Mathematics · Book 5 · Bachelor Year 3

Mathématiques universitaires — Licence 3

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 11, 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 [0,1]\intcc01, 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 L1L^1 définitive.

22.1 Le dictionnaire

Définition 22.1

Un espace probabilisé est un espace mesuré (Ω,A,P)(\Omega, \mathcal A, \P) avec P(Ω)=1\P(\Omega) = 1 ; les éléments de A\mathcal A sont les événements, et une propriété vaut presque sûrement (p.s.) si son événement a pour probabilité 11. Une variable aléatoire est une application mesurable X ⁣:ΩRX \colon \Omega \to \R (ou Rd\R^d : un vecteur aléatoire) ; sa loi est la mesure de probabilité image PX=XP\P_X = X_*\P sur R\R (Exercice 11.9), déterminée par la fonction de répartition FX(t)=P(Xt)F_X(t) = \P(X \leq t) (Exercice 9.3). XX a une densité ff si PX=f ⁣dλ\P_X = f\,\dd\lambda ; elle est discrète si PX\P_X est une combinaison dénombrable de masses de Dirac. L’espérance est

E[X]=ΩX ⁣dP(X0 ou XL1(P)),\E[X] = \int_\Omega X\,\dd\P \qquad (X \geq 0 \text{ ou } X \in L^1(\P)),

et le théorème de transfert (Exercice 11.9) la calcule dans la loi : E[g(X)]=Rg ⁣dPX\E[g(X)] = \int_\R g\,\dd\P_X=g(xk)pk= \sum g(x_k)p_k dans le cas discret, =g(x)f(x) ⁣dx= \int g(x)f(x)\dd x dans le cas à densité : les formules de l’année 2, désormais théorèmes d’une seule théorie. La variance est V(X)=E[(XEX)2]=E[X2](EX)2\V(X) = \E[(X - \E X)^2] = \E[X^2] - (\E X)^2 pour XL2X \in L^2.

Exemple 22.2

Les lois standard et leurs transformées d’intérêt : Bernoulli B(p)\mathcal B(p), binomiale B(n,p)\mathcal B(n, p), géométrique, Poisson P(λ)\mathcal P(\lambda) (discrètes : les tables de l’année 2 restent valides) ; uniforme sur [0,1]\intcc01 (la mesure de Lebesgue elle-même) ; exponentielle E(λ)\mathcal E(\lambda) (densité λeλx1x>0\lambda\eu^{-\lambda x}\mathbf 1_{x>0}) ; la gaussienne N(m,σ2)\mathcal N(m, \sigma^2) de densité 1σ2πexp((xm)22σ2)\frac1{\sigma\sqrt{2\pi}}\exp\bigl(-\frac{(x - m)^2}{2\sigma^2}\bigr) — une densité de probabilité par le Problème 10.1, d’espérance mm et de variance σ2\sigma^2 (moments gaussiens, Exercice 11.10).

Proposition 22.3 (Markov et Bienaymé–Tchebychev)

Pour X0X \geq 0 et a>0a > 0 : P(Xa)EXa\P(X \geq a) \leq \frac{\E X}{a} ; pour XL2X \in L^2 : P(XEXa)V(X)a2\P\bigl(\abs{X - \E X} \geq a\bigr) \leq \frac{\V(X)}{a^2}.

Démonstration. Exercice 10.5(a) ; Bienaymé–Tchebychev est Markov appliqué à (XEX)2(X - \E X)^2.

22.2 Indépendance

Définition 22.4

Des sous-σ\sigma-algèbres A1,,AnA\mathcal A_1, \dots, \mathcal A_n \subseteq \mathcal A sont indépendantes si P(A1An)=P(Ai)\P(A_1\cap\dots\cap A_n) = \prod\P(A_i) pour tous AiAiA_i \in \mathcal A_i ; des événements sont indépendants si les σ\sigma-algèbres {,Ai,Aic,Ω}\{\varnothing, A_i, A_i^c, \Omega\} le sont ; des variables aléatoires X1,,XnX_1, \dots, X_n si les σ\sigma-algèbres σ(Xi)=Xi1(B(R))\sigma(X_i) = X_i^{-1}(\mathcal B(\R)) le sont. Une famille infinie est indépendante si toute sous-famille finie l’est.

Théorème 22.5

X1,,XnX_1, \dots, X_n sont indépendantes ssi la loi du vecteur (X1,,Xn)(X_1, \dots, X_n) est la mesure produit PX1PXn\P_{X_1}\otimes\cdots\otimes\P_{X_n}. Dans ce cas, pour gi0g_i \geq 0 (ou telles que les produits soient intégrables) :

E[igi(Xi)]=iE[gi(Xi)],\E\Bigl[\prod_ig_i(X_i)\Bigr] = \prod_i\E[g_i(X_i)],

en particulier E[XY]=EXEY\E[XY] = \E X\,\E Y et V(X1++Xn)=V(Xi)\V(X_1 + \dots + X_n) = \sum\V(X_i) pour des variables L2L^2 indépendantes.

Démonstration. Si les XiX_i sont indépendantes, les deux mesures de probabilité P(X1,,Xn)\P_{(X_1,\dots,X_n)} et PXi\bigotimes\P_{X_i} coïncident sur tous les produits B1××BnB_1\times\dots\times B_n d’ensembles boréliens — un π\pi-système engendrant B(Rn)\mathcal B(\R^n) (Proposition 11.2(b)) — donc partout (Théorème 9.7). Réciproquement, une loi produit factorise tous les événements iXi1(Bi)\bigcap_iX_i^{-1}(B_i) : indépendance. La formule d’espérance est alors Tonelli/Fubini (Théorème 11.5) via le théorème de transfert ; E[XY]=EXEY\E[XY] = \E X\E Y est le cas gi=idg_i = \mathrm{id}, et développer le carré donne l’additivité des variances (termes croisés E[(XiEXi)(XjEXj)]=0\E[(X_i - \E X_i)(X_j - \E X_j)] = 0).

Théorème 22.6 (Existence de suites indépendantes)

Sur ([0,1],L,λ)\bigl(\intcc01, \mathcal L, \lambda\bigr) il existe une suite (Un)n1(U_n)_{n\geq1} de variables aléatoires indépendantes, chacune uniforme sur [0,1]\intcc01. Par conséquent, pour toute suite de lois prescrites (μn)(\mu_n) sur R\R il existe des (Xn)(X_n) indépendantes avec PXn=μn\P_{X_n} = \mu_n.

Démonstration. Chiffres. Pour ω[0,1]\omega \in \intcc01, soit (bk(ω))(b_k(\omega)) ses chiffres binaires (ω=bk2k\omega = \sum b_k2^{-k} ; choisir le développement ne se terminant pas par des 11 — l’ambiguïté ne concerne qu’un ensemble dénombrable, donc négligeable). Chaque bkb_k est une variable aléatoire ({bk=1}\{b_k = 1\} est une union finie d’intervalles dyadiques) et le vecteur (b1,,bm)(b_1, \dots, b_m) prend chaque valeur de {0,1}m\{0,1\}^m sur un intervalle dyadique de longueur 2m2^{-m} : les bkb_k sont des Bernoulli(12)(\frac12) indépendantes.

Regroupement. Scinder N\N^* en une infinité d’ensembles infinis disjoints (In)(I_n) (p.ex. par puissances de premiers, ou diagonales) ; soit (kjn)j(k^n_j)_j une énumération de InI_n et poser

Un=j1bkjn2j.U_n = \sum_{j\geq1} b_{k^n_j}\,2^{-j} .

Chaque UnU_n est uniforme : ses chiffres binaires sont des bits équitables indépendants, donc P(Un[l2m,(l+1)2m))=2m\P(U_n \in [l2^{-m}, (l+1)2^{-m})) = 2^{-m} pour tout intervalle dyadique, et les intervalles dyadiques déterminent la loi (Théorème 9.7). Les UnU_n sont indépendantes : elles sont fonctions de blocs disjoints de la famille indépendante (bk)(b_k) — formellement, les événements {UnDn}\{U_n \in D_n\} pour DnD_n dyadiques dépendent d’un nombre fini de chiffres de ensembles disjoints, et se factorisent ; l’argument de π\pi-système monte à tous les boréliens.

Lois arbitraires. Soit Gn(u)=inf{t:Fμn(t)u}G_n(u) = \inf\{t : F_{\mu_n}(t) \geq u\} (la fonction quantile de la fonction de répartition FμnF_{\mu_n}) ; l’équivalence clé Gn(u)t    uFμn(t)G_n(u) \leq t \iff u \leq F_{\mu_n}(t) (continuité à droite de FF, monotonie) montre que Xn=Gn(Un)X_n = G_n(U_n) est mesurable avec P(Xnt)=P(UnFμn(t))=Fμn(t)\P(X_n \leq t) = \P(U_n \leq F_{\mu_n}(t)) = F_{\mu_n}(t) : loi μn\mu_n ; l’indépendance est héritée (fonctions de variables indépendantes, Exercice 22.3).

Exemple 22.7 (Le problème des anniversaires, honnêtement)

Parmi nn personnes d’anniversaires indépendants, uniformes sur N=365N = 365 jours, la probabilité que tous les anniversaires diffèrent est

pn=k=1n1(1kN),p_n = \prod_{k=1}^{n-1}\Bigl(1 - \frac kN\Bigr),

par conditionnement itéré (ou directement : les N(N1)(Nn+1)N(N-1)\cdots(N - n + 1) favorables sur le total NnN^n, un argument de comptage que la formule produit de l’indépendance rend rigoureux). En prenant les logarithmes et en utilisant ln(1x)=x+O(x2)-\ln(1 - x) = x + O(x^2) :

lnpn=n(n1)2N+O(n3N2),doncpnen2/2N.\ln p_n = -\frac{n(n-1)}{2N} + O\Bigl(\frac{n^3}{N^2}\Bigr), \qquad\text{donc}\qquad p_n \approx \eu^{-n^2/2N} .

Le point de bascule pn=12p_n = \frac12 se situe en n2Nln21.18Nn \approx \sqrt{2N\ln2} \approx 1.18\sqrt N : pour N=365N = 365, n=23n = 23 (p23=0.4927p_{23} = 0.4927). Deux morales. Premièrement, les collisions parmi nn items dans NN boîtes apparaissent à l’échelle nNn \sim \sqrt N, non nNn \sim N — l’échelle des anniversaires qui gouverne les collisions de hachage et le coût N\sqrt N des attaques d’anniversaire en cryptographie. Deuxièmement, le calcul est un modèle : les (n2)\binom n2 événements de collision par paires ne sont pas indépendants, et pourtant la réponse se comporte comme s’ils l’étaient (e(n2)/N\eu^{-\binom n2/N} 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 (An)(A_n) des événements et lim supAn=NnNAn\limsup A_n = \bigcap_N \bigcup_{n\geq N}A_nAnA_n se produit infiniment souvent »).

  1. Si P(An)<\sum\P(A_n) < \infty, alors P(lim supAn)=0\P(\limsup A_n) = 0.
  2. Si P(An)=\sum\P(A_n) = \infty et les AnA_n sont indépendants, alors P(lim supAn)=1\P(\limsup A_n) = 1.

