .
(b) Bienaymé–Tchebychev : , et : en probabilité.
(c) Borne d’union : signifie qu’un type est non vu après tirages, donc ; en : . Pour , : Borel–Cantelli donne, le long de , p.s. éventuellement — en particulier pour tout comme énoncé (tout fonctionne le long de la sous-suite).
Exercice 22.10 ★★
En utilisant la construction par chiffres (Théorème 22.6) : (a) vérifier par calcul direct que (chiffres d’indices pairs d’un uniforme) est uniforme et indépendante de ; (b) en déduire une bijection mesurable à ensembles négligeables près entre et préservant la mesure, et commenter : un nombre aléatoire uniforme en contient deux (et dénombrablement beaucoup) indépendants — comparer avec la courbe de Peano (Problème 6.1), qui réalisait la surjectivité mais non la préservation de mesure ni l’injectivité.
Solution
Solution de Exercice 22.10.
(a) Les chiffres d’indices pairs sont des bits équitables i.i.d. (une sous-famille de la famille de chiffres indépendante), donc donne à tout intervalle dyadique sa bonne probabilité (comme dans le Théorème 22.6) : uniforme ; de même ; et dépendent de blocs de chiffres disjoints : indépendants (factorisation sur les rectangles dyadiques, puis Dynkin).
(b) est mesurable avec (accord sur les rectangles dyadiques + unicité). L’entrelacement des chiffres définit un inverse défini hors de l’ensemble (négligeable) des rationnels dyadiques dans chaque facteur : une bijection préservant la mesure entre sous-ensembles de mesure pleine de et . Contraste avec Peano (Problème 6.1) : la continuité forçait la surjectivité sans injectivité ; abandonner la continuité pour la seule mesurabilité achète un isomorphisme de mesure — la dimension est invisible à la théorie de la mesure, visible à la topologie.
Exercice 22.11 ★★
(Records) Soit i.i.d. de fonction de répartition continue, et disons qu’un record se produit au temps si (le temps est un record). Soit l’indicateur de record. (a) Montrer (par symétrie, chacun des ordres de est équiprobable et les égalités ont probabilité ). (b) Montrer que les sont indépendants (compter les ordres compatibles avec des positions de records prescrites, ou argumenter que l’ordre relatif de est indépendant du rang de parmi eux). (c) Déduire de Borel–Cantelli (Théorème 22.8, les deux moitiés) que infiniment beaucoup de records se produisent p.s., mais que des records aux temps consécutifs se produisent infiniment souvent avec probabilité — décider laquelle ! — et calculer .
Solution
Solution de Exercice 22.11.
(a) La continuité de la répartition rend les égalités des événements nuls (comme dans les arguments d’ordre du chapitre), et les ordres relatifs de sont échangeables, donc équiprobables. signifie que le maximum siège en dernière position : probabilité .
(b) Fixer et conditionner sur l’ordre relatif de : l’insertion de dans les créneaux de rang possibles est uniforme et indépendante de cet ordre (échangeabilité du -uplet). Donc (l’événement « prend le créneau du haut ») est indépendant de toute l’histoire des records , qui est une fonction de l’ordre relatif des premières variables. La récurrence donne l’indépendance totale avec .
(c) avec indépendance : la seconde moitié de Borel–Cantelli donne des records infiniment souvent p.s. (les records ne s’arrêtent jamais — mais s’amenuisent logarithmiquement : ). Records consécutifs : (indépendance), et
la première moitié de Borel–Cantelli s’applique — seulement un nombre fini de paires de records consécutifs se produisent, p.s.
Exercice 22.12 ★★
(Plus longue série de faces) On lance une pièce équitable fois. Soit la longueur de la plus longue série de faces consécutives. Montrer que
(la moitié supérieure de l’Exercice 22.4(b) donne ; pour , découper en blocs de longueur et appliquer Borel–Cantelli (2) à des blocs disjoints).
Solution
Solution de Exercice 22.12.
(a) Une série de longueur commençant en position a pour probabilité ; borne d’union : . Avec : . Le long de : , donc p.s. éventuellement (Borel–Cantelli) ; pour général prendre et utiliser la monotonie de plus : , et le facteur supplémentaire s’absorbe en élargissant légèrement.
