BCE Maths approfondies HEC/ESCP ECS 2003, épreuve 2Sujet et corrigé
Epreuve de maths approfondies - ECS 2003
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Annale de maths approfondies BCE HEC/ESCP pour la filiere ECS, session 2003.
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HEC, ESCP-EAP, EM Lyon 2003, Math 2, option scientifique.
Toutes les variables aléatoires qui interviennent dans ce problème sont définies sur un même espace probabilisé (
Ω, B, P ) et à valeurs réelles.
L'espérance d'une variable aléatoireX est notée
E(X) . Si
A est un événement de probabilité non nulle on note
P(E/A) la probabilité conditionnelle sachant
A de l'événement
E .
Sin est un entier naturel non nul et si
x_1, …, x_n sont
n réels on note
min(x_1, …, x_n) ou
min_(1 ⩽ i ⩽ n)x_i le plus petit d'entre eux.
On rappelle que deux variables aléatoiresX et
Y prenant des valeurs positives ou nulles sont indépendantes si et seulement si, pour tout couple (
a, b ) de réels positifs ou nuls, on a :
L'espérance d'une variable aléatoire
Si
On rappelle que deux variables aléatoires
On rappelle qu'une variable aléatoire
X prenant des valeurs positives ou nulles suit une loi exponentielle si et seulement si elle vérifie la propriété, dite d'absence de mémoire :
L'objet du problème est l'obtention de diverses caractérisations de la loi exponentielle.
Partie I: Un résultat d'analyse
On considère une fonction réelle
φ continue sur
[0, 1] . On note
M le maximum de la fonction
|φ| sur
[0, 1] .
Pour tout entier natureln non nul et tout réel
v de
[0, 1] , on note
Y_(n, v) une variable aléatoire suivant la loi binomiale de paramètres
n et
v .
Pour tout entier naturel
- Soit
n un entier naturel non nul,x un réel de]0, 1[, ε un réel strictement positif vérifiant les inégalités
a) Comparer, pour tout réel
v de
[x + ε, 1] , les événements
[Y_(n, v) ⩽ nx] et
[|Y_(n, v) − nv| ⩾ n(v − x)] et en déduire les inégalités:
b) Justifier d'une façon analogue, pour tout réel
v de
[0, x − ε] , l'inégalité :
c) Établir les inégalités :
d) En déduire l'inégalité :
- Établir que, pour tout réel
x de]0, 1[ , on a, pour tout entier natureln assez grand, l'inégalité:
- On suppose maintenant que la fonction
φ vérifie, pour tout entier natureln ,
a) Justifier, pour tout polynôme
P à coefficient réels, l'égalité :
∫_0^1 φ(v)P(v)dv = 0 .
b) Déduire des questions précédentes que, pour tout réelx de
]0, 1[ , on a l'égalité :
b) Déduire des questions précédentes que, pour tout réel
c) Montrer que la fonction
φ est nulle.
Ainsi, on a montré dans cette partie que si
φ est une fonction continue sur
[0, 1] vérifiant pour tout entier naturel
n, ∫_0^1 φ(v)v^n dv = 0 , alors
φ est nulle.
Dans toute la suite du problème, on considère une suite(X_n)_(n ∈ ℕ^∗) de variables aléatoires indépendantes, positives ou nulles, admettant toutes la même densité (nulle sur l'intervalle
] − ∞, 0[ ) dont on note
f la restriction à l'intervalle [
0, + ∞[ . On suppose que la fonction
f est continue et strictement positive sur
[0, + ∞[ .
On noteF la restriction à l'intervalle [
0, + ∞ [ de la fonction de répartition commune à toutes ces variables.
On suppose de plus queX_1 (et donc chaque variable
X_i ) admet une espérance.
Dans toute la suite du problème, on considère une suite
On note
On suppose de plus que
Partie II: Caractérisations de la loi exponentielle à l'aide du minimum d'un
n -échantillon
Pour tout entier naturel
n non nul, on note
I_n l'application définie, pour tout
ω de
Ω , par
I_n(ω) = min_(1 ⩽ i ⩽ n)X_i(ω) et on admet que
I_n est une variable aléatoire qui admet une espérance.
- Déterminer à l'aide de
F , pour tout entier natureln non nul, la fonction de répartition deI_n . - Dans cette question, on suppose que la loi de
X_1 (qui est la loi commune à tous lesX_i ) est exponentielle de paramètreλ strictement positif.
a) Montrer que pour tout entier natureln non nul, la variablenI_n a même loi queX_1 .
b) Déterminer, pour tout entier natureln non nul, l'espérance deI_n .
L'objet des questions suivantes est d'établir que chacune de ces propriétés est caractéristique de la loi exponentielle.
