mathématiques (PSI) · Chapitre 11 · Exercice de TD
L'amincissement d'une loi de Poisson
Espaces Probabilisés et Variables Aléatoires Discrètes · niveau 3 (difficile)
Énoncé
Amincissement (« thinning ») : œufs sont pondus ; chacun éclot avec probabilité , indépendamment. Soit le nombre d'éclosions. Montrer que et que (loi conjointe : , qui se factorise en — le nombre d'éclosions et le nombre d'échecs sont indépendants, propriété magique de Poisson).
Corrigé
Stratégie : calculer la loi conjointe du couple , et la voir se factoriser. Tout est là. La factorisation en un produit de deux lois de Poisson donne d'un seul coup les deux lois marginales et l'indépendance : inutile de les établir séparément.
On note . Le modèle : , et conditionnellement à , le nombre d'éclosions suit la binomiale , puisque chacun des œufs éclôt indépendamment avec la même probabilité :
Le conditionnement est licite : pour tout .
1. La loi conjointe de . Soient . L'événement est exactement : il y a eu œufs, dont ont éclos. Par la formule des probabilités composées :
Trois simplifications, chacune élémentaire :
- ;
- ;
- , puisque .
D'où la factorisation :
2. Les lois marginales. Sommons sur (tous les termes sont positifs, la sommation est licite ; on reconnaît la série exponentielle) :
Donc , et par le même calcul en sommant sur , .
3. L'indépendance. En reportant les deux marginales dans la factorisation du 1 :
ce qui est exactement la définition de l'indépendance de deux variables aléatoires discrètes. et sont indépendantes.
Le point délicat, et il est contre-intuitif. et sont indépendantes alors que leur somme est aléatoire : apprendre que douze œufs ont éclos ne renseigne en rien sur le nombre d'échecs. C'est propre à Poisson. Si l'on remplaçait par un entier déterministe , alors serait une fonction de , donc tout sauf indépendante de — c'est le caractère aléatoire de , et la forme très particulière de sa loi, qui rend l'indépendance possible.
Contrôle chiffré. Prenons et , donc et . Le calcul direct de la loi de , sans passer par la factorisation, s'écrit , et donne numériquement :
| somme directe | ||
|---|---|---|
Coïncidence à : ✓. Test de la factorisation elle-même : et ✓. Enfin une conséquence testable de l'indépendance : les variances doivent s'ajouter, , soit ✓ — égalité qui n'aurait aucune raison d'être vraie si la covariance n'était pas nulle.
Ce qui est acquis. L'amincissement : filtrer indépendamment, avec probabilité , un comptage de Poisson d'intensité redonne un comptage de Poisson d'intensité — et le rebut est indépendant du tri. C'est la propriété qui fait de Poisson le modèle universel des comptages.