Démonstration. (1) est l’Exercice 9.4. (2) : pour NMN \leq M, l’indépendance des complémentaires (Exercice 22.3) donne

P(n=NMAnc)=n=NM(1P(An))exp(n=NMP(An))M0\P\Bigl(\bigcap_{n=N}^{M}A_n^c\Bigr) = \prod_{n=N}^M\bigl(1 - \P(A_n)\bigr) \leq \exp\Bigl(-\sum_{n=N}^M\P(A_n)\Bigr) \xrightarrow[M \to \infty]{} 0

(1xex1 - x \leq \eu^{-x} ; la série diverge). Donc P(nNAn)=1\P\bigl(\bigcup_{n\geq N}A_n\bigr) = 1 pour tout NN, et l’intersection décroissante en NN a encore pour probabilité 11 (continuité par le haut, Proposition 9.6).

Théorème 22.9 (Loi du zéro-un de Kolmogorov)

Soient (Xn)(X_n) indépendantes et T=Nσ(XN,XN+1,)\mathcal T = \bigcap_N\sigma(X_N, X_{N+1}, \dots) la σ\sigma-algèbre de queue (événements insensibles à tout nombre fini des XnX_n : convergence de Xn\sum X_n, de Snn\frac{S_n}n, valeurs des lim sup\limsup, …). Alors tout TTT \in \mathcal T a P(T){0,1}\P(T) \in \{0, 1\}.

Démonstration. Fixons NN. Les σ\sigma-algèbres σ(X1,,XN)\sigma(X_1, \dots, X_N) et σ(XN+1,)\sigma(X_{N+1}, \dots) sont indépendantes : les événements dépendant de blocs disjoints se factorisent sur les π\pi-systèmes générateurs (cylindres iN{XiBi}\bigcap_{i\leq N}\{X_i \in B_i\}, 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 TT est dans σ(XN+1,)\sigma(X_{N+1}, \dots) pour tout NN : TT est indépendant de toute σ(X1,,XN)\sigma(X_1, \dots, X_N), donc de la σ\sigma-algèbre qu’elles engendrent, σ(X1,X2,)\sigma(X_1, X_2, \dots) (Dynkin encore : l’union des σ(X1,,XN)\sigma(X_1,\dots,X_N) est un π\pi-système l’engendrant). Mais Tσ(X1,X2,)T \in \sigma(X_1, X_2, \dots) aussi : TT est indépendant de lui-même, P(T)=P(TT)=P(T)2\P(T) = \P(T\cap T) = \P(T)^2 : P(T){0,1}\P(T) \in \{0, 1\}.

22.4 Modes de convergence

Définition 22.10

XnXX_n \to X presque sûrement si P(XnX)=1\P(X_n \to X) = 1 ; en probabilité si P(XnXε)0\P(\abs{X_n - X} \geq \varepsilon) \to 0 pour tout ε>0\varepsilon > 0 ; en LpL^p si EXnXp0\E\abs{X_n - X}^p \to 0.

Proposition 22.11

(a) la convergence p.s. implique la convergence en probabilité ; (b) la convergence LpL^p 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) P(XnXε)P(supmnXmXε)P(lim sup{XmXε})=0\P(\abs{X_n - X} \geq \varepsilon) \leq \P\bigl(\sup_{m\geq n}\abs{X_m - X} \geq \varepsilon\bigr) \downarrow \P\bigl(\limsup\{\abs{X_m - X} \geq \varepsilon\}\bigr) = 0 sous convergence p.s. (continuité par le haut ; l’événement limsup exclut la convergence). (b) Markov : P(XnXε)εpEXnXp\P(\abs{X_n - X} \geq \varepsilon) \leq \varepsilon^{-p}\,\E\abs{X_n - X}^p. (c) Choisir nkn_k avec P(XnkX2k)2k\P(\abs{X_{n_k} - X} \geq 2^{-k}) \leq 2^{-k} ; Borel–Cantelli (1) force XnkX<2k\abs{X_{n_k} - X} < 2^{-k} éventuellement, p.s. (d) La machine à écrire (Exercice 12.3) sur ([0,1],λ)(\intcc01, \lambda) converge en L1L^1 et en probabilité mais nulle part point par point ; n1(0,1/n)0n\mathbf 1_{\intoo0{1/n}} \to 0 p.s. mais pas en L1L^1 ; détails et les contre-exemples restants dans l’Exercice 22.6.

22.5 La loi des grands nombres

Tout au long, (Xn)(X_n) sont indépendantes de même loi (i.i.d.), Sn=X1++XnS_n = X_1 + \dots + X_n.

Théorème 22.12 (Loi faible des grands nombres)

Si X1L2X_1 \in L^2, avec m=EX1m = \E X_1 :

P(Snnmε)V(X1)nε2n0:\P\Bigl(\Bigl|\frac{S_n}{n} - m\Bigr| \geq \varepsilon\Bigr) \leq \frac{\V(X_1)}{n\,\varepsilon^2} \xrightarrow[n\to\infty]{} 0 :

Snnm\frac{S_n}n \to m en probabilité (et en L2L^2).

Démonstration. ESnn=m\E\frac{S_n}n = m et V(Snn)=nV(X1)n2\V\bigl(\frac{S_n}n\bigr) = \frac{n\V(X_1)}{n^2} (Théorème 22.5) ; Bienaymé–Tchebychev.

Théorème 22.13 (Loi forte des grands nombres)

Si X1L1X_1 \in L^1, alors

Snnnp.s.E[X1].\frac{S_n}{n} \xrightarrow[n\to\infty]{\text{p.s.}} \E[X_1].

Nous la prouvons ici sous l’hypothèse plus forte X1L4X_1 \in L^4 ; le cas général (L1L^1 : preuve d’Etemadi) est le problème de week-end.

Preuve sous EX14<\E X_1^4 < \infty. Centrage (XiXimX_i \mapsto X_i - m), on suppose m=0m = 0. Développer :

E[Sn4]=i,j,k,lE[XiXjXkXl]=nE[X14]+3n(n1)(E[X12])2Cn2,\E[S_n^4] = \sum_{i,j,k,l}\E[X_iX_jX_kX_l] = n\,\E[X_1^4] + 3n(n-1)\,\bigl(\E[X_1^2]\bigr)^2 \leq C\,n^2 ,

car l’indépendance et le centrage tuent tout terme contenant un facteur isolé (E[XiXjXkXl]=E[Xi]E[]=0\E[X_iX_jX_kX_l] = \E[X_i]\E[\cdots] = 0 sauf si les indices s’apparient : les seuls survivants sont les nn termes i=j=k=li=j=k=l et les 3n(n1)3n(n-1) termes à deux paires distinctes). Markov :

P(Snnε)=P(Sn4n4ε4)Cn2n4ε4=Cε4n2,\P\Bigl(\Bigl|\frac{S_n}n\Bigr| \geq \varepsilon\Bigr) = \P\bigl(S_n^4 \geq n^4\varepsilon^4\bigr) \leq \frac{Cn^2}{n^4\varepsilon^4} = \frac{C}{\varepsilon^4n^2},

sommable : Borel–Cantelli (1) donne, pour chaque ε\varepsilon rationnel, que Sn/n<ε\abs{S_n/n} < \varepsilon éventuellement, p.s. ; en intersectant sur εQ+\varepsilon \in \Q_+^* (dénombrablement beaucoup d’événements de probabilité 11) : Sn/n0S_n/n \to 0 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 pp — la justification empirique de la probabilité elle-même. (b) Monte-Carlo : pour gL1([0,1])g \in L^1(\intcc01) et (Un)(U_n) i.i.d. uniformes (Théorème 22.6), 1nkng(Uk)01g\frac1n\sum_{k\leq n}g(U_k) \to \int_0^1g p.s. : intégrales par échantillonnage, en toute dimension, au taux indépendant de la dimension n1/2\sim n^{-1/2} précisé au Chapitre 23. (c) Nombres normaux : presque tout nombre réel a, dans son développement binaire, une fréquence asymptotique 12\frac12 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 00 ou 11 (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 XX de fonction de répartition FF continue strictement croissante. Montrer que F(X)F(X) est uniforme sur [0,1]\intcc01, et que G(U)FG(U) \sim F pour UU uniforme, G=F1G = F^{-1} : simulation par inversion. (b) Calculer la fonction de répartition et la densité de X2X^2 pour XX uniforme sur [1,1]\intcc{-1}1, et de 1λlnU-\frac1\lambda\ln U pour UU uniforme sur (0,1)\intoo01.

Solution

Solution de Exercice 22.1.

(a) Pour u(0,1)u \in \intoo01 : P(F(X)u)=P(XF1(u))=F(F1(u))=u\P(F(X) \leq u) = \P(X \leq F^{-1}(u)) = F(F^{-1}(u)) = u (continuité et stricte monotonie font de FF une bijection sur (0,1)\intoo01 avec {F(X)u}={XF1(u)}\{F(X) \leq u\} = \{X \leq F^{-1}(u)\}) : F(X)F(X) est uniforme. Réciproquement P(G(U)t)=P(UF(t))=F(t)\P(G(U) \leq t) = \P(U \leq F(t)) = F(t) : pour simuler une loi, appliquer la fonction de répartition inverse à un échantillon uniforme.

(b) Y=X2Y = X^2, XX uniforme sur [1,1]\intcc{-1}1 : pour t[0,1]t \in \intcc01, FY(t)=P(tXt)=tF_Y(t) = \P(-\sqrt t \leq X \leq \sqrt t) = \sqrt t : densité 12t1(0,1)\frac1{2\sqrt t}\mathbf 1_{\intoo01}. Et P(1λlnUt)=P(Ueλt)=1eλt\P\bigl(-\frac1\lambda\ln U \leq t\bigr) = \P(U \geq \eu^{-\lambda t}) = 1 - \eu^{-\lambda t} : l’exponentielle E(λ)\mathcal E(\lambda) — l’inversion en action.

Exercice 22.2

(a) Calculer moyenne et variance des lois de Poisson P(λ)\mathcal P(\lambda) et géométrique via le théorème de transfert. (b) Montrer qu’une variable aléatoire positive TT avec P(T>t)>0\P(T > t) > 0 pour tout tt satisfait la propriété sans mémoire P(T>t+sT>t)=P(T>s)\P(T > t + s \mid T > t) = \P(T > s) pour tous s,t0s, t \geq 0 ssi TT 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 : EX=k0keλλkk!=λ\E X = \sum_{k\geq0}k\,\eu^{-\lambda} \frac{\lambda^k}{k!} = \lambda, E[X(X1)]=λ2\E[X(X-1)] = \lambda^2, donc V=λ2+λλ2=λ\V = \lambda^2 + \lambda - \lambda^2 = \lambda. Géométrique (P(X=k)=p(1p)k1\P(X = k) = p(1-p)^{k-1}) : EX=1p\E X = \frac1p, V=1pp2\V = \frac{1-p}{p^2} (dériver deux fois la série géométrique).

