\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} \author{Conceptions : H.E.C. - E.S.C.P. - E.A.P.} \date{} \begin{document} \maketitle \section*{BANQUE COMMUNE D'EPREUVES} CODE SUJET :\\ 283\\ CCIP\_M2\_S \section*{OPTION : SCIENTIFIQUE} \section*{MATHEMATIQUES II} Mercredi 9 Mai 2007, de 14 h. à 18 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. Pour toute variable aléatoire réelle \(Y\) définie sur un espace probabilisé ( \(\Omega, \mathcal{A}, P\) ) et possédant une espérance mathématique, on note \(E(Y)\) cette espérance pour la probabilité \(P\).\\ Pour tout événement \(C\) de \(\mathcal{A}\) tel que \(P(C)>0\), on note, sous réserve d'existence, \(E(Y / C)\) l'espérance de \(Y\) pour la probabilité conditionnelle \(P_{C}\) (espérance conditionnelle de \(Y\) sachant \(C\) ). \section*{Partie I.} Cette partie constitue une application particulière des résultats généraux étudiés dans la suite du problème.\\ On possède \(n\) urnes ( \(n \geqslant 3\) ) numérotées de 1 à \(n\), dans lesquelles on répartit au hasard et de façon indépendante, \(m\) boules indiscernables ( \(m \geqslant 4\) ), de sorte que, pour tout \(i\) de \(\llbracket 1, n \rrbracket\), la probabilité pour chaque boule d'être placée dans l'urne numéro \(i\) soit égale à \(1 / n\).\\ On suppose que cette expérience est modélisée par un espace probabilisé ( \(\Omega, \mathcal{A}, P\) ).\\ À l'issue de cette expérience, on pose pour tout \(i\) de \(\llbracket 1, n \rrbracket\) : \[ X_{i}= \begin{cases}1 & \text { si l'urne } \mathrm{n}^{\circ} i \text { est vide } \\ 0 & \text { sinon }\end{cases} \] On pose \(W_{n}=\sum_{i=1}^{n} X_{i}\). \begin{enumerate} \item a) Déterminer pour tout \(i\) de \(\llbracket 1, n \rrbracket\), la loi de la variable aléatoire \(X_{i}\).\\ b) Pour tout couple \((i, j)\) d'entiers de \(\llbracket 1, n \rrbracket\) distincts, calculer \(P\left(\left[X_{i}=1\right] \cap\left[X_{j}=1\right]\right)\), ainsi que la covariance de \(X_{i}\) et \(X_{j}\). Les variables aléatoires \(X_{i}\) et \(X_{j}\) sont-elles indépendantes? \item a) Exprimer l'espérance \(E\left(W_{n}\right)\) de \(W_{n}\) en fonction de \(n\) et \(m\).\\ b) On note \(V\left(W_{n}\right)\) la variance de \(W_{n}\). Calculer \(V\left(W_{n}\right)\) en fonction de \(n\) et \(m\).\\ c) Vérifier l'égalité : \(E\left(W_{n}\right)-V\left(W_{n}\right)=n^{2}\left(1-\frac{1}{n}\right)^{2 m}-n(n-1)\left(1-\frac{2}{n}\right)^{m}\). \end{enumerate} En déduire que \(E\left(W_{n}\right)-V\left(W_{n}\right) \geqslant 0\).\\ 3. Dans cette question, l'entier \(m\) vérifie \(m=\lfloor n \ln n+\theta n\rfloor\), où \(\theta\) est une constante réelle positive et \(\lfloor x\rfloor\) désigne la partie entière de \(x\).\\ a) Calculer \(\lim _{n \rightarrow+\infty} E\left(W_{n}\right)\).\\ b) Montrer que \(\lim _{n \rightarrow+\infty}\left(E\left(W_{n}\right)-V\left(W_{n}\right)\right)=0\).\\ c) Soit \(T_{n}\) une variable aléatoire qui suit une loi de Poisson de paramètre \(\mu_{n}=E\left(W_{n}\right)\). On admet que pour tout \(k\) de \(\mathbb{N}\), on a : \[ \left|P\left(\left[W_{n}=k\right]\right)-P\left(\left[T_{n}=k\right]\right)\right| \leqslant \min \left(1, \frac{1}{\mu_{n}}\right) \times\left(\mu_{n}-V\left(W_{n}\right)\right) \] Quelle est la limite en loi de la suite de variables aléatoires \(\left(W_{n}\right)_{n \geqslant 3}\) ?