QCM : Variables aléatoires finies en maths sup (MPSI)

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Ce QCM variables MPSI fait le tour des variables aléatoires sur un univers fini. Il commence par les lois usuelles : Bernoulli, loi d’une fonction de \(X\), loi binomiale à justifier. Il passe ensuite aux couples, avec lois marginales, indépendance et lemme des coalitions. La seconde moitié porte sur les moments : formule de transfert, König-Huygens, variance d’une transformation affine, covariance, méthode des indicatrices, puis une majoration par l’inégalité de Bienaymé-Tchebychev.

Réponds d’abord sans le cours, en écrivant au brouillon la loi ou la formule utilisée. Lis ensuite chaque explication. Elle justifie la bonne réponse et nomme le piège visé : espérance d’un inverse prise pour l’inverse de l’espérance, carré oublié devant une variance, covariance négligée, indépendance supposée sans preuve.

Les 12 questions

Question 1

La variable \(X\) suit une loi de Bernoulli de paramètre \(p\in\left]0,1\right[\). Que vaut \(E(X^2)\) ?

  1. \(p^2\)
  2. \(p\)
  3. \(p(1-p)\)
  4. \(2p\)

Réponse B.

La variable \(X\) ne prend que les valeurs \(0\) et \(1\), et \(0^2=0\), \(1^2=1\). Ainsi \(X^2=X\), donc \(E(X^2)=E(X)=p\). La réponse \(p^2\) suppose à tort que \(E(X^2)=E(X)^2\). La valeur \(p(1-p)\) est la variance, qui vaut justement \(p-p^2\) d’après König-Huygens.

Question 2

On choisit \(X\) au hasard, de façon équiprobable, dans \(\{-1,0,1,2,3\}\), et on pose \(Y=|X-1|\). Quelle est la loi de \(Y\) ?

  1. \(\frac{1}{3}\) pour chacune des valeurs \(0\), \(1\), \(2\)
  2. \(\frac{1}{5}\) pour chacune des valeurs \(0\), \(1\), \(2\)
  3. \(\frac{2}{5}\) pour \(Y=0\), puis \(\frac{3}{10}\) pour \(Y=1\) et pour \(Y=2\)
  4. \(\frac{1}{5}\) pour \(Y=0\), puis \(\frac{2}{5}\) pour \(Y=1\) et pour \(Y=2\)

Réponse D.

On regroupe les antécédents de chaque valeur. D’une part, \(Y=1\) correspond à \(X=0\) ou \(X=2\), d’où \(\frac{2}{5}\) ; de même, \(Y=2\) vient de \(X=-1\) ou \(X=3\). D’autre part, \(Y=0\) n’a qu’un antécédent. L’équiprobabilité sur les trois valeurs oublie de compter les antécédents. Les trois valeurs \(\frac{1}{5}\) n’ont pas une somme égale à \(1\) : c’est donc impossible.

Question 3

Dans un sac de \(10\) jetons, \(4\) sont rouges et \(6\) bleus. On fait \(5\) tirages avec remise et \(X\) compte les rouges. Quelle est la loi de \(X\) ?

  1. \(\mathcal{B}\left(5,\frac{2}{5}\right)\)
  2. \(\mathcal{B}\left(5,\frac{2}{3}\right)\)
  3. \(\mathcal{B}\left(10,\frac{2}{5}\right)\)
  4. \(\mathcal{B}\left(4,\frac{2}{5}\right)\)

Réponse A.

Chaque tirage est une épreuve de Bernoulli de succès « rouge », de probabilité \(\frac{4}{10}=\frac{2}{5}\). Grâce à la remise, les \(5\) épreuves sont indépendantes et identiques, donc \(X\) suit une loi binomiale de paramètres \(5\) et \(\frac{2}{5}\). Le paramètre \(\frac{2}{3}\) divise les rouges par les bleues au lieu du total. Prendre \(10\) confond le nombre de jetons et le nombre de tirages ; prendre \(4\) le confond avec le nombre de rouges.