(b) G(t)=P(T>t)G(t) = \P(T > t) est décroissante avec G ⁣:[0,)(0,1]G \colon \intco0\infty \to \intoc01 ; l’absence de mémoire se lit G(t+s)=G(t)G(s)G(t + s) = G(t)G(s). Alors G(nt)=G(t)nG(n t) = G(t)^n et G(t/n)=G(t)1/nG(t/n) = G(t)^{1/n} : G(q)=G(1)qG(q) = G(1)^q pour q0q \geq 0 rationnel ; en écrivant G(1)=eλG(1) = \eu^{-\lambda} ((0,1)\in \intoo01 : G(1)=1G(1) = 1 forcerait G1G \equiv 1, impossible pour une variable finie ; G(1)=0G(1) = 0 est exclu par hypothèse) et en encadrant un tt arbitraire entre des rationnels (monotonie) : G(t)=eλtG(t) = \eu^{-\lambda t} — la loi exponentielle. La réciproque est un calcul.

Exercice 22.3 ★★

(a) Montrer que si X1,,XnX_1, \dots, X_n sont indépendantes et fif_i des fonctions boréliennes, les fi(Xi)f_i(X_i) sont indépendantes. (b) Montrer que des événements A1,,AnA_1, \dots, A_n sont indépendants ssi leurs complémentaires le sont, ssi les indicateurs 1Ai\mathbf 1_{A_i} sont des variables aléatoires indépendantes. (c) (Deux à deux est plus faible) Deux pièces équitables : A=A = la première est face, B=B = la seconde est face, C=C = les deux coïncident. Montrer que A,B,CA, B, C sont deux à deux indépendants mais non indépendants.

Solution

Solution de Exercice 22.3.

(a) σ(fi(Xi))=fi(Xi)1(B)Xi1(B)=σ(Xi)\sigma(f_i(X_i)) = f_i(X_i)^{-1}(\mathcal B) \subseteq X_i^{-1}(\mathcal B) = \sigma(X_i) (fif_i borélienne), et des sous-σ\sigma-algèbres de σ\sigma-algèbres indépendantes sont indépendantes (l’identité définissante vaut a fortiori).

(b) σ(Ai)={,Ai,Aic,Ω}=σ(Aic)=σ(1Ai)\sigma(A_i) = \{\varnothing, A_i, A_i^c, \Omega\} = \sigma(A_i^c) = \sigma(\mathbf 1_{A_i}) : les trois énoncés affirment l’indépendance des mêmes σ\sigma-algèbres. (Que la factorisation sur les AiA_i se propage aux complémentaires est l’argument de λ\lambda-système dans l’équivalence de la Définition 22.4 — ou l’inclusion-exclusion directe.)

(c) P(A)=P(B)=P(C)=12\P(A) = \P(B) = \P(C) = \frac12 ; AB=AC=BCA\cap B = A\cap C = B\cap C par paires : chaque intersection est « deux faces » ou analogue, de probabilité 14\frac14 : deux à deux indépendants. Mais P(ABC)=P(FF)=1418\P(A\cap B\cap C) = \P(\text{FF}) = \frac14 \neq \frac18 : non indépendants — CC est déterminé par AA et BB.

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 RnR_n la longueur de la série de uns commençant en position nn. Montrer que p.s. Rn(1+ε)log2nR_n \geq (1+\varepsilon)\log_2n un nombre fini de fois, et Rnlog2nR_n \geq \log_2 n 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 nn premiers chiffres croît comme log2n\log_2n.

Solution

Solution de Exercice 22.4.

(a) Soit le texte TT de longueur LL et q=aLq = a^{-L} (aa la taille de l’alphabet). Les événements Ek=E_k = {positions kL+1,,(k+1)LkL+1, \dots, (k+1)L épellent TT} sont indépendants (blocs disjoints de lettres i.i.d.), chacun de probabilité q>0q > 0 : P(Ek)=\sum\P(E_k) = \infty, et Borel–Cantelli (2) donne infiniment beaucoup d’occurrences p.s.

(b) Haut : P(Rn(1+ε)log2n)2(1+ε)log2n=n(1+ε)\P\bigl(R_n \geq (1+\varepsilon)\log_2n\bigr) \leq 2^{-(1+\varepsilon)\log_2n} = n^{-(1+\varepsilon)}, sommable : par Borel–Cantelli (1), p.s. seulement un nombre fini de tels nn. Bas : empaqueter des blocs disjoints — le jj-ème de longueur j=log2sj\ell_j = \lceil\log_2s_j\rceil commençant en sj=i<jis_j = \sum_{i<j}\ell_i ; les événements « le bloc jj est tout en uns » sont indépendants de probabilité 2j1sj1jlog2j2^{-\ell_j} \asymp \frac1{s_j} \asymp \frac1{j\log_2 j}, dont la somme diverge : Borel–Cantelli (2) donne infiniment beaucoup de blocs tout-uns, c’est-à-dire Rsjlog2sjR_{s_j} \geq \log_2 s_j infiniment souvent. Ensemble : la longueur maximale de série dans les nn premiers chiffres est (1+o(1))log2n(1 + o(1))\log_2n p.s.

Exercice 22.5 ★★

Soit (Xn)(X_n) indépendantes. (a) Montrer que le rayon de convergence de Xnzn\sum X_n z^n est une constante p.s. (éventuellement 00 ou \infty). (b) Montrer que P(Xn converge){0,1}\P(\sum X_n \text{ converge}) \in \{0, 1\} et P(Sn/nm){0,1}\P(S_n/n \to m) \in \{0,1\}. (c) Donner un événement sur (Xn)(X_n) 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) R=(lim supXn1/n)1R = \bigl(\limsup\abs{X_n}^{1/n}\bigr)^{-1} est inchangé si on modifie un nombre fini de XnX_n : pour tout NN, RR est σ(XN,XN+1,)\sigma(X_N, X_{N+1}, \dots)-mesurable, c’est-à-dire mesurable pour la queue. Alors chaque événement {Rc}\{R \leq c\} a pour probabilité 00 ou 11 (Théorème 22.9), donc la fonction de répartition de RR ne prend que les valeurs 0,10, 1 : elle saute en un seul point c0[0,+]c_0 \in \intcc0{+\infty}, et R=c0R = c_0 p.s.

(b) La convergence de Xn\sum X_n et de Snn\frac{S_n}n sont insensibles au changement d’un nombre fini de termes (pour la seconde : les termes modifiés contribuent O(1/n)0O(1/n) \to 0) : événements de queue ; loi du zéro-un.

(c) {X1>0}\{X_1 > 0\} dépend de X1X_1 : pour des signes i.i.d. (P(X1=±1)=12\P(X_1 = \pm1) = \frac12), sa probabilité est 12{0,1}\frac12 \notin \{0,1\} — pas de contradiction, ce n’est pas un événement de queue.

Exercice 22.6 ★★

Sur ([0,1],λ)(\intcc01, \lambda), exhiber — avec preuves — des variables aléatoires telles que : (a) Xn0X_n \to 0 en probabilité et dans tout LpL^p, mais nulle part p.s. ; (b) Xn0X_n \to 0 p.s. mais dans aucun LpL^p ; (c) Xn0X_n \to 0 en L1L^1 mais pas en L2L^2 ; (d) et montrer : si XnXX_n \to X en probabilité et XnYL1\abs{X_n} \leq Y \in L^1, alors XnXX_n \to X en L1L^1 (sous-suites + convergence dominée + le truc de la sous-sous-suite).

Solution

Solution de Exercice 22.6.

On travaille sur ([0,1],λ)(\intcc01, \lambda). (a) La machine à écrire 1In\mathbf 1_{I_n} (Exercice 12.3) : Xnpp=λ(In)0\norm{X_n}_p^p = \lambda(I_n) \to 0 (tous p<p < \infty), donc aussi en probabilité ; en tout ω\omega les valeurs 00 et 11 reviennent toutes deux : pas de convergence point par point nulle part. (b) Xn=n1(0,1/n)0X_n = n\mathbf 1_{\intoo0{1/n}} \to 0 hors de 00, mais Xnpn11/p1\norm{X_n}_p \geq n^{1 - 1/p} \geq 1. (c) Xn=n1(0,1/n)X_n = \sqrt n\,\mathbf 1_{\intoo0{1/n}} : EXn=n1/20\E\abs{X_n} = n^{-1/2} \to 0, EXn2=1\E X_n^2 = 1. (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 L1L^1 le long d’elle, avec la même limite XX. Ainsi toute sous-suite de la suite numérique EXnX\E\abs{X_n - X} a une sous-sous-suite tendant vers 00 : la suite entière tend vers 00.

Exercice 22.7 ★★

Un sondage estime une proportion inconnue pp par la fréquence empirique p^n\hat p_n de nn tirages indépendants. (a) Bienaymé–Tchebychev : montrer P(p^npε)14nε2\P(\abs{\hat p_n - p} \geq \varepsilon) \leq \frac1{4n\varepsilon^2} (utiliser p(1p)14p(1-p) \leq \frac14). (b) Combien de tirages garantissent une erreur 3%\leq 3\% avec probabilité 95%\geq 95\% par cette borne ? (La vraie réponse, via le Chapitre 23, est environ 10701070 : Bienaymé–Tchebychev est honnête mais grossier.)

Solution

Solution de Exercice 22.7.

(a) p^n=Snn\hat p_n = \frac{S_n}n avec SnS_n binomiale : V(p^n)=p(1p)n14n\V(\hat p_n) = \frac{p(1-p)}n \leq \frac1{4n}, et Bienaymé–Tchebychev (Proposition 22.3) donne la borne. (b) Résoudre 14n(0.03)20.05\frac1{4n(0.03)^2} \leq 0.05 : n140.00090.055556n \geq \frac{1}{4\cdot0.0009\cdot0.05} \approx 5556. Le théorème central limite justifiera n1070n \approx 1070 pour la même garantie : Bienaymé–Tchebychev paie sa généralité d’un facteur 5\approx 5.

Exercice 22.8 ★★★

(Bernstein) Pour fC([0,1])f \in \mathcal C(\intcc01) définir le polynôme de Bernstein Bnf(x)=k=0n(nk)xk(1x)nkf(kn)B_nf(x) = \sum_{k=0}^n\binom nkx^k(1-x)^{n-k}f\bigl(\frac kn\bigr). (a) Reconnaître Bnf(x)=E[f(Snn)]B_nf(x) = \E\bigl[f\bigl(\frac {S_n}n\bigr)\bigr] pour SnS_n binomiale B(n,x)\mathcal B(n, x). (b) Prouver BnffB_nf \to f uniformément sur [0,1]\intcc01 : scinder sur {Snnxδ}\{\abs{\frac{S_n}n - x} \leq \delta\} et son complémentaire, en utilisant la continuité uniforme et Bienaymé–Tchebychev avec la borne uniforme V(Snn)14n\V(\frac{S_n}n) \leq \frac1{4n}. (c) Conclure : une seconde preuve, probabiliste, du théorème d’approximation de Weierstrass (Corollaire 7.16), avec le taux explicite Bnff32ωf(n1/2)\norm{B_nf - f}_\infty \leq \frac32\,\omega_f(n^{-1/2}) pour le module de continuité ωf\omega_f — prouver au moins la forme O(ωf(n1/2))O(\omega_f(n^{-1/2})).