(b) Avec et blocs disjoints : les blocs sont indépendants, chacun tout-faces avec probabilité , donc
pour une constante et grand. Ces probabilités sont sommables le long de (et même le long de tous les ) : Borel–Cantelli donne p.s. éventuellement (la monotonie remplit entre les comme en (a), sans dommage).
(c) Les deux bornes le long d’une suite , en intersectant dénombrablement beaucoup d’événements de mesure pleine : p.s. Pour : — une série de faces n’est pas une anomalie suspecte mais une certitude mathématique, et son absence est une preuve qu’un humain a falsifié le « hasard » (les humains osent rarement écrire plus de ou faces de suite).
22.7 Problème : la preuve d’Etemadi de la loi forte
Problème 22.1
Problème de week-end — la loi forte des grands nombres, version
La loi forte sous (preuve du chapitre) est un échantillon ; la version est le théorème. La preuve d’Etemadi (1981) est la plus propre connue : troncature, sous-suite , sandwich par monotonie, le tout avec seulement l’indépendance deux à deux. Tout au long, sont i.i.d. (ou seulement deux à deux indépendantes, de même loi) dans , , .
Partie I — Réduction à des variables positives.
- Montrer que si la loi forte vaut pour les parties positives et négatives séparément, elle vaut pour . On peut donc supposer (et ).
- (Troncature) Poser et . Montrer (calculer : et pour ), et conclure par Borel–Cantelli (1) que p.s. pour assez grand.
- En déduire que p.s. ssi p.s.
Partie II — La sous-suite géométrique. Fixer et poser .
- Montrer (convergence dominée, ou monotone pour ), et en déduire .
Estimer la variance : montrer
en regroupant, et conclure (échanger les sommes ; le coefficient de est car force ).
- Appliquer Bienaymé–Tchebychev et Borel–Cantelli (1) : p.s. . Conclure p.s.
Partie III — Sandwich.
Pour et : . En déduire
- Passer à la limite le long de (donc ) : p.s. Faire le long d’une suite dénombrable : p.s.
- Assembler : p.s. pour (non nécessairement positive). Où l’indépendance deux à deux a-t-elle suffi, et où l’indépendance mutuelle était-elle inutile ?
Partie IV — Conséquences et exemples.
- (Nombre normal) Soit un entier. Montrer que pour presque tout , la fréquence asymptotique de chaque chiffre dans le développement en base de vaut (appliquer la loi forte aux variables indicateurs — justifier que les chiffres en base d’une variable uniforme sont i.i.d. uniformes sur comme dans le Théorème 22.6 — puis intersecter les dénombrablement beaucoup d’événements de probabilité un). Exhiber un nombre non normal explicite, et réfléchir : le théorème affirme la normalité de presque tous les nombres, et pourtant prouver la normalité de ou reste ouvert.
- (Monte-Carlo, garanti) Justifier complètement la méthode de l’Exemple 22.14(b) pour : construire l’échantillon i.i.d. uniforme sur depuis le Théorème 22.6 et l’Exercice 22.10, et énoncer ce que la loi forte délivre.
Partie V — Ce que l’indépendance totale achète : inégalités maximales et séries aléatoires. Etemadi n’utilise que l’indépendance deux à deux ; les parties restantes exploitent la version mutuelle. Soient des variables indépendantes centrées de et (notation fraîche, sans rapport avec les ci-dessus).
(Inégalité maximale de Kolmogorov) Pour prouver
le prix de Bienaymé–Tchebychev achète le maximum (partitionner l’événement selon le premier indice avec ; sur ce morceau écrire et utiliser l’indépendance des coalitions et , Théorème 22.5). Pointer l’étape où l’indépendance deux à deux ne suffirait plus.
- (Théorème à une série de Khinchin–Kolmogorov) En déduire : si , alors converge presque sûrement (montrer que p.s. les sommes partielles forment une suite de Cauchy : faire dans l’inégalité maximale appliquée à , puis ).
- (Séries de Rademacher) Soient des signes i.i.d., (Théorème 22.6), et des réels. Montrer que converge p.s. dès que ; montrer aussi que, quels que soient , la probabilité que converge vaut ou (Théorème 22.9).