Question 4

On tire \(X\) de façon équiprobable parmi \(1\), \(2\), \(3\) et \(4\). Que vaut \(E\left(\frac{1}{X}\right)\) ?

  1. \(\frac{2}{5}\)
  2. \(\frac{25}{12}\)
  3. \(\frac{25}{48}\)
  4. \(\frac{1}{4}\)

Réponse C.

La formule de transfert donne \(E\left(\frac{1}{X}\right)=\frac{1}{4}\left(1+\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\frac{1}{4}\right)\). La parenthèse vaut \(\frac{25}{12}\), d’où \(\frac{25}{48}\). La réponse \(\frac{2}{5}\) calcule l’inverse de \(E(X)=\frac{5}{2}\) : or l’espérance ne commute pas avec une fonction non affine. Par ailleurs, \(\frac{25}{12}\) oublie de pondérer par \(\frac{1}{4}\).

Question 5

Un couple \((X,Y)\) à valeurs dans \(\{0,1\}^2\) a pour loi conjointe : \(P(0,0)=0{,}1\), \(P(0,1)=0{,}3\), \(P(1,0)=0{,}2\), \(P(1,1)=0{,}4\). Que peut-on dire ?

  1. \(P(Y=1)=0{,}7\) ; \(X\) et \(Y\) sont indépendantes
  2. \(P(Y=1)=0{,}4\) ; \(X\) et \(Y\) ne sont pas indépendantes
  3. \(P(Y=1)=0{,}7\) ; \(X\) et \(Y\) ne sont pas indépendantes
  4. \(P(Y=1)=0{,}3\) ; \(X\) et \(Y\) sont indépendantes

Réponse C.

La loi marginale s’obtient en sommant sur les valeurs de \(X\) : \(P(Y=1)=0{,}3+0{,}4=0{,}7\). Ensuite, \(P(X=0)=0{,}4\) et \(P(Y=0)=0{,}3\), dont le produit vaut \(0{,}12\neq 0{,}1\). Une seule case qui échoue suffit à refuser l’indépendance. La valeur \(0{,}4\) lit seulement la case \((1,1)\). Quant à \(0{,}3\), elle lit la case \((0,1)\).

Question 6

Les variables \(X_1,X_2,X_3,X_4\) sont mutuellement indépendantes. Quel couple est forcément formé de variables indépendantes ?

  1. \(X_1+X_2\) et \(X_2X_3\)
  2. \(X_1+X_2\) et \(X_3X_4\)
  3. \(X_1\) et \(X_1X_2\)
  4. \(X_1-X_3\) et \(X_3+X_4\)

Réponse B.

Le lemme des coalitions demande que les deux variables construites n’utilisent aucune variable commune. Ici, \(X_1+X_2\) dépend de \(\{X_1,X_2\}\) et \(X_3X_4\) de \(\{X_3,X_4\}\) : ces paquets sont disjoints. Dans les autres couples, une même variable apparaît des deux côtés, comme \(X_2\) ou \(X_3\). Par conséquent, le lemme ne s’applique pas, et l’indépendance est fausse en général.

Question 7

On sait que \(E(X)=3\) et \(E(X^2)=13\). Quel est l’écart type de \(X\) ?

  1. \(4\)
  2. \(\sqrt{10}\)
  3. \(2\)
  4. \(\sqrt{22}\)

Réponse C.

La formule de König-Huygens donne \(V(X)=E(X^2)-E(X)^2=13-9=4\). L’écart type est la racine carrée de la variance, soit \(2\). La réponse \(4\) s’arrête à la variance. La valeur \(\sqrt{10}\) retranche \(E(X)\) au lieu de son carré. Enfin, \(\sqrt{22}\) ajoute \(E(X)^2\) au lieu de le soustraire.

Question 8

On sait que \(V(X)=5\). Que vaut \(V(3-2X)\) ?

  1. \(-10\)
  2. \(20\)
  3. \(10\)
  4. \(23\)

Réponse B.