Solution

Solution de Exercice 22.8.

(a) Si SnB(n,x)S_n \sim \mathcal B(n, x), le théorème de transfert donne E[f(Snn)]=k(nk)xk(1x)nkf(kn)=Bnf(x)\E\bigl[f(\frac{S_n}n)\bigr] = \sum_k\binom nkx^k(1-x)^{n-k}f(\frac kn) = B_nf(x).

(b)–(c) Soit ω=ωf\omega = \omega_f le module de continuité (f(u)f(v)ω(uv)\abs{f(u) - f(v)} \leq \omega(\abs{u - v}), et ω(cδ)(1+c)ω(δ)\omega(c \delta) \leq (1 + c)\,\omega(\delta) par enchaînement d’étapes). Alors, pour tout δ>0\delta > 0,

f(u)f(x)(1+(ux)2δ2)ω(δ)\abs{f(u) - f(x)} \leq \Bigl(1 + \frac{(u - x)^2}{\delta^2}\Bigr)\omega(\delta)

(si uxδ\abs{u - x} \leq \delta, clair ; sinon ω(ux)(1+uxδ)ω(δ)(1+(ux)2δ2)ω(δ)\omega(\abs{u-x}) \leq (1 + \frac{\abs{u-x}}\delta) \omega(\delta) \leq (1 + \frac{(u-x)^2}{\delta^2}) \omega(\delta)). Prendre les espérances en u=Snnu = \frac{S_n}n :

Bnf(x)f(x)(1+V(Sn/n)δ2)ω(δ)(1+14nδ2)ω(δ);\abs{B_nf(x) - f(x)} \leq \Bigl(1 + \frac{\V(S_n/n)}{\delta^2}\Bigr)\omega(\delta) \leq \Bigl(1 + \frac{1}{4n\delta^2}\Bigr)\omega(\delta) ;

avec δ=n1/2\delta = n^{-1/2} : Bnff54ω(n1/2)32ω(n1/2)0\norm{B_nf - f}_\infty \leq \frac54\,\omega\bigl(n^{-1/2}\bigr) \leq \frac32\,\omega\bigl(n^{-1/2}\bigr) \to 0 (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 nn types sont tirées uniformément avec remise ; soit TnT_n le nombre de tirages jusqu’à ce que tous les types soient vus. (a) Écrire Tn=k=1nτkT_n = \sum_{k=1}^{n}\tau_k avec τk\tau_k géométrique de paramètre nk+1n\frac{n - k + 1}n, les τk\tau_k indépendantes, et en déduire ETn=nHnnlnn\E T_n = n\,H_n \sim n\ln n (HnH_n le nombre harmonique) et V(Tn)π26n2\V(T_n) \leq \frac{\pi^2}6n^2. (b) Bienaymé–Tchebychev : Tnnlnn1\frac{T_n}{n\ln n} \to 1 en probabilité. (c) Affiner avec Borel–Cantelli : montrer directement P(Tn>βnlnn)n1β\P(T_n > \beta n\ln n) \leq n^{1 - \beta} pour β>1\beta > 1 (borne d’union sur l’événement qu’un type est manqué après βnlnn\beta n\ln n tirages, via 1xex1 - x \leq \eu^{-x}), et en déduire que le long de n=2mn = 2^m, p.s. TnβnlnnT_n \leq \beta n\ln n éventuellement, pour tout β>2\beta > 2.

Solution

Solution de Exercice 22.9.

(a) Après k1k - 1 types collectés, chaque tirage est nouveau avec probabilité pk=nk+1np_k = \frac{n-k+1}n : τk\tau_k est géométrique (pk)(p_k), et les τk\tau_k sont indépendantes (les tirages le sont). Sommes : ETn=knnk+1=nHnnlnn\E T_n = \sum_k\frac n{n-k+1} = nH_n \sim n\ln n ; V(Tn)=1pkpk2n2j=1n1j2π26n2\V(T_n) = \sum\frac{1 - p_k}{p_k^2} \leq n^2\sum_{j=1}^n\frac1{j^2} \leq \frac{\pi^2}6n^2.

(b) Bienaymé–Tchebychev : P(TnnHnεnlnn)π2n2/6ε2n2ln2n0\P\bigl(\abs{T_n - nH_n} \geq \varepsilon n\ln n\bigr) \leq \frac{\pi^2n^2/6}{\varepsilon^2n^2\ln^2n} \to 0, et nHnnlnn1\frac{nH_n}{n\ln n} \to 1 : Tnnlnn1\frac{T_n}{n\ln n} \to 1 en probabilité.

(c) Borne d’union : Tn>tT_n > t signifie qu’un type est non vu après t\lceil t\rceil tirages, donc P(Tn>t)n(11n)tnet/n\P(T_n > t) \leq n(1 - \frac1n)^{t} \leq n\,\eu^{-t/n} ; en t=βnlnnt = \beta n\ln n : n1β\leq n^{1 - \beta}. Pour β>1\beta > 1, m2m(1β)<\sum_m 2^{m(1-\beta)} < \infty : Borel–Cantelli donne, le long de n=2mn = 2^m, p.s. TnβnlnnT_n \leq \beta n\ln n éventuellement — en particulier pour tout β>2\beta > 2 comme énoncé (tout β>1\beta > 1 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 U=b2k2kU = \sum b_{2k}2^{-k} (chiffres d’indices pairs d’un ω\omega uniforme) est uniforme et indépendante de V=b2k12kV = \sum b_{2k-1}2^{-k} ; (b) en déduire une bijection mesurable à ensembles négligeables près entre [0,1]\intcc01 et [0,1]2\intcc01^2 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 (b2k)k(b_{2k})_k sont des bits équitables i.i.d. (une sous-famille de la famille de chiffres indépendante), donc U=kb2k2kU = \sum_kb_{2k}2^{-k} donne à tout intervalle dyadique sa bonne probabilité (comme dans le Théorème 22.6) : uniforme ; de même VV ; et (U,V)(U, V) dépendent de blocs de chiffres disjoints : indépendants (factorisation sur les rectangles dyadiques, puis Dynkin).

(b) Φ(ω)=(U(ω),V(ω))\Phi(\omega) = (U(\omega), V(\omega)) est mesurable avec Φλ=λλ=λ2\Phi_*\lambda = \lambda\otimes\lambda = \lambda_2 (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 [0,1]\intcc01 et [0,1]2\intcc01^2. 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 (Xn)n1(X_n)_{n\geq1} i.i.d. de fonction de répartition continue, et disons qu’un record se produit au temps nn si Xn>max(X1,,Xn1)X_n > \max(X_1, \dots, X_{n-1}) (le temps 11 est un record). Soit RnR_n l’indicateur de record. (a) Montrer P(Rn=1)=1n\P(R_n = 1) = \frac1n (par symétrie, chacun des n!n! ordres de X1,,XnX_1, \dots, X_n est équiprobable et les égalités ont probabilité 00). (b) Montrer que les RnR_n sont indépendants (compter les ordres compatibles avec des positions de records prescrites, ou argumenter que l’ordre relatif de X1,,Xn1X_1, \dots, X_{n-1} est indépendant du rang de XnX_n 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 n,n+1n, n+1 se produisent infiniment souvent avec probabilité — décider laquelle ! — et calculer nP(Rn=1,Rn+1=1)\sum_n\P(R_n = 1, R_{n+1} = 1).

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 n!n! ordres relatifs de (X1,,Xn)(X_1, \dots, X_n) sont échangeables, donc équiprobables. Rn=1R_n = 1 signifie que le maximum siège en dernière position : probabilité (n1)!n!=1n\frac{(n-1)!}{n!} = \frac1n.

(b) Fixer nn et conditionner sur l’ordre relatif de X1,,Xn1X_1, \dots, X_{n-1} : l’insertion de XnX_n dans les nn créneaux de rang possibles est uniforme et indépendante de cet ordre (échangeabilité du nn-uplet). Donc RnR_n (l’événement « XnX_n prend le créneau du haut ») est indépendant de toute l’histoire des records (R1,,Rn1)(R_1, \dots, R_{n-1}), qui est une fonction de l’ordre relatif des n1n - 1 premières variables. La récurrence donne l’indépendance totale avec P(Rn=1)=1n\P(R_n = 1) = \frac1n.

(c) P(Rn=1)=1n=\sum\P(R_n = 1) = \sum\frac1n = \infty 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 : E[#recordsn]=Hnlnn\E[\#\text{records} \leq n] = H_n \approx \ln n). Records consécutifs : P(Rn=Rn+1=1)=1n(n+1)\P(R_n = R_{n+1} = 1) = \frac1{n(n+1)} (indépendance), et

n1n(n+1)=n(1n1n+1)=1<:\sum_n\frac1{n(n+1)} = \sum_n\Bigl(\frac1n - \frac1{n+1}\Bigr) = 1 < \infty :

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 nn fois. Soit LnL_n la longueur de la plus longue série de faces consécutives. Montrer que

Lnlog2nnp.s.1\frac{L_n}{\log_2 n} \xrightarrow[n\to\infty]{\text{p.s.}} 1

(la moitié supérieure de l’Exercice 22.4(b) donne lim sup1\limsup \leq 1 ; pour lim inf1\liminf \geq 1, découper [1,n][1, n] en blocs de longueur (1ε)log2n\lfloor(1-\varepsilon)\log_2 n\rfloor et appliquer Borel–Cantelli (2) à des blocs disjoints).

Solution

Solution de Exercice 22.12.

(a) Une série de longueur \ell commençant en position ini \leq n a pour probabilité 22^{-\ell} ; borne d’union : P(Ln)n2\P(L_n \geq \ell) \leq n2^{-\ell}. Avec n=(1+ε)log2n\ell_n = (1 + \varepsilon)\log_2n : P(Lnn)nε\P(L_n \geq \ell_n) \leq n^{-\varepsilon}. Le long de n=2kn = 2^k : k2kε<\sum_k2^{-k\varepsilon} < \infty, donc p.s. L2k<(1+ε)kL_{2^k} < (1+\varepsilon)k éventuellement (Borel–Cantelli) ; pour nn général prendre 2k1<n2k2^{k-1} < n \leq 2^k et utiliser la monotonie de LnL_n plus log22k1log2n\log_22^{k-1} \leq \log_2n : LnL2k<(1+ε)k(1+ε)kk1log2nL_n \leq L_{2^k} < (1 + \varepsilon)k \leq (1 + \varepsilon)\frac{k}{k-1}\log_2n, et le facteur supplémentaire s’absorbe en élargissant ε\varepsilon légèrement.