La réciproque, élémentairement. Poser et , et supposer . (a) Prouver l’inégalité de Paley–Zygmund : pour avec et ,
(scinder au niveau et appliquer Cauchy–Schwarz au morceau supérieur). (b) Montrer . (c) En déduire et conclure que diverge p.s. ; d’où la dichotomie
- (Série harmonique aléatoire) Conclure que converge p.s. ssi . Pour la série converge p.s. tandis que : les signes aléatoires produisent une annulation de force racine carrée — comparer avec la série alternée , qui converge pour tout .
Partie VI — Concentration : inégalité de Hoeffding. La loi forte dit ; les inégalités de concentration disent à quel point une déviation est improbable à chaque fixé.
(Lemme de Hoeffding) (a) Montrer pour tout , en comparant les deux séries terme à terme. (b) Soit centrée avec , . Montrer
(borner sur par sa corde, prendre les espérances, et étudier avec et : montrer et ).
(Inégalité de Hoeffding) Soient indépendantes avec et . Prouver, pour ,
et la même borne pour la queue inférieure (Bienaymé–Tchebychev exponentiel : borner via l’indépendance et la question 17, puis optimiser en ).
(La loi forte, cas borné, avec un taux) Soient les i.i.d. à valeurs dans et . Montrer
et récupérer p.s. par Borel–Cantelli : une seconde preuve de la loi forte pour des variables bornées — pas de troncature, un taux exponentiel à chaque fini, mais des summands bornés et l’indépendance totale. Comparer les hypothèses avec celles d’Etemadi.
(Monte-Carlo, garanti à fixé) Soit mesurable et l’échantillon i.i.d. uniforme de la question 11. Étant donnés , montrer
et évaluer le seuil pour . La borne n’implique pas : comparer avec la question 11 et avec les grilles déterministes.
Partie VII — Quelle taille pour une marche aléatoire ? Vers le logarithme itéré. Soit la marche aléatoire simple construite sur des signes équitables i.i.d.
(Queues sous-gaussiennes) Montrer et en déduire, pour ,
En déduire, via Borel–Cantelli,
(pour , sommer les bornes de queue en , puis intersecter sur ). En particulier la marche vit à l’échelle TCL à un facteur logarithmique près — bien en dessous de la borne grossière .
Le long de la sous-suite de doublement , montrer
et réfléchir : la loi du logarithme itéré (Khinchin ; Hartman–Wintner pour des summands centrés généraux) affirme que
Expliquer précisément ce qui sépare l’estimée de sous-suite qu’on vient de prouver de la moitié supérieure de cet énoncé (il faut contrôler dans chaque bloc, ce qui demande une inégalité maximale à l’échelle exponentielle) et vérifier quantitativement que l’inégalité de la question 12 est trop faible pour cela. La moitié inférieure repose sur le second lemme de Borel–Cantelli appliqué à des blocs indépendants ; les deux moitiés sont du matériel honnête d’année 3 pour un cours de probabilités dédié.
(Déviation uniforme sur une classe finie) Soient des événements dans une expérience répétable, et estimer chaque probabilité par sa fréquence empirique sur répétitions i.i.d. En combinant l’inégalité de Hoeffding avec une borne d’union, montrer
et en déduire la règle de taille d’échantillon : garantit que les estimations sont simultanément -exactes avec probabilité . Calculer pour , , : le prix logarithmique de l’uniformité.
- (La fenêtre harmonique aléatoire) En combinant les deux moitiés de la théorie des séries aléatoires, montrer que pour des signes i.i.d. la série converge p.s. si et diverge p.s. si ; contraster avec la convergence absolue (qui exige ) : sur la fenêtre , la convergence est un phénomène véritablement probabiliste — annulation, non taille.
Solution
Solution de Problème 22.1.
1. sont des fonctions boréliennes de : elles restent deux à deux indépendantes (Exercice 22.3(a)) et identiquement distribuées, intégrables, avec . Si le théorème vaut pour des variables positives, l’appliquer aux deux moitiés et soustraire : p.s.
2. (lois identiques), et (Exercice 11.3(a)). Borel–Cantelli (1) : p.s. pour tout assez grand, donc est éventuellement constant en : p.s., et les deux sommes normalisées partagent leur comportement asymptotique.
3. : le théorème de convergence monotone donne ; les moyennes de Cesàro d’une suite convergente convergent vers la même limite : . Il suffit donc de prouver p.s.
4. . Par Tonelli pour les séries,
en utilisant pour (pour : ; pour : car ), et dans les deux cas .