\\ 4. On pose \(\mu=e^{-\theta}\), et on suppose que le paramètre \(\mu\) est inconnu. Dans cette question, on veut estimer \(\mu\). Pour \(p\) entier de \(\mathbb{N}^{*}\), on considère un \(p\)-échantillon indépendant, identiquement distribué ( \(T_{1}, T_{2}, \ldots, T_{p}\) ) de la loi de Poisson de paramètre \(\mu\). On pose : \[ \overline{T_{p}}=\frac{1}{p} \sum_{i=1}^{p} T_{i} \quad \text { et } \quad U_{p}=\sqrt{p} \frac{\overline{T_{p}}-\mu}{\sqrt{\mu}} \] a) Montrer que \(\overline{T_{p}}\) est un estimateur sans biais et convergent du paramètre \(\mu\).\\ b) Quelle est la limite en loi de la suite de variables aléatoires \(\left(U_{p}\right)_{p \geqslant 1}\) ?\\ c) On veut construire, pour \(p\) assez grand, un intervalle de confiance du paramètre \(\mu\) au risque \(\alpha\) donné. Soit \(u\) le réel strictement positif tel que \(P([U \geqslant u])=\alpha / 2\), où \(U\) est une variable aléatoire qui suit la loi normale centrée réduite.\\ Justifier que pour \(p\) assez grand, on peut écrire : \(P\left(\left[\left|U_{p}\right| \leqslant u\right]\right)=1-\alpha\), et déterminer alors un intervalle de confiance \(\left[I_{p}, J_{p}\right]\) pour \(\mu\) au risque \(\alpha\). \section*{Partie II} Dans cette partie, \(\lambda\) désigne un réel strictement positif.\\ Soit \(M\) une variable aléatoire définie sur un espace probabilisé \((\Omega, \mathcal{A}, P)\) qui suit une loi de Poisson de paramètre \(\lambda\).\\ Soit \(A\) une partie quelconque de \(\mathbb{N}\) et \(\bar{A}\) son complémentaire dans \(\mathbb{N}\). On rappelle que si \(A\) est non vide, alors, \(P([M \in A])=\sum_{i \in A} e^{-\lambda} \frac{\lambda^{i}}{i!}\), et on pose par convention \([M \in \emptyset]=\emptyset\).\\ On considère la fonction \(f_{A}\) définie sur \(\mathbb{N}\) par \(f_{A}(0)=0\), et pour tout \(k\) de \(\mathbb{N}\) : \[ f_{A}(k+1)=\frac{k!}{\lambda^{k+1}} e^{\lambda}(P([M \in A] \cap[M \leqslant k])-P([M \in A]) \times P([M \leqslant k])) \] \begin{enumerate} \item a) Déterminer la fonction \(f_{A}\) dans les cas particuliers \(A=\emptyset\) et \(A=\mathbb{N}\).\\ b) Donner l'expression de \(f_{A}(1)\) en fonction de \(\lambda\) et de \(P([M \in A])\) dans les deux cas suivants : \(0 \in A\) et \(0 \in \bar{A}\). Exprimer \(f_{A}(2)\) en fonction de \(\lambda\) et de \(P([M \in A])\) dans le cas où 0 et 1 appartiennent à \(A\). \item Soit \(A\) et \(B\) deux parties de \(\mathbb{N}\) disjointes.\\ a) Montrer que \(f_{A \cup B}=f_{A}+f_{B}\).\\ b) En déduire que \(f_{\bar{A}}=-f_{A}\). \item a) Montrer que pour tout \(k\) de \(\mathbb{N}\), la fonction \(f_{A}\) vérifie la relation suivante : \end{enumerate} \[ \lambda f_{A}(k+1)-k f_{A}(k)= \begin{cases}P([M \in \bar{A}]) & \text { si } k \in A \\ -P([M \in A]) & \text { si } k \in \bar{A}\end{cases} \] b) En déduire que si \(A\) est non vide et distincte de \(\mathbb{N}\), la fonction \(f_{A}\) n'est pas identiquement nulle.\\ 4. Dans cette question, \(j\) est un entier naturel non nul, et \(A\) est le singleton \(\{j\}\). On pose \(f_{\{j\}}=f_{j}\).\\ a) Pour tout \(k\) de \(\mathbb{N}^{*}\), montrer l'égalité suivante : \[ f_{j}(k+1)= \begin{cases}\frac{k!}{j!\lambda^{k-j+1}} P([M \geqslant k+1]) & \text { si } k \geqslant j \\ -\frac{k!}{j!\lambda^{k-j+1}} P([M \leqslant k]) & \text { si } kj\) et \(k