(b) Avec =(1ε)log2n\ell = \lceil(1 - \varepsilon)\log_2n\rceil et m=n/m = \lfloor n/\ell\rfloor blocs disjoints : les blocs sont indépendants, chacun tout-faces avec probabilité 2n(1ε)/22^{-\ell} \geq n^{-(1-\varepsilon)}/2, donc

P(Ln<)(12)mexp(m2)exp(cnεlog2n)\P(L_n < \ell) \leq \bigl(1 - 2^{-\ell}\bigr)^{m} \leq \exp\bigl(-m2^{-\ell}\bigr) \leq \exp\Bigl(-c\,\frac{n^{\varepsilon}}{\log_2n}\Bigr)

pour une constante c>0c > 0 et nn grand. Ces probabilités sont sommables le long de n=2kn = 2^k (et même le long de tous les nn) : Borel–Cantelli donne p.s. Ln(1ε)log2nL_n \geq (1 - \varepsilon)\log_2n éventuellement (la monotonie remplit entre les 2k2^k comme en (a), sans dommage).

(c) Les deux bornes le long d’une suite ε=1j\varepsilon = \frac1j, en intersectant dénombrablement beaucoup d’événements de mesure pleine : Lnlog2n1\frac{L_n}{\log_2n} \to 1 p.s. Pour n=106n = 10^6 : log2n19.9\log_2n \approx 19.9 — une série de 20\approx 20 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 55 ou 66 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 L1L^1

La loi forte sous L4L^4 (preuve du chapitre) est un échantillon ; la version L1L^1 est le théorème. La preuve d’Etemadi (1981) est la plus propre connue : troncature, sous-suite nk=αkn_k = \lfloor\alpha^k\rfloor, sandwich par monotonie, le tout avec seulement l’indépendance deux à deux. Tout au long, (Xn)(X_n) sont i.i.d. (ou seulement deux à deux indépendantes, de même loi) dans L1L^1, m=EX1m = \E X_1, Sn=X1++XnS_n = X_1 + \dots + X_n.

Partie I — Réduction à des variables positives.

  1. Montrer que si la loi forte vaut pour les parties positives et négatives séparément, elle vaut pour X1X_1. On peut donc supposer Xn0X_n \geq 0 (et m<m < \infty).
  2. (Troncature) Poser Yn=Xn1{Xnn}Y_n = X_n\mathbf 1_{\{X_n \leq n\}} et Tn=Y1++YnT_n = Y_1 + \dots + Y_n. Montrer nP(XnYn)<\sum_n\P(X_n \neq Y_n) < \infty (calculer : P(X1>n)=P(X1>n)\P(X_1 > n) = \P(X_1 > n) et nP(X1>n)=E[X1]<\sum_n\P(X_1 > n) = \E[X_1] < \infty pour X10X_1 \geq 0), et conclure par Borel–Cantelli (1) que p.s. Xn=YnX_n = Y_n pour nn assez grand.
  3. En déduire que Sn/nmS_n/n \to m p.s. ssi Tn/nmT_n/n \to m p.s.

Partie II — La sous-suite géométrique. Fixer α>1\alpha > 1 et poser nk=αkn_k = \lfloor\alpha^k\rfloor.

  1. Montrer EYnm\E Y_n \to m (convergence dominée, ou monotone pour X10X_1 \geq 0), et en déduire E(Tnk/nk)m\E(T_{n_k}/n_k) \to m.
  2. Estimer la variance : montrer

    V(Tnk)nnkE[Yn2]nkj0(j+1)2P(j<X1j+1)\V(T_{n_k}) \leq \sum_{n\leq n_k}\E[Y_n^2] \leq n_k\sum_{j\geq0}(j+1)^2\P(j < X_1 \leq j+1)

    en regroupant, et conclure kV(Tnk)/nk2<\sum_k\V(T_{n_k})/n_k^2 < \infty (échanger les sommes ; le coefficient de P(j<X1j+1)\P(j < X_1 \leq j+1) est O(j)O(j) car nkjn_k \gtrsim j force klogjk \gtrsim \log j).

  3. Appliquer Bienaymé–Tchebychev et Borel–Cantelli (1) : p.s. Tnk/nkE(Tnk/nk)0T_{n_k}/n_k - \E(T_{n_k}/n_k) \to 0. Conclure Tnk/nkmT_{n_k}/n_k \to m p.s.

Partie III — Sandwich.

  1. Pour nkn<nk+1n_k \leq n < n_{k+1} et Xi0X_i \geq 0 : TnkTnTnk+1T_{n_k} \leq T_n \leq T_{n_{k+1}}. En déduire

    nknk+1TnknkTnnnk+1nkTnk+1nk+1.\frac{n_k}{n_{k+1}}\cdot\frac{T_{n_k}}{n_k} \leq \frac{T_n}{n} \leq \frac{n_{k+1}}{n_k}\cdot \frac{T_{n_{k+1}}}{n_{k+1}} .
  2. Passer à la limite le long de nn \to \infty (donc kk \to \infty) : 1αmlim infTn/nlim supTn/nαm\frac1\alpha m \leq \liminf T_n/n \leq \limsup T_n/n \leq \alpha m p.s. Faire α1\alpha \downarrow 1 le long d’une suite dénombrable : Tn/nmT_n/n \to m p.s.
  3. Assembler : Sn/nmS_n/n \to m p.s. pour X1L1X_1 \in L^1 (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.

  1. (Nombre normal) Soit b2b \geq 2 un entier. Montrer que pour presque tout x[0,1]x \in \intcc01, la fréquence asymptotique de chaque chiffre d{0,,b1}d \in \{0,\dots,b-1\} dans le développement en base bb de xx vaut 1b\frac1b (appliquer la loi forte aux variables indicateurs — justifier que les chiffres en base bb d’une variable uniforme sont i.i.d. uniformes sur {0,,b1}\{0,\dots,b-1\} 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 2\sqrt2 ou π\pi reste ouvert.
  2. (Monte-Carlo, garanti) Justifier complètement la méthode de l’Exemple 22.14(b) pour gL1([0,1]d)g \in L^1(\intcc01^d) : construire l’échantillon i.i.d. uniforme sur [0,1]d\intcc01^d 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 (Zn)(Z_n) des variables indépendantes centrées de L2L^2 et Sk=Z1++ZkS_k = Z_1 + \dots + Z_k (notation fraîche, sans rapport avec les XnX_n ci-dessus).

  1. (Inégalité maximale de Kolmogorov) Pour ε>0\varepsilon > 0 prouver

    P(max1knSkε)    1ε2k=1nV(Zk):\P\Bigl(\max_{1\leq k\leq n}\abs{S_k} \geq \varepsilon\Bigr) \;\leq\; \frac1{\varepsilon^2}\sum_{k=1}^n\V(Z_k) :

    le prix de Bienaymé–Tchebychev achète le maximum (partitionner l’événement selon le premier indice kk avec Skε\abs{S_k} \geq \varepsilon ; sur ce morceau écrire Sn2Sk2+2Sk(SnSk)S_n^2 \geq S_k^2 + 2S_k(S_n - S_k) et utiliser l’indépendance des coalitions (Z1,,Zk)(Z_1, \dots, Z_k) et (Zk+1,,Zn)(Z_{k+1}, \dots, Z_n), Théorème 22.5). Pointer l’étape où l’indépendance deux à deux ne suffirait plus.

  2. (Théorème à une série de Khinchin–Kolmogorov) En déduire : si nV(Zn)<\sum_n\V(Z_n) < \infty, alors nZn\sum_nZ_n converge presque sûrement (montrer que p.s. les sommes partielles forment une suite de Cauchy : faire mm \to \infty dans l’inégalité maximale appliquée à ZN+1,,ZN+mZ_{N+1}, \dots, Z_{N+m}, puis NN \to \infty).
  3. (Séries de Rademacher) Soient (εn)(\varepsilon_n) des signes i.i.d., P(εn=±1)=12\P(\varepsilon_n = \pm1) = \frac12 (Théorème 22.6), et (xn)(x_n) des réels. Montrer que nxnεn\sum_nx_n\varepsilon_n converge p.s. dès que nxn2<\sum_nx_n^2 < \infty ; montrer aussi que, quels que soient (xn)(x_n), la probabilité que nxnεn\sum_nx_n\varepsilon_n converge vaut 00 ou 11 (Théorème 22.9).
  4. La réciproque, élémentairement. Poser Tn=knxkεkT_n = \sum_{k\leq n}x_k\varepsilon_k et sn2=knxk2s_n^2 = \sum_{k\leq n}x_k^2, et supposer sns_n \to \infty. (a) Prouver l’inégalité de Paley–Zygmund : pour Z0Z \geq 0 avec EZ2<\E Z^2 < \infty et 0<θ<10 < \theta < 1,

    P(Z>θEZ)    (1θ)2(EZ)2EZ2\P\bigl(Z > \theta\,\E Z\bigr) \;\geq\; (1 - \theta)^2\,\frac{(\E Z)^2}{\E Z^2}

    (scinder EZ\E Z au niveau θEZ\theta\E Z et appliquer Cauchy–Schwarz au morceau supérieur). (b) Montrer ETn43sn4\E T_n^4 \leq 3s_n^4. (c) En déduire P(Tn>sn2)316\P\bigl(\abs{T_n} > \frac{s_n}2\bigr) \geq \frac3{16} et conclure que nxnεn\sum_nx_n\varepsilon_n diverge p.s. ; d’où la dichotomie

    nxnεn converge p.s.    nxn2<.\sum_nx_n\varepsilon_n\ \text{converge p.s.} \iff \sum_nx_n^2 < \infty .
  5. (Série harmonique aléatoire) Conclure que nεnns\sum_n\frac{\varepsilon_n}{n^s} converge p.s. ssi s>12s > \frac12. Pour 12<s1\frac12 < s \leq 1 la série converge p.s. tandis que nns=\sum_nn^{-s} = \infty : les signes aléatoires produisent une annulation de force racine carrée — comparer avec la série alternée n(1)nns\sum_n\frac{(-1)^n}{n^s}, qui converge pour tout s>0s > 0.

Partie VI — Concentration : inégalité de Hoeffding. La loi forte dit Snnm\frac{S_n}n \to m ; les inégalités de concentration disent à quel point une déviation est improbable à chaque nn fixé.

  1. (Lemme de Hoeffding) (a) Montrer coshλeλ2/2\cosh\lambda \leq \eu^{\lambda^2/2} pour tout λR\lambda \in \R, en comparant les deux séries terme à terme. (b) Soit ZZ centrée avec aZba \leq Z \leq b, a<ba < b. Montrer

    EeλZexp(λ2(ba)28)\E\,\eu^{\lambda Z} \leq \exp\Bigl(\frac{\lambda^2(b - a)^2}8\Bigr)

    (borner eλz\eu^{\lambda z} sur [a,b]\intcc ab par sa corde, prendre les espérances, et étudier φ(t)=pt+log(1p+pet)\varphi(t) = -pt + \log(1 - p + p\eu^t) avec p=abap = \frac{-a}{b-a} et t=λ(ba)t = \lambda(b - a) : montrer φ(0)=φ(0)=0\varphi(0) = \varphi'(0) = 0 et φ14\varphi'' \leq \frac14).