5. L’indépendance deux à deux donne pour (la formule produit pour deux variables), donc les variances s’additionnent : . Bienaymé–Tchebychev sur chaque et sommation :
(Tonelli pour la double série positive).
6. (valide une fois , c’est-à-dire tout : pour ). D’où
(série géométrique depuis le premier avec ). En combinant avec les questions 4–5, la double somme est finie ; Borel–Cantelli (1), appliqué pour chaque rationnel et intersecté, donne p.s., et avec la question 3 : p.s.
7. rend croissante : pour ,
qui est le sandwich affiché après insertion de et . Comme , la question 6 donne p.s.
8. Appliquer la question 7 pour , : dénombrablement beaucoup d’événements p.s. ; sur leur intersection, en faisant : p.s. Avec les questions 1–3, p.s. : la loi forte des grands nombres, sous indépendance deux à deux.
9. Les hypothèses de type indépendance sont apparues trois fois : (i) additivité des variances (question 5) — deux à deux suffit ; (ii) loi identique, dans les sommes de troncature (question 2) et le calcul de moyenne (question 3) — aucune indépendance ; (iii) Borel–Cantelli (1) (questions 2 et 6) — valide sans aucune indépendance. L’indépendance mutuelle totale n’a jamais été invoquée : l’observation d’Etemadi.
10. Fixer une base et un chiffre . Les chiffres en base d’un uniforme sont i.i.d. uniformes sur (chaque valeur de vecteur de chiffres occupe un intervalle de longueur : l’argument du Théorème 22.6 mot pour mot). La loi forte appliquée aux variables bornées i.i.d. donne : p.s., la fréquence du chiffre tend vers . En intersectant sur les dénombrablement beaucoup de paires : presque tout nombre est simplement normal dans toute base. Un nombre non normal explicite : (fréquence des uns ). Le contraste est humble : presque tous les nombres sont normaux, et pourtant pour , ou la normalité reste non prouvée — la théorie de la mesure compte sans exhiber.
11. Par l’Exercice 22.10 itéré, une seule variable uniforme fournit une suite de vecteurs i.i.d. uniformes sur (scinder l’ensemble des chiffres de chaque du Théorème 22.6 en sous-familles). Pour , les variables sont i.i.d. intégrables d’espérance (transfert) : la loi forte donne
l’intégration de Monte-Carlo converge presque sûrement, en toute dimension — la taille de l’erreur est l’affaire du théorème central limite (Chapitre 23).
12. Soient : les sont disjoints d’union . Alors
car le terme croisé s’annule : est une fonction borélienne de la coalition , indépendante de , fonction de (Théorème 22.5), donc . Sur , , d’où ; et (les variances s’additionnent). L’étape décisive est la factorisation : est une fonction non linéaire de tout le premier bloc, et son indépendance du second bloc est l’indépendance de coalitions — l’indépendance deux à deux des ne décorréle que des paires et ne la justifierait pas.
13. Fixer et appliquer la question 12 à :
Les événements croissent avec ; la continuité par le bas donne , et par hypothèse. Donc pour chaque , : presque sûrement, pour tout il existe avec (intersecter les dénombrablement beaucoup d’événements p.s. sur ), de sorte que pour tous : les sommes partielles sont p.s. de Cauchy, donc p.s. convergentes.
14. Les variables sont indépendantes (fonctions boréliennes de variables indépendantes, Exercice 22.3(a)), centrées, avec : la question 13 s’applique quand et donne la convergence p.s. En général, pour chaque la convergence de n’est pas affectée par les valeurs de : l’événement de convergence est dans la -algèbre de queue de la suite indépendante , donc la loi du zéro-un de Kolmogorov (Théorème 22.9) force sa probabilité à être ou .
15. (a) En scindant au niveau et en utilisant Cauchy–Schwarz sur le morceau supérieur,
donc ; élever au carré. (b) Développer
l’espérance vaut quand les indices s’apparient (tous quatre égaux, ou deux paires distinctes, ces dernières en arrangements) et sinon (un signe non apparié a une moyenne nulle et se factorise par indépendance). D’où
(c) Paley–Zygmund avec , , :
Si la série convergeait avec probabilité positive, elle convergerait p.s. (question 14), donc p.s., et un certain satisferait ; mais dès que , : contradiction. Donc la divergence est presque sûre, et avec la question 14 la dichotomie est complète.
