\documentclass[10pt]{article} \usepackage[french]{babel} \usepackage[utf8]{inputenc} \usepackage[T1]{fontenc} \usepackage{amsmath} \usepackage{amsfonts} \usepackage{amssymb} \usepackage[version=4]{mhchem} \usepackage{stmaryrd} \usepackage{bbold} \title{(3) \\ BANQUE COMMUNE D'EPREUVES } \author{Concepteurs : H.E.C. - E.S.C.P. - E.A.P.} \date{} \begin{document} \maketitle \(\_\_\_\_\) CODE EPREUVE :\\ 284\\ CCIP\_M2\_E OPTION : ECONOMIQUE \section*{MATHEMATIQUES II} Mardi 10 Mai 2005, de 8 h. à 12 h. La présentation, la lisibilité, l'orthographe, la qualité de la rédaction, la clarté et la précision des raisonnements entreront pour une part importante dans l'appréciation des copies.\\ Les candidats sont invités à encadrer dans la mesure du possible les résultats de leurs calculs.\\ Ils ne doivent faire usage d'aucun document : l'utilisation de toute calculatrice et de tout matériel électronique est interdite.\\ Seule l'utilisation d'une règle graduée est autorisée. L'objet du problème est d'étudier quelques propriétés d'un estimateur du paramètre \(p\) d'une loi géométrique. \section*{Partie I. Formule du binôme négatif} Pour tout couple ( \(n, r\) ) d'entiers naturels tels que \(0 \leqslant r \leqslant n\), on rappelle la formule du « triangle de Pascal» \[ \binom{n}{r}=\binom{n-1}{r-1}+\binom{n-1}{r} \] \begin{enumerate} \item Montrer que pour tout entier \(r\) de \(\llbracket 1, n \rrbracket\), on a : \end{enumerate} \[ \binom{n}{r}=\sum_{k=r}^{n}\binom{k-1}{r-1} \] \begin{enumerate} \setcounter{enumi}{1} \item Soit ( \(n, r\) ) un couple d'entiers naturels, tels que \(1 \leqslant r \leqslant n\). Pour tout réel \(x\) de \(] 0,1[\), on définit la fonction \(f_{r, n}\) par : \end{enumerate} \[ f_{r, n}(x)=\sum_{k=r}^{n}\binom{k}{r} x^{k} \] a) Montrer, pour tout réel \(x\) de \(] 0,1\left[\right.\), l'égalité : \((1-x) f_{r, n}(x)=x f_{r-1, n-1}(x)-\binom{n}{r} x^{n+1}\).\\ b) On suppose l'entier \(r\) fixé. Montrer, lorsque \(n\) tend vers \(+\infty\), l'équivalence : \(\binom{n}{r} \sim \frac{n^{r}}{r!}\).\\ 3. Soit \(x\) un réel fixé de \(] 0,1\) [ et soit \(r\) un entier naturel fixé. On veut établir l'existence de la limite de \(f_{r, n}(x)\) lorsque \(n\) tend vers \(+\infty\), et déterminer la valeur de cette limite.\\ a) Justifier l'existence et donner la valeur de \(\lim _{n \rightarrow+\infty} f_{0, n}(x)\) et \(\lim _{n \rightarrow+\infty} f_{1, n}(x)\).\\ b) Soit \(r\) un entier naturel non nul. On suppose que, pour tout réel \(x\) de \(] 0,1[\), on a : \[ \lim _{n \rightarrow+\infty} f_{r-1, n}(x)=\frac{x^{r-1}}{(1-x)^{r}} \] Montrer que, pour tout réel \(x\) de \(] 0,1\left[, \lim _{n \rightarrow+\infty} f_{r, n}(x)=\frac{x^{r}}{(1-x)^{r+1}}\right.\). Ainsi, \(\sum_{k=r}^{\infty}\binom{k}{r} x^{k}=\frac{x^{r}}{(1-x)^{r+1}}\). \section*{Partie II. Développement en série de \(\ln (1-x)\)} Soit \(x\) un réel de \(] 0,1[\). \begin{enumerate} \item Montrer, pour tout entier \(n\) de \(\mathbb{N}^{*}\), l'égalité : \(\int_{0}^{x} \frac{1-t^{n}}{1-t} d t=\sum_{k=1}^{n} \frac{x^{k}}{k}\). \item À l'aide d'un encadrement simple, montrer que \(\lim _{n \rightarrow+\infty} \int_{0}^{x} \frac{t^{n}}{1-t} d t=0\). \item En déduire la convergence de la série de terme général \(\frac{x^{k}}{k}\) ainsi que l'égalité : \(\sum_{k=1}^{\infty} \frac{x^{k}}{k}=-\ln (1-x)\). \end{enumerate} \section*{Partie III. Loi binomiale négative} Toutes les variables aléatoires qui interviennent dans cette partie sont définies sur un même espace probabilisé \((\Omega, \mathcal{A}, P)\).\\ Soit \(p\) un réel de \(] 0,1\left[\right.\). On pose \(q=1-p\), et on considère une variable aléatoire \(X\) à valeurs dans \(\mathbb{N}^{*}\), qui suit la loi géométrique de paramètre \(p\). On rappelle que pour tout entier \(k\) de \(\mathbb{N}^{*}, P(X=k)=p q^{k-1}\). \begin{enumerate} \item Calculer la valeur de l'espérance \(E(X)\) et de la variance \(V(X)\) de la variable aléatoire \(X\). \item On considère la variable aléatoire \(Y\) définie par \(Y=\frac{1}{X}\).\\ a) Déterminer l'ensemble des valeurs prises par \(Y\) ainsi que la loi de probabilité de \(Y\).\\ b) Montrer que \(Y\) admet une espérance \(E(Y)\), que l'on calculera en fonction de \(p\) et \(q\).\\ c) Pour tout entier \(i\) supérieur ou égal à 2 , établir l'existence du moment \(E\left(Y^{i}\right)\) d'ordre \(i\) de \(Y\). \item Soit \(X_{1}\) et \(X_{2}\) deux variables aléatoires indépendantes, à valeurs dans \(\mathbb{N}^{*}\), qui suivent la même loi géométrique de paramètre \(p\). On pose : \(S_{1}=X_{1}, \quad S_{2}=X_{1}+X_{2}, \quad Y_{2}=\frac{2}{S_{2}}\).\\ a) Déterminer la loi de probabilité de chacune des variables aléatoires \(S_{2}\) et \(Y_{2}\).\\ b) Établir l'existence de l'espérance \(E\left(Y_{2}\right)\) de la variable aléatoire \(Y_{2}\).\\ c) Calculer cette espérance en fonction de \(p\) et \(q\). \item On considère une suite \(\left(X_{n}\right)_{n \in \mathbb{N}^{*}}\) de variables aléatoires à valeurs dans \(\mathbb{N}^{*}\), indépendantes, de même loi géométrique de paramètre \(p\). Pour tout \(n\) de \(\mathbb{N}^{*}\), on pose \(S_{n}=\sum_{k=1}^{n} X_{k}\).\\ a) Calculer l'espérance \(E\left(S_{n}\right)\) et la variance \(V\left(S_{n}\right)\) de la variable aléatoire \(S_{n}\).\\ b) Montrer que la loi de probabilité de la variable aléatoire \(S_{n}\) est donnée, pour tout entier \(s\) de \(\mathbb{N}^{*}\), par : \end{enumerate} \[ P\left(S_{n}=s\right)=\left\{\begin{array}{cl} 0 & \text { si } s