L'histogramme des moyennes
Exercice · niveau 3 (difficile) · mathématiques (ECT 2e année), chapitre 12 — Informatique et travaux pratiques · Théorème limite central
Énoncé
Écrire le programme qui produit moyennes de tirages uniformes sur et qui en dessine l'histogramme. Prévoir l'espérance et l'écart-type de ces moyennes, la loi uniforme sur ayant pour espérance et pour variance . Que voit-on, et qu'est-ce que la simulation ne démontre pas ?
Corrigé
Le programme.
import numpy as np
import numpy.random as rd
import matplotlib.pyplot as plt
m = np.mean(rd.random((20000, 8)), 1)
print(np.mean(m), np.std(m))
plt.hist(m, 40)
plt.show()
rd.random((20000, 8)) produit lignes de tirages ; le second argument 1 de np.mean demande la moyenne de chaque ligne.
Les prévisions. L'espérance d'une moyenne est l'espérance commune, donc . Et pour des tirages indépendants,
Ce qu'on voit. Un histogramme en cloche, centré sur , dont l'essentiel tient entre et — alors que la loi de départ est un rectangle, plat. La forme est apparue toute seule, en huit tirages.
Ce que la simulation ne démontre pas. Rien : elle illustre. Elle ne prouve pas que la loi limite est normale — c'est le théorème limite central, qui n'est pas au programme et n'a pas à être restitué. En revanche l'égalité , elle, se démontre : elle vient de et de l'additivité des variances sous indépendance.
Le point à retenir. Une simulation répond à « quelle forme ? », qu'aucun calcul du programme n'atteint ici, et jamais à « pourquoi ? ». Les deux nombres prévus servent à vérifier que le programme fait ce qu'on croit.
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