3) Dans cette question, on suppose que, pour tout entier natureln non nul,
nI_n a même loi que
X_1 .
a) Établir, pour tout entier natureln non nul et tout réel
x positif ou nul, l'égalité :
3) Dans cette question, on suppose que, pour tout entier naturel
a) Établir, pour tout entier naturel
b) Déterminer, pour tout réel
x positif ou nul, la valeur de :
lim_(n → + ∞)nln(1 − F(x/n)) .
c) Montrer que la loi deX_1 est exponentielle de paramètre
F^′(0) .
4) On revient au cas général.
a) Montrer que la fonctionF réalise une bijection de
[0, + ∞[ sur
[0, 1[ . On note
F^(− 1) sa réciproque.
b) À l'aide d'un changement de variable, établir, pour tout entier natureln non nul, l'égalité :
c) Montrer que la loi de
4) On revient au cas général.
a) Montrer que la fonction
b) À l'aide d'un changement de variable, établir, pour tout entier naturel
c) Établir, pour tout réel
u de
[0, 1[ , les inégalités :
En déduire que la fonction
G définie sur
[0, 1] par
G(u) = (1 − u)F^(− 1)(u) si
u est élément de
[0, 1[ et par
G(1) = 0 est continue.
Établir, pour tout entier
n au moins égal à 2 , les égalités :
d) On suppose maintenant qu'il existe un réel
λ strictement positif tel que, pour tout entier naturel
n non nul, l'espérance de
I_n est égale à
1/(nλ) .
On noteF_λ la restriction à
[0, + ∞[ de la fonction de répartition de la loi exponentielle de paramètre
λ et
G_λ la fonction définie sur [ 0,1 ] par
G_λ(u) = (1 − u)F_λ^(− 1)(u) si
u est élément de
[0, 1[ et par
G_λ(1) = 0 .
i. Quelle est, pourn entier naturel au moins égal à 2 , la valeur de :
n∫_0^1 G_λ(1 − v)v^(n − 2) dv ?
ii. À l'aide du résultat de la partie I, montrer queG et
G_λ sont égales.
iii. En déduire que la loi deX_1 est exponentielle de paramètre
λ .
On note
i. Quelle est, pour
ii. À l'aide du résultat de la partie I, montrer que
iii. En déduire que la loi de
Partie III: Caractérisation de la loi exponentielle à l'aide des deux premiers records
On pose
R_1 = X_1 . On note
R_2 l'application définie, pour tout élément
ω de
Ω , par :
On admet que
R_2 est une variable aléatoire.
A. Préliminaire
- Exprimer l'événement
[R_2 = R_1] à l'aide de la suite d'événements([X_k ⩽ X_1])_(k ∈ ℕ^∗) . - Établir, pour tout réel
t positif ou nul et pour tout entier natureln non nul, l'inégalité :
- Soit
ε un réel strictement positif. En choisissant un réelt de façon convenable et à l'aide de l'inégalité précédente, montrer que, pour tout entiern assez grand, on a :
Comment énoncer le résultat obtenu ?
4) En déduire que, presque sûrement,R_2 > R_1 .
4) En déduire que, presque sûrement,
B. La caractérisation
Pour tout couple
(x, y) de réels positifs ou nuls on pose :
φ(x, y) = P([R_1 ⩽ x] ∩ [R_2 − R_1 > y]) .
- Soit
(x, y) un couple de réels positifs ou nuls eth un réel strictement positif.
a) Justifier l'égalité :
b) En déduire les inégalités :
- Calculer, pour tout couple
(x, y) de réels positifs ou nuls, la limite de(φ(x + h, y) − φ(x, y))/h quandh tend vers 0 par valeurs supérieures et, en admettant que le résultat tient encore pour la limite quandh tend vers 0 par valeurs inférieures, en déduire l'égalité :
- Dans cette question on suppose que la loi de
X_1 est exponentielle de paramètreλ strictement positif.
a) Établir, pour tout couple(x, y) de réels positifs ou nuls, l'égalité :φ(x, y) = (1 − e^(− λx))e^(− λy) .
b) En déduire la loi deR_2 − R_1 puis l'indépendance des variablesR_1 etR_2 − R_1 . - Réciproquement, dans cette question, on suppose que les variables
R_1 etR_2 − R_1 sont indépendantes et on noteG la fonction de répartition deR_2 − R_1 .
a) Établir, pour tout couple (x, y ) de réels positifs ou nuls, l'égalité :(1 − F(x + y))/(1 − F(x)) = 1 − G(y) .
b) En déduire que les fonctionsG etF sont égales puis, à l'aide de la propriété d'absence de mémoire, montrer que la loi deX_1 est exponentielle.
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