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Espérance infinie : la génératrice reste continue mais cesse d'être dérivable

Exercice de TD · niveau 3 (difficile) · mathématiques (PT), chapitre 11 — Espaces Probabilisés et Variables Aléatoires Discrètes · Fonctions génératrices

Énoncé

Soit à valeurs dans avec (). Montrer que est continue sur mais pas dérivable en , et conclure (CVN sur toujours ; le taux par limite monotone — et la génératrice le voit : l'équivalence « dérivable en » est optimale).

Corrigé

Ce qu'on montre. est à valeurs dans avec . On établit que sa génératrice est définie et continue sur , qu'elle n'est pas dérivable en , et l'on en tire que n'admet pas d'espérance. Tout se fait à la main, avec la seule décomposition .

1. C'est bien une loi. Les sont strictement positifs et , donc .

2. est définie sur , continue sur . Pour on a , donc la série converge : existe, et . Le rapport donne un rayon de convergence égal à , et la somme d'une série entière est continue sur l'intervalle ouvert de convergence.

3. Continuité en . Pour et tout , en majorant par au-delà du rang : Soit . Le reste tend vers : fixons tel qu'il soit . La première somme est finie, et chacun de ses termes tend vers quand : il existe tel qu'elle soit dès que . Donc , et est continue sur .

4. Pas de dérivée en . Pour , en divisant par la série de l'étape 3 : pour tout , tous les termes étant positifs. Ce dernier membre est une somme finie : il tend, quand , vers . La série harmonique divergeant, ce nombre dépasse n'importe quel pourvu que soit assez grand. Donc, pour tout , au voisinage de : le taux d'accroissement tend vers et n'est pas dérivable en .

5. Conclusion. diverge : n'admet pas d'espérance. Le théorème « admet une espérance si et seulement si est dérivable en , et alors » est ici pris en défaut des deux côtés à la fois — ce qui, loin de le contredire, le confirme et montre qu'il est optimal.

Le point à retenir. La continuité de en est toujours acquise : elle ne dit rien de plus que . C'est la dérivabilité en qui porte l'information, et elle équivaut à l'existence de l'espérance. Une génératrice peut donc être parfaitement continue sur tout en arrivant en avec une tangente verticale.

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