Centrale Mathématiques 1 TSI 2017Sujet et corrigé
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Mesure quantitative de l'information et entropie d'une variable aléatoireAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Le sujet construit mathématiquement la notion d'entropie, qui mesure la quantité d'information contenue dans un événement aléatoire. Il détermine d'abord la fonction associant à une probabilité sa quantité d'information, définit l'entropie d'une variable aléatoire discrète puis celle d'un couple de variables et l'entropie conditionnelle, et termine par une application à un jeu de devinette par dichotomie.
- 1Partie I : questions préliminairesÉtude des propriétés de la fonction logarithme népérien utilisées dans la suite du problème, notamment l'inégalité ln(x) ≤ x-1.
- 2Partie II : mathématisation de l'effet de surpriseDétermination de l'ensemble des fonctions modélisant la quantité d'information d'un événement à partir de contraintes de décroissance et d'additivité.
- 3Partie III : entropie d'une variable aléatoireDéfinition et étude de l'entropie d'une variable aléatoire discrète à valeurs finies puis dans N*, avec comparaison aux lois uniforme et géométrique.
- 4Partie IV : quatrième partieÉtude de l'entropie d'un couple de variables aléatoires, de l'information entre deux couples et de l'entropie conditionnelle.
- 5Partie V : une applicationApplication des notions d'entropie à un jeu où un joueur doit deviner un nombre par une série de questions dichotomiques, pour déterminer le nombre minimal de questions nécessaires.
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Objectif du problème
La première partie étudie quelques propriétés de la fonction logarithme népérien utiles pour les autres parties du problème.
La deuxième partie vise à construire les fonctions permettant de modéliser l'information contenue dans les événements de probabilité non nulle d'un espace probabilisé. L'information contenue dans un tel événement correspond intuitivement à l'effet de surprise provoqué par la réalisation de cet événement.
La troisième partie aborde la notion d'entropie d'une variable aléatoire discrète à valeurs entières.
La quatrième partie aborde l'entropie d'un couple de variables aléatoires et la notion d'entropie conditionnelle. L'exemple traité dans la cinquième partie établit le lien entre la quantité d'information contenue dans un message aléatoire et le nombre minimal de questions que le récepteur du message doit poser à son émetteur pour pouvoir identifier sans ambiguïté l'une des réalisations de ce message.
Notations
- Pour
x ∈ ℝ^(+ ∗), lnx désigne le logarithme népérien dex . - Pour
n ∈ ℕ, [ [0, n] ] désigne les entiers naturels compris entre 0 etn .
I Questions préliminaires
II Mathématisation de l'effet de surprise
i.
ii.
iii.
iv.
II.A - Quelle est la quantité d'information de l'événement certain? Interpréter en terme d'effet de surprise.
II.B - Que peut-on dire de la quantité d'information contenue dans l'événement
II.
II.
II.D.1) Soit
II.D.3) Dans cette question, on fixe
II.D.4) L'égalité
II.D.5) Montrer que parmi ces fonctions, il en existe une et une seule vérifiant en plus l'égalité
Que vaut
II.D.6) On réalise l'expérience aléatoire consistant à effectuer deux lancers successifs d'un dé équilibré à six faces. On considère les évènements suivants
- E: «le numéro sorti lors du premier lancer est pair»;
- M : «le maximum des deux numéros sortis est égal à 4 »;
- N : «la somme des deux numéros sortis est égale à 7 ».
III Entropie d'une variable aléatoire
Si
III.A.1) Interpréter
III.A.2) Montrer que
III.A.3)
b) En appliquant l'inégalité de la question I.B à un nombre réel
III.
III.B.1) Pour
Démontrer que
III.B.2) Dans cette question et la suivante,
a) Quelle est la limite de
b) En déduire que
c) Soit
- si
p_k ⩽ 1/(k^3) , alors0 ⩽ − p_k ln(p_k) ⩽ 1/(k^(3/2)) ; - si
p_k ⩾ 1/(k^3) , alors0 ⩽ − p_k ln(p_k) ⩽ 3p_k ln(k) .
d) Soitk ⩾ 1 . Justifier queln(k) ⩽ k , puis que la série∑_(k ⩾ 1)(1/(k^(3/2)) + 3p_k ln(k)) converge.
e) Conclure.
III.B.3) Dans cette question, on suppose en plus queE(X) ⩽ 1/p, p étant un réel de l'intervalle]0, 1[ . On veut montrer queH(X) ⩽ H(X_1) (entropie d'une variable aléatoire suivant la loi géométrique de paramètrep dont la valeur a été calculée à la question III.B.1).
Pourk ∈ ℕ^∗ , on notep_k = P(X = k) etq_k = P(X_1 = k) .
a) Justifier que la série∑_(k = 1)^(+ ∞)(k − 1)p_k converge et exprimer sa somme en fonction deE(X) .
b) Justifier la convergence de la série∑p_k ln(q_k) et démontrer que
Interpréter ce résultat en terme de quantité moyenne d'information.
IV Quatrième partie
On suppose que, pour tout
Notations
IV.A - Propriétés de l'information entre deux couples
IV.A.3) On suppose que les deux variables
Démontrer que
Remarque - L'inégalité (IV.1) a été obtenue en supposant, pour tout
IV.B - Entropie conditionnelle
Elle mesure l'incertitude restant sur la valeur de
IV.B.1) Montrer que
IV.B.2) On considère
a) Dans cette question, on suppose
En déduire l'inégalité
b) L'inégalité (IV.2) reste-t-elle vraie si
c) Montrer que l'inégalité (IV.2) est une égalité si et seulement s'il existe au plus un indice
IV.B.3) Montrer que, pour tout
V Une application
V.
Expliquer pourquoi le joueur B finira par trouver la valeur de
On pose
Montrer qu'elle prend ses valeurs dans
On pourra utiliser l'inégalité vue à la question III.A.3.
V.
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de maths 1 Centrale TSI 2017 (entropie) ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de maths 1 Centrale TSI 2017 (entropie) ?
Il porte sur l'étude de fonctions et d'équations fonctionnelles, les séries numériques, les variables aléatoires discrètes et leur espérance, ainsi que sur la notion d'entropie et les probabilités conditionnelles.
Les parties du sujet Centrale maths 1 TSI 2017 sont-elles indépendantes ?
Les parties s'enchaînent : la partie I fournit des inégalités réutilisées dans toutes les parties suivantes, la partie II construit la fonction de quantité d'information utilisée pour définir l'entropie en partie III, elle-même prolongée aux couples de variables en partie IV puis appliquée en partie V.
Quels résultats de cours faut-il connaître pour traiter ce sujet ?
Il faut maîtriser les variables aléatoires discrètes, le calcul d'espérance, la convergence des séries numériques et les propriétés de convexité de la fonction logarithme.
Ce sujet fait-il appel aux probabilités et à l'analyse en même temps ?
Oui, il combine l'étude analytique d'équations fonctionnelles et d'inégalités de convexité avec les probabilités discrètes, pour construire la notion d'entropie d'une variable aléatoire.
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