  2. (Inégalité de Hoeffding) Soient X1,,XnX_1, \dots, X_n indépendantes avec aiXibia_i \leq X_i \leq b_i et Sn=X1++XnS_n = X_1 + \dots + X_n. Prouver, pour t>0t > 0,

    P(SnESnt)exp(2t2i=1n(biai)2),\P\bigl(S_n - \E S_n \geq t\bigr) \leq \exp\Bigl(\frac{-2t^2}{\sum_{i=1}^n(b_i - a_i)^2}\Bigr),

    et la même borne pour la queue inférieure (Bienaymé–Tchebychev exponentiel : borner Eeλ(SnESn)\E\,\eu^{\lambda(S_n - \E S_n)} via l’indépendance et la question 17, puis optimiser en λ>0\lambda > 0).

  3. (La loi forte, cas borné, avec un taux) Soient les XiX_i i.i.d. à valeurs dans [a,b]\intcc ab et m=EX1m = \E X_1. Montrer

    P(Snnmε)2exp(2nε2(ba)2)\P\Bigl(\Bigl|\frac{S_n}n - m\Bigr| \geq \varepsilon\Bigr) \leq 2\exp\Bigl(\frac{-2n\varepsilon^2}{(b - a)^2}\Bigr)

    et récupérer Snnm\frac{S_n}n \to m p.s. par Borel–Cantelli : une seconde preuve de la loi forte pour des variables bornées — pas de troncature, un taux exponentiel à chaque nn fini, mais des summands bornés et l’indépendance totale. Comparer les hypothèses avec celles d’Etemadi.

  4. (Monte-Carlo, garanti à nn fixé) Soit g ⁣:[0,1]d[0,1]g \colon \intcc01^d \to \intcc01 mesurable et (Uk)(U_k) l’échantillon i.i.d. uniforme de la question 11. Étant donnés ε,δ>0\varepsilon, \delta > 0, montrer

    nlog(2/δ)2ε2    P(1nk=1ng(Uk)g ⁣dλdε)δ,n \geq \frac{\log(2/\delta)}{2\varepsilon^2} \implies \P\Bigl(\Bigl|\frac1n\sum_{k=1}^ng(U_k) - \int g\,\dd\lambda_d\Bigr| \geq \varepsilon\Bigr) \leq \delta,

    et évaluer le seuil pour ε=δ=102\varepsilon = \delta = 10^{-2}. La borne n’implique pas dd : comparer avec la question 11 et avec les grilles déterministes.

Partie VII — Quelle taille pour une marche aléatoire ? Vers le logarithme itéré. Soit Sn=ε1++εnS_n = \varepsilon_1 + \dots + \varepsilon_n la marche aléatoire simple construite sur des signes équitables i.i.d.

  1. (Queues sous-gaussiennes) Montrer EeλSn=(coshλ)nenλ2/2\E\,\eu^{\lambda S_n} = (\cosh\lambda)^n \leq \eu^{n\lambda^2/2} et en déduire, pour x>0x > 0,

    P(Snx)ex2/(2n),P(Snx)2ex2/(2n).\P(S_n \geq x) \leq \eu^{-x^2/(2n)}, \qquad \P(\abs{S_n} \geq x) \leq 2\,\eu^{-x^2/(2n)} .
  2. En déduire, via Borel–Cantelli,

    lim supnSn2nlogn1p.s.\limsup_{n\to\infty}\frac{\abs{S_n}} {\sqrt{2n\log n}} \leq 1 \quad\text{p.s.}

    (pour η>0\eta > 0, sommer les bornes de queue en x=(1+η)2nlognx = (1 + \eta)\sqrt{2n\log n}, puis intersecter sur η=1p\eta = \frac1p). En particulier la marche vit à l’échelle TCL n\sqrt n à un facteur logarithmique près — bien en dessous de la borne grossière Snn\abs{S_n} \leq n.

  3. Le long de la sous-suite de doublement nj=2jn_j = 2^j, montrer

    lim supjSnj2njloglognj1p.s.,\limsup_{j\to\infty}\frac{S_{n_j}} {\sqrt{2n_j\log\log n_j}} \leq 1 \quad\text{p.s.},

    et réfléchir : la loi du logarithme itéré (Khinchin ; Hartman–Wintner pour des summands centrés L2L^2 généraux) affirme que

    lim supnSn2nloglogn=1p.s.\limsup_{n\to\infty}\frac{S_n} {\sqrt{2n\log\log n}} = 1 \quad\text{p.s.}

    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 maxnjnnj+1Sn\max_{n_j \leq n \leq n_{j+1}}S_n 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.

  4. (Déviation uniforme sur une classe finie) Soient A1,,ANA_1, \dots, A_N des événements dans une expérience répétable, et estimer chaque probabilité par sa fréquence empirique p^i\hat p_i sur nn répétitions i.i.d. En combinant l’inégalité de Hoeffding avec une borne d’union, montrer

    P(maxiNp^iP(Ai)>ε)    2Ne2nε2,\P\Bigl(\max_{i\leq N}\,\abs{\hat p_i - \P(A_i)} > \varepsilon\Bigr) \;\leq\; 2N\,\eu^{-2n\varepsilon^2},

    et en déduire la règle de taille d’échantillon : nln(2N/δ)2ε2n \geq \frac{\ln(2N/\delta)}{2\varepsilon^2} garantit que les NN estimations sont simultanément ε\varepsilon-exactes avec probabilité 1δ\geq 1 - \delta. Calculer nn pour N=106N = 10^6, ε=0.01\varepsilon = 0.01, δ=0.05\delta = 0.05 : le prix logarithmique de l’uniformité.

  5. (La fenêtre harmonique aléatoire) En combinant les deux moitiés de la théorie des séries aléatoires, montrer que pour des signes i.i.d. (εn)(\varepsilon_n) la série nεnnα\sum_n\frac{\varepsilon_n}{n^\alpha} converge p.s. si α>12\alpha > \frac12 et diverge p.s. si α12\alpha \leq \frac12 ; contraster avec la convergence absolue (qui exige α>1\alpha > 1) : sur la fenêtre α(12,1]\alpha \in \intoc{\frac12}1, la convergence est un phénomène véritablement probabiliste — annulation, non taille.
Solution

Solution de Problème 22.1.

1. Xn±X_n^{\pm} sont des fonctions boréliennes de XnX_n : elles restent deux à deux indépendantes (Exercice 22.3(a)) et identiquement distribuées, intégrables, avec EX1=EX1+EX1\E X_1 = \E X_1^+ - \E X_1^-. Si le théorème vaut pour des variables positives, l’appliquer aux deux moitiés et soustraire : Snn=Sn+nSnnEX1+EX1=m\frac{S_n}n = \frac{S_n^+}n - \frac{S_n^-}n \to \E X_1^+ - \E X_1^- = m p.s.

2. P(XnYn)=P(Xn>n)=P(X1>n)\P(X_n \neq Y_n) = \P(X_n > n) = \P(X_1 > n) (lois identiques), et nP(X1>n)nP(X1n)EX1<\sum_n\P(X_1 > n) \leq \sum_n\P(X_1 \geq n) \leq \E X_1 < \infty (Exercice 11.3(a)). Borel–Cantelli (1) : p.s. Xn=YnX_n = Y_n pour tout nn assez grand, donc SnSnS_n - S_n^* est éventuellement constant en nn : SnSnn0\frac{S_n - S_n^*}n \to 0 p.s., et les deux sommes normalisées partagent leur comportement asymptotique.

3. X11X1nX1X_1\mathbf 1_{X_1 \leq n} \nearrow X_1 : le théorème de convergence monotone donne EYnm\E Y_n \to m ; les moyennes de Cesàro d’une suite convergente convergent vers la même limite : ESnn=1nknEYkm\frac{\E S_n^*}n = \frac1n\sum_{k\leq n}\E Y_k \to m. Il suffit donc de prouver SnESnn0\frac{S^*_n - \E S^*_n}{n} \to 0 p.s.

4. V(Yn)EYn2=E[X121X1n]\V(Y_n) \leq \E Y_n^2 = \E[X_1^2\mathbf 1_{X_1\leq n}]. Par Tonelli pour les séries,

nE[X121X1n]n2=E[X12 ⁣ ⁣nmax(X1,1) ⁣1n2]E[X124max(X1,1)]4E[X1]<,\sum_n\frac{\E[X_1^2\mathbf 1_{X_1\leq n}]}{n^2} = \E\Bigl[X_1^2\!\!\sum_{n \geq \max(X_1, 1)}\!\frac1{n^2} \Bigr] \leq \E\Bigl[X_1^2\cdot\frac{4}{\max(X_1,1)}\Bigr] \leq 4\,\E[X_1] < \infty,

en utilisant nxn24x\sum_{n\geq x}n^{-2} \leq \frac4x pour x1x \geq 1 (pour x2x \geq 2 : 1x12x\leq \frac1{x-1} \leq \frac2x ; pour 1x<21 \leq x < 2 : π264x\leq \frac{\pi^2}6 \leq \frac4x car 4x>2\frac4x > 2), et X12/max(X1,1)X1X_1^2/\max(X_1, 1) \leq X_1 dans les deux cas X11X_1 \gtrless 1.

5. L’indépendance deux à deux donne E[(YiEYi)(YjEYj)]=0\E[(Y_i - \E Y_i)(Y_j - \E Y_j)] = 0 pour iji \neq j (la formule produit pour deux variables), donc les variances s’additionnent : V(Sk)=nkV(Yn)\V(S^*_k) = \sum_{n\leq k}\V(Y_n). Bienaymé–Tchebychev sur chaque kjk_j et sommation :

jP(SkjESkjεkj)1ε2j1kj2nkjV(Yn)=1ε2nV(Yn) ⁣ ⁣j:kjn ⁣1kj2\sum_j\P\Bigl(\abs{S^*_{k_j} - \E S^*_{k_j}} \geq \varepsilon k_j\Bigr) \leq \frac1{\varepsilon^2}\sum_j\frac1{k_j^2}\sum_{n\leq k_j}\V(Y_n) = \frac1{\varepsilon^2}\sum_n\V(Y_n)\!\!\sum_{j : k_j\geq n}\!\frac1{k_j^2}

(Tonelli pour la double série positive).

6. kj=αjαj2k_j = \lfloor\alpha^j\rfloor \geq \frac{\alpha^j}2 (valide une fois αj1\alpha^j \geq 1, c’est-à-dire tout j0j \geq 0 : xx2\lfloor x\rfloor \geq \frac x2 pour x1x \geq 1). D’où

j:kjn1kj24j:αjnα2j41α21n2=Cαn2,\sum_{j : k_j \geq n}\frac1{k_j^2} \leq 4\sum_{j : \alpha^j \geq n}\alpha^{-2j} \leq \frac{4}{1 - \alpha^{-2}}\cdot\frac1{n^2} = \frac{C_\alpha}{n^2},

(série géométrique depuis le premier jj avec αjn\alpha^j \geq n). En combinant avec les questions 4–5, la double somme est finie ; Borel–Cantelli (1), appliqué pour chaque ε\varepsilon rationnel et intersecté, donne SkjESkjkj0\frac{S^*_{k_j} - \E S^*_{k_j}}{k_j} \to 0 p.s., et avec la question 3 : Skjkjm\frac{S^*_{k_j}}{k_j} \to m p.s.