Pour des réels \(a\) et \(b\), on a \(V(aX+b)=a^2V(X)\) : translater ne modifie rien, tandis qu’un facteur multiplicatif ressort élevé au carré. Ici \(a=-2\), donc \(V(3-2X)=4\times 5=20\). La réponse \(-10\) oublie le carré ; une variance négative est d’ailleurs impossible. La valeur \(10\) prend \(|a|\) au lieu de \(a^2\). Enfin, \(23\) ajoute à tort la constante \(3\).

Question 9

On sait que \(V(X)=4\), \(V(Y)=9\) et \(\mathrm{Cov}(X,Y)=-2\). Que vaut \(V(X-Y)\) ?

  1. \(9\)
  2. \(13\)
  3. \(-5\)
  4. \(17\)

Réponse D.

On développe : \(V(X-Y)=V(X)+V(Y)-2\,\mathrm{Cov}(X,Y)\). Ainsi \(V(X-Y)=4+9+4=17\). La réponse \(9\) est la variance de \(X+Y\), où la covariance s’ajoute avec son signe. La valeur \(13\) néglige la covariance, comme si les variables étaient indépendantes. Enfin, \(-5\) soustrait les variances, alors que \(V(-Y)=V(Y)\).

Question 10

On lance \(20\) fois une pièce équilibrée. Soit \(N\) le nombre d’indices \(i\in\{1,\dots,19\}\) tels que le lancer \(i\) donne pile et le lancer \(i+1\) face. Que vaut \(E(N)\) ?

  1. \(\frac{19}{4}\)
  2. \(5\)
  3. \(\frac{19}{2}\)
  4. \(10\)

Réponse A.

On écrit \(N\) comme somme de \(19\) indicatrices : \(\mathbf{1}_{A_i}\), où \(A_i\) est l’événement « pile au rang \(i\), face au rang \(i+1\) ». Chaque \(A_i\) a pour probabilité \(\frac{1}{4}\). Par linéarité, \(E(N)=\frac{19}{4}\), même si ces indicatrices ne sont pas indépendantes. La réponse \(5\) compte \(20\) positions au lieu de \(19\). La valeur \(\frac{19}{2}\) oublie la contrainte sur le second lancer.

Question 11

La variable \(S\) suit la loi \(\mathcal{B}(50;\,0{,}2)\). Que valent son espérance et sa variance ?

  1. \(E(S)=10\) et \(V(S)=8\)
  2. \(E(S)=10\) et \(V(S)=10\)
  3. \(E(S)=10\) et \(V(S)=40\)
  4. \(E(S)=10\) et \(V(S)=2\)

Réponse A.

On voit \(S\) comme le nombre de succès en \(50\) épreuves indépendantes, chacune réussie avec probabilité \(0{,}2\). Par linéarité, \(E(S)=50\times 0{,}2=10\). Ensuite, l’indépendance permet d’additionner les variances : \(V(S)=50\times 0{,}2\times 0{,}8=8\). La réponse \(40\) multiplie par \(1-p\) seulement. La valeur \(2\) remplace \(p(1-p)\) par \(p^2\). Enfin, \(V(S)=E(S)\) n’est pas vrai pour une binomiale.

Question 12

Avec \(S\) de loi \(\mathcal{B}(50;\,0{,}2)\), quelle majoration de \(P(|S-10|\geqslant 5)\) fournit l’inégalité de Bienaymé-Tchebychev ?

  1. \(\frac{8}{5}\)
  2. \(\frac{2}{3}\)
  3. \(\frac{2\sqrt{2}}{5}\)
  4. \(\frac{8}{25}\)

Réponse D.

L’inégalité donne \(P(|S-E(S)|\geqslant a)\leqslant\frac{V(S)}{a^2}\). Avec \(V(S)=8\) et \(a=5\), on obtient \(\frac{8}{25}\). La valeur \(\frac{8}{5}\) oublie le carré de \(a\) et dépasse \(1\), donc elle n’apporte rien. Quant à \(\frac{2}{3}\), elle applique l’inégalité de Markov à l’événement \(S\geqslant 15\) seulement. Enfin, \(\frac{2\sqrt{2}}{5}\) divise l’écart type par \(a\).

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