16. Ici et exactement quand : par les questions 14–15, converge p.s. ssi (pour , divergence p.s.). Pour la convergence n’est jamais absolue. La comparaison est instructive : des signes parfaitement alternés s’annulent à la force pour tout , tandis que des signes aléatoires typiques s’annulent seulement à la force racine carrée — la marche aléatoire de la question 21 croît comme , et la sommation d’Abel convertit exactement cette croissance en convergence de pour .
17. (a) et ; et vaut terme à terme, car (chaque facteur vérifie pour ), de sorte qu’en fait . (b) Noter ( est centrée), et par convexité de , pour :
avec , , . Alors , s’annule en , et pour : Taylor à l’ordre donne .
18. Pour , Markov appliqué à la variable positive (Proposition 22.3) et la formule produit pour des variables indépendantes donnent
par la question 17(b) appliquée à chaque centrée (même largeur). En minimisant l’exposant en , , on obtient . La queue inférieure suit en appliquant le résultat à .
19. Prendre et :
qui est sommable en (série de type géométrique) : Borel–Cantelli (Théorème 22.8) donne que p.s. éventuellement ; en intersectant sur on obtient p.s. Comparaison : Etemadi ne demande que et l’indépendance deux à deux, et ne délivre aucun taux ; Hoeffding demande la bornitude et l’indépendance totale, et délivre une garantie exponentielle explicite à chaque fini — les deux théorèmes répondent à des questions différentes sur la même limite.
20. Les sont i.i.d. à valeurs dans d’espérance (transfert), donc la question 18 avec , donne la borne bilatère dès que , c’est-à-dire . Pour :
environ échantillons garantissent une précision de avec une confiance de — en toute dimension , pour tout intégrande mesurable à valeurs dans . La loi forte de la question 11 promettait la convergence sans garantie à fini ; une grille déterministe à points par axe coûte évaluations, exponentiel en . La concentration est ce qui fait du Monte-Carlo une méthode plutôt qu’un espoir.
21. Indépendance et formule produit : par la question 17(a). Markov sur :
et la borne symétrique pour (même loi) double la constante pour .
22. Fixer et poser pour :
sommable car . Borel–Cantelli : p.s. pour tout assez grand, donc p.s. ; en intersectant les événements p.s. pour , , on obtient l’affirmation. La marche de taille a une amplitude typique (sa variance), et même ses pires excursions ne dépassent cette échelle que d’au plus .
23. Avec et (défini pour ), la question 21 donne
sommable en car : Borel–Cantelli et donnent p.s. Ce qui manque pour la moitié supérieure complète est le pont entre les points de contrôle : il faut montrer que dépasse seulement un nombre fini de fois, ce qui demande une inégalité maximale à queues gaussiennes (inégalité de réflexion de Lévy ou d’Ottaviani, non prouvée ici). La question 12 est quantitativement trop faible : elle borne la probabilité par
qui tend vers mais n’est pas sommable en : Borel–Cantelli ne peut conclure. La moitié inférieure de la loi du logarithme itéré applique le second lemme de Borel–Cantelli aux incréments indépendants , en utilisant des bornes inférieures correspondantes pour des queues de type gaussien. Les deux raffinements sont du matériel honnête d’année 3 de probabilités, un cours plus loin ; ce que ce problème délivre sans aide est l’échelle exacte du logarithme itéré le long des temps géométriques.
24. Chaque est une moyenne de variables indicateurs i.i.d. à valeurs dans d’espérance : Hoeffding donne . La borne d’union multiplie par . En résolvant : . Numériquement : , donc : estimer une probabilité à prend environ échantillons (), et un million de probabilités seulement fois plus — l’uniformité coûte , non : l’observation qui rend la minimisation du risque empirique, et avec elle l’apprentissage automatique, statistiquement possible.
25. Les variables sont indépendantes, centrées, bornées, avec . Si : la série des variances converge, et le théorème à une série (Partie VI) donne la convergence p.s. de . Si : la série des variances diverge, et la moitié réciproque (argument de Paley–Zygmund de la Partie VI, applicable car les summands sont bornés par ) donne la divergence p.s. La convergence absolue demande : . Sur , la série converge p.s. bien que sûrement : les signes conspirent pour s’annuler, avec probabilité un — convergence par annulation, invisible à tout test absolu, et (par la loi du zéro-un) avec un verdict déterministe tout de même.