7. Yn0Y_n \geq 0 rend nSnn \mapsto S^*_n croissante : pour kjnkj+1k_j \leq n \leq k_{j+1},

Skjkj+1SnnSkj+1kj,\frac{S^*_{k_j}}{k_{j+1}} \leq \frac{S^*_n}{n} \leq \frac{S^*_{k_{j+1}}}{k_j},

qui est le sandwich affiché après insertion de kjkj+1\frac{k_j}{k_{j+1}} et kj+1kj\frac{k_{j+1}}{k_j}. Comme kj+1kjα\frac{k_{j+1}}{k_j} \to \alpha, la question 6 donne p.s.

mαlim infnSnnlim supnSnnαm.\frac m\alpha \leq \liminf_n\frac{S^*_n}n \leq \limsup_n\frac{S^*_n}n \leq \alpha m .

8. Appliquer la question 7 pour α=1+1p\alpha = 1 + \frac1p, pNp \in \N^* : dénombrablement beaucoup d’événements p.s. ; sur leur intersection, en faisant pp \to \infty : limSnn=m\lim\frac{S^*_n}n = m p.s. Avec les questions 1–3, SnnEX1\frac{S_n}n \to \E X_1 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 bb et un chiffre rr. Les chiffres en base bb (dk)(d_k) d’un ω\omega uniforme sont i.i.d. uniformes sur {0,,b1}\{0, \dots, b-1\} (chaque valeur de vecteur de chiffres occupe un intervalle de longueur bmb^{-m} : l’argument du Théorème 22.6 mot pour mot). La loi forte appliquée aux variables bornées i.i.d. 1dk=r\mathbf 1_{d_k = r} donne : p.s., la fréquence du chiffre rr tend vers 1b\frac1b. En intersectant sur les dénombrablement beaucoup de paires (b,r)(b, r) : presque tout nombre est simplement normal dans toute base. Un nombre non normal explicite : x=0.1001001002x = 0.100100100\ldots_2 (fréquence des uns 1312\frac13 \neq \frac12). Le contraste est humble : presque tous les nombres sont normaux, et pourtant pour 2\sqrt2, e\eu ou π\pi 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 UkU_k sur [0,1]d\intcc01^d (scinder l’ensemble des chiffres de chaque UnU_n du Théorème 22.6 en dd sous-familles). Pour gL1([0,1]d)g \in L^1(\intcc01^d), les variables g(Uk)g(U_k) sont i.i.d. intégrables d’espérance g ⁣dλd\int g\,\dd\lambda_d (transfert) : la loi forte donne

1nk=1ng(Uk)np.s.[0,1]dg ⁣dλd:\frac1n\sum_{k=1}^ng(U_k) \xrightarrow[n\to\infty]{\text{p.s.}} \int_{\intcc01^d}g\,\dd\lambda_d :

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 Ak={Skε}j<k{Sj<ε}A_k = \{\abs{S_k} \geq \varepsilon\} \cap \bigcap_{j<k}\{\abs{S_j} < \varepsilon\} : les AkA_k sont disjoints d’union A={maxknSkε}A = \{\max_{k\leq n}\abs{S_k} \geq \varepsilon\}. Alors

ESn2k=1nE[Sn21Ak]=k=1nE[(Sk2+2Sk(SnSk)+(SnSk)2)1Ak]k=1nE[Sk21Ak],\E S_n^2 \geq \sum_{k=1}^n\E\bigl[S_n^2\mathbf 1_{A_k}\bigr] = \sum_{k=1}^n\E\Bigl[\bigl(S_k^2 + 2S_k(S_n - S_k) + (S_n - S_k)^2\bigr)\mathbf 1_{A_k}\Bigr] \geq \sum_{k=1}^n\E\bigl[S_k^2\mathbf 1_{A_k}\bigr],

car le terme croisé s’annule : Sk1AkS_k\mathbf 1_{A_k} est une fonction borélienne de la coalition (Z1,,Zk)(Z_1, \dots, Z_k), indépendante de SnSkS_n - S_k, fonction de (Zk+1,,Zn)(Z_{k+1}, \dots, Z_n) (Théorème 22.5), donc E[Sk1Ak(SnSk)]=E[Sk1Ak]E[SnSk]=0\E[S_k\mathbf 1_{A_k}(S_n - S_k)] = \E[S_k\mathbf 1_{A_k}]\,\E[S_n - S_k] = 0. Sur AkA_k, Sk2ε2S_k^2 \geq \varepsilon^2, d’où ESn2ε2kP(Ak)=ε2P(A)\E S_n^2 \geq \varepsilon^2\sum_k\P(A_k) = \varepsilon^2\P(A) ; et ESn2=knV(Zk)\E S_n^2 = \sum_{k\leq n}\V(Z_k) (les variances s’additionnent). L’étape décisive est la factorisation : Sk1AkS_k\mathbf 1_{A_k} 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 ZiZ_i ne décorréle que des paires et ne la justifierait pas.

13. Fixer NN et appliquer la question 12 à ZN+1,,ZN+mZ_{N+1}, \dots, Z_{N+m} :

P(maxN<kN+mSkSN>ε)1ε2j=N+1N+mV(Zj)rNε2,rN=j>NV(Zj).\P\Bigl(\max_{N < k \leq N+m}\abs{S_k - S_N} > \varepsilon\Bigr) \leq \frac1{\varepsilon^2}\sum_{j=N+1}^{N+m}\V(Z_j) \leq \frac{r_N}{\varepsilon^2}, \qquad r_N = \sum_{j>N}\V(Z_j) .

Les événements croissent avec mm ; la continuité par le bas donne P(supk>NSkSN>ε)rN/ε2\P(\sup_{k>N}\abs{S_k - S_N} > \varepsilon) \leq r_N/\varepsilon^2, et rN0r_N \to 0 par hypothèse. Donc pour chaque pNp \in \N^*, P(N{supk>NSkSN>1p})infNp2rN=0\P\bigl(\bigcap_N\{\sup_{k>N}\abs{S_k - S_N} > \frac1p\}\bigr) \leq \inf_Np^2r_N = 0 : presque sûrement, pour tout pp il existe NN avec supk>NSkSN1p\sup_{k>N}\abs{S_k - S_N} \leq \frac1p (intersecter les dénombrablement beaucoup d’événements p.s. sur pp), de sorte que SkSl2p\abs{S_k - S_l} \leq \frac2p pour tous k,l>Nk, l > N : les sommes partielles sont p.s. de Cauchy, donc p.s. convergentes.

14. Les variables Zn=xnεnZ_n = x_n\varepsilon_n sont indépendantes (fonctions boréliennes de variables indépendantes, Exercice 22.3(a)), centrées, avec V(Zn)=xn2\V(Z_n) = x_n^2 : la question 13 s’applique quand nxn2<\sum_nx_n^2 < \infty et donne la convergence p.s. En général, pour chaque NN la convergence de nxnεn\sum_nx_n\varepsilon_n n’est pas affectée par les valeurs de ε1,,εN\varepsilon_1, \dots, \varepsilon_N : l’événement de convergence est dans la σ\sigma-algèbre de queue de la suite indépendante (εn)(\varepsilon_n), donc la loi du zéro-un de Kolmogorov (Théorème 22.9) force sa probabilité à être 00 ou 11.

15. (a) En scindant au niveau θEZ\theta\E Z et en utilisant Cauchy–Schwarz sur le morceau supérieur,

EZ=E[Z1ZθEZ]+E[Z1Z>θEZ]θEZ+EZ2P(Z>θEZ),\E Z = \E\bigl[Z\mathbf 1_{Z \leq \theta\E Z}\bigr] + \E\bigl[Z\mathbf 1_{Z > \theta\E Z}\bigr] \leq \theta\,\E Z + \sqrt{\E Z^2}\, \sqrt{\P(Z > \theta\E Z)} ,

donc (1θ)EZEZ2P(Z>θEZ)(1 - \theta)\E Z \leq \sqrt{\E Z^2\,\P(Z > \theta\E Z)} ; élever au carré. (b) Développer

Tn4=i,j,k,lxixjxkxlE[εiεjεkεl] :T_n^4 = \sum_{i,j,k,l}x_ix_jx_kx_l\, \E[\varepsilon_i\varepsilon_j\varepsilon_k\varepsilon_l]~:

l’espérance vaut 11 quand les indices s’apparient (tous quatre égaux, ou deux paires distinctes, ces dernières en 33 arrangements) et 00 sinon (un signe non apparié a une moyenne nulle et se factorise par indépendance). D’où

ETn4=kxk4+3ijxi2xj2=3sn42kxk43sn4.\E T_n^4 = \sum_kx_k^4 + 3\sum_{i\neq j}x_i^2x_j^2 = 3s_n^4 - 2\sum_kx_k^4 \leq 3s_n^4 .

(c) Paley–Zygmund avec Z=Tn2Z = T_n^2, EZ=sn2\E Z = s_n^2, θ=14\theta = \frac14 :

P(Tn>sn2)=P(Tn2>sn24)(34)2sn43sn4=316.\P\Bigl(\abs{T_n} > \frac{s_n}2\Bigr) = \P\Bigl(T_n^2 > \frac{s_n^2}4\Bigr) \geq \Bigl(\frac34\Bigr)^2 \frac{s_n^4}{3s_n^4} = \frac3{16} .

Si la série convergeait avec probabilité positive, elle convergerait p.s. (question 14), donc supnTn<\sup_n\abs{T_n} < \infty p.s., et un certain MM satisferait P(supnTn>M)<316\P(\sup_n\abs{T_n} > M) < \frac3{16} ; mais dès que sn>2Ms_n > 2M, P(Tn>M)P(Tn>sn2)316\P(\abs{T_n} > M) \geq \P(\abs{T_n} > \frac{s_n}2) \geq \frac3{16} : contradiction. Donc la divergence est presque sûre, et avec la question 14 la dichotomie est complète.

16. Ici xn=nsx_n = n^{-s} et nn2s<\sum_nn^{-2s} < \infty exactement quand s>12s > \frac12 : par les questions 14–15, nεnns\sum_n\frac{\varepsilon_n}{n^s} converge p.s. ssi s>12s > \frac12 (pour s12s \leq \frac12, divergence p.s.). Pour 12<s1\frac12 < s \leq 1 la convergence n’est jamais absolue. La comparaison est instructive : des signes parfaitement alternés s’annulent à la force nsn^{-s} pour tout s>0s > 0, tandis que des signes aléatoires typiques s’annulent seulement à la force racine carrée — la marche aléatoire de la question 21 croît comme n\sqrt n, et la sommation d’Abel convertit exactement cette croissance en convergence de εnns\sum\varepsilon_nn^{-s} pour s>12s > \frac12.

17. (a) coshλ=kλ2k(2k)!\cosh\lambda = \sum_k\frac{\lambda^{2k}}{(2k)!} et eλ2/2=kλ2k2kk!\eu^{\lambda^2/2} = \sum_k\frac{\lambda^{2k}}{2^kk!} ; et (2k)!2kk!(2k)! \geq 2^kk! vaut terme à terme, car (2k)!k!=i=1k(k+i)i=1k(2i)=2kk!\frac{(2k)!}{k!} = \prod_{i=1}^k(k + i) \geq \prod_{i=1}^k(2i) = 2^kk! (chaque facteur vérifie k+i2ik + i \geq 2i pour iki \leq k), de sorte qu’en fait (2k)!2k(k!)22kk!(2k)! \geq 2^k(k!)^2 \geq 2^kk!. (b) Noter a0ba \leq 0 \leq b (ZZ est centrée), et par convexité de zeλzz \mapsto \eu^{\lambda z}, pour z[a,b]z \in \intcc ab :

eλzbzbaeλa+zabaeλb,doncEeλZbeλaaeλbba=(1p)ept+pe(1p)t=eφ(t)\eu^{\lambda z} \leq \frac{b - z}{b - a}\,\eu^{\lambda a} + \frac{z - a}{b - a}\,\eu^{\lambda b}, \qquad\text{donc}\qquad \E\,\eu^{\lambda Z} \leq \frac{b\,\eu^{\lambda a} - a\,\eu^{\lambda b}}{b - a} = (1 - p)\eu^{-pt} + p\,\eu^{(1-p)t} = \eu^{\varphi(t)}

avec p=aba[0,1]p = \frac{-a}{b-a} \in \intcc01, t=λ(ba)t = \lambda(b - a), φ(t)=pt+log(1p+pet)\varphi(t) = -pt + \log(1 - p + p\eu^t). Alors φ(0)=0\varphi(0) = 0, φ(t)=p+pet1p+pet\varphi'(t) = -p + \frac{p\eu^t}{1 - p + p\eu^t} s’annule en 00, et φ(t)=ρ(1ρ)14\varphi''(t) = \rho(1 - \rho) \leq \frac14 pour ρ=pet1p+pet[0,1]\rho = \frac{p\eu^t}{1 - p + p\eu^t} \in \intcc01 : Taylor à l’ordre 22 donne φ(t)t28=λ2(ba)28\varphi(t) \leq \frac{t^2}8 = \frac{\lambda^2(b-a)^2}8.

18. Pour λ>0\lambda > 0, Markov appliqué à la variable positive eλ(SnESn)\eu^{\lambda(S_n - \E S_n)} (Proposition 22.3) et la formule produit pour des variables indépendantes donnent

P(SnESnt)eλti=1nEeλ(XiEXi)exp(λt+λ28i(biai)2),\P(S_n - \E S_n \geq t) \leq \eu^{-\lambda t}\prod_{i=1}^n\E\,\eu^{\lambda(X_i - \E X_i)} \leq \exp\Bigl(-\lambda t + \frac{\lambda^2}8\sum_i(b_i - a_i)^2\Bigr),

par la question 17(b) appliquée à chaque XiEXiX_i - \E X_i centrée [aiEXi,biEXi]\in \intcc{a_i - \E X_i}{b_i - \E X_i} (même largeur). En minimisant l’exposant en λ=4tD\lambda = \frac{4t}{D}, D=i(biai)2D = \sum_i(b_i - a_i)^2, on obtient 2t2D-\frac{2t^2}D. La queue inférieure suit en appliquant le résultat à (Xi)(-X_i).

19. Prendre t=nεt = n\varepsilon et D=n(ba)2D = n(b - a)^2 :

P(Snnmε)2exp(2n2ε2n(ba)2)=2exp(2nε2(ba)2),\P\Bigl(\Bigl|\frac{S_n}n - m\Bigr| \geq \varepsilon\Bigr) \leq 2\exp\Bigl(\frac{-2n^2\varepsilon^2}{n(b-a)^2}\Bigr) = 2\exp\Bigl(\frac{-2n\varepsilon^2}{(b-a)^2}\Bigr),

qui est sommable en nn (série de type géométrique) : Borel–Cantelli (Théorème 22.8) donne que p.s. Snnm<ε\abs{\frac{S_n}n - m} < \varepsilon éventuellement ; en intersectant sur ε=1p\varepsilon = \frac1p on obtient Snnm\frac{S_n}n \to m p.s. Comparaison : Etemadi ne demande que X1L1X_1 \in L^1 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 nn fini — les deux théorèmes répondent à des questions différentes sur la même limite.

20. Les g(Uk)g(U_k) sont i.i.d. à valeurs dans [0,1]\intcc01 d’espérance g ⁣dλd\int g\,\dd\lambda_d (transfert), donc la question 18 avec biai=1b_i - a_i = 1, t=nεt = n\varepsilon donne la borne bilatère 2e2nε2δ2\eu^{-2n\varepsilon^2} \leq \delta dès que e2nε22δ\eu^{2n\varepsilon^2} \geq \frac2\delta, c’est-à-dire nlog(2/δ)2ε2n \geq \frac{\log(2/\delta)}{2\varepsilon^2}. Pour ε=δ=102\varepsilon = \delta = 10^{-2} :

nlog2002104=5.29830.000226492:n \geq \frac{\log 200}{2\cdot10^{-4}} = \frac{5.2983\ldots}{0.0002} \approx 26\,492 :

environ 2650026\,500 échantillons garantissent une précision de 1%1\% avec une confiance de 99%99\% — en toute dimension dd, pour tout intégrande mesurable à valeurs dans [0,1]\intcc01. La loi forte de la question 11 promettait la convergence sans garantie à nn fini ; une grille déterministe à kk points par axe coûte kdk^d évaluations, exponentiel en dd. La concentration est ce qui fait du Monte-Carlo une méthode plutôt qu’un espoir.

21. Indépendance et formule produit : EeλSn=(Eeλε1)n=(coshλ)nenλ2/2\E\,\eu^{\lambda S_n} = (\E\,\eu^{\lambda\varepsilon_1})^n = (\cosh\lambda)^n \leq \eu^{n\lambda^2/2} par la question 17(a). Markov sur eλSn\eu^{\lambda S_n} :

P(Snx)eλx+nλ2/2=ex2/(2n)aˋ l’optimum λ=xn,\P(S_n \geq x) \leq \eu^{-\lambda x + n\lambda^2/2} = \eu^{-x^2/(2n)} \qquad\text{à l'optimum } \lambda = \frac xn,

et la borne symétrique pour Sn-S_n (même loi) double la constante pour Sn\abs{S_n}.

22. Fixer η>0\eta > 0 et poser xn=(1+η)2nlognx_n = (1 + \eta)\sqrt{2n\log n} pour n2n \geq 2 :

P(Snxn)2exp((1+η)2logn)=2n(1+η)2,\P(\abs{S_n} \geq x_n) \leq 2\exp\bigl(-(1 + \eta)^2\log n\bigr) = \frac{2}{n^{(1+\eta)^2}},

sommable car (1+η)2>1(1 + \eta)^2 > 1. Borel–Cantelli : p.s. Sn<(1+η)2nlogn\abs{S_n} < (1 + \eta)\sqrt{2n\log n} pour tout nn assez grand, donc lim supnSn2nlogn1+η\limsup_n\frac{\abs{S_n}}{\sqrt{2n\log n}} \leq 1 + \eta p.s. ; en intersectant les événements p.s. pour η=1p\eta = \frac1p, pNp \in \N^*, on obtient l’affirmation. La marche de taille nn a une amplitude typique n\sqrt n (sa variance), et même ses pires excursions ne dépassent cette échelle que d’au plus 2logn\sqrt{2\log n}.

23. Avec nj=2jn_j = 2^j et x=(1+η)2njloglognjx = (1 + \eta)\sqrt{2n_j\log\log n_j} (défini pour j2j \geq 2), la question 21 donne

P(Snjx)exp((1+η)2loglognj)=(jlog2)(1+η)2,\P\bigl(S_{n_j} \geq x\bigr) \leq \exp\bigl(-(1 + \eta)^2\log\log n_j\bigr) = (j\log 2)^{-(1+\eta)^2},

sommable en jj car (1+η)2>1(1 + \eta)^2 > 1 : Borel–Cantelli et η=1p\eta = \frac1p donnent lim supjSnj/2njloglognj1\limsup_jS_{n_j}/\sqrt{2n_j \log\log n_j} \leq 1 p.s. Ce qui manque pour la moitié supérieure complète est le pont entre les points de contrôle : il faut montrer que maxnjnnj+1Sn\max_{n_j\leq n\leq n_{j+1}}S_n dépasse (1+η)2njloglognj(1+\eta)\sqrt{2n_j\log\log n_j} 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

nj(1+η)22njloglognj=12(1+η)2log(jlog2),\frac{n_j}{(1+\eta)^2\,2n_j\log\log n_j} = \frac{1}{2(1+\eta)^2\log(j\log2)},

qui tend vers 00 mais n’est pas sommable en jj : Borel–Cantelli ne peut conclure. La moitié inférieure de la loi du logarithme itéré applique le second lemme de Borel–Cantelli aux incréments indépendants Snj+1SnjS_{n_{j+1}} - S_{n_j}, 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 p^i\hat p_i est une moyenne de nn variables indicateurs i.i.d. à valeurs dans [0,1]\intcc01 d’espérance P(Ai)\P(A_i) : Hoeffding donne P(p^iP(Ai)>ε)2e2nε2\P(\abs{\hat p_i - \P(A_i)} > \varepsilon) \leq 2\eu^{-2n\varepsilon^2}. La borne d’union multiplie par NN. En résolvant 2Ne2nε2δ2N\eu^{-2n\varepsilon^2} \leq \delta : nln(2N/δ)2ε2n \geq \frac{\ln(2N/\delta)}{2\varepsilon^2}. Numériquement : ln21060.05=ln(4107)17.5\ln\frac{2\cdot10^6}{0.05} = \ln(4\cdot10^7) \approx 17.5, donc n17.5210487600n \geq \frac{17.5}{2\cdot10^{-4}} \approx 87\,600 : estimer une probabilité à ±1%\pm1\% prend environ 1850018\,500 échantillons (ln(2/δ)/2ε2\ln(2/\delta)/2\varepsilon^2), et un million de probabilités seulement 4.7\approx 4.7 fois plus — l’uniformité coûte lnN\ln N, non NN : l’observation qui rend la minimisation du risque empirique, et avec elle l’apprentissage automatique, statistiquement possible.

25. Les variables Xn=εnnαX_n = \frac{\varepsilon_n} {n^\alpha} sont indépendantes, centrées, bornées, avec nV(Xn)=nn2α\sum_n\V(X_n) = \sum_nn^{-2\alpha}. Si α>12\alpha > \frac12 : la série des variances converge, et le théorème à une série (Partie VI) donne la convergence p.s. de Xn\sum X_n. Si α12\alpha \leq \frac12 : la série des variances diverge, et la moitié réciproque (argument de Paley–Zygmund de la Partie VI, applicable car les summands sont bornés par 11) donne la divergence p.s. La convergence absolue demande nα<\sum n^{-\alpha} < \infty : α>1\alpha > 1. Sur (12,1]\intoc{\frac12}1, la série converge p.s. bien que Xn=\sum\abs{X_n} = \infty 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.