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Les chapeaux rendus au hasard : espérance, variance, concentration

Exercice de TD · niveau 3 (difficile) · mathématiques MPSI, chapitre 19 — Probabilités sur un univers fini · D. Espérance, variance, covariance

Énoncé

À la sortie d'une réception, invités reprennent leurs chapeaux au hasard : la permutation qui à l'invité associe le propriétaire du chapeau qu'il reçoit est tirée uniformément dans . Soit le nombre d'invités qui retrouvent leur propre chapeau, c'est-à-dire le nombre de points fixes de . Pour , on note .

a) Écrire comme une somme d'indicatrices et montrer que .

b) Pour , calculer . Les événements et sont-ils indépendants ?

c) Calculer en développant le carré, et en déduire .

d) Montrer que , quel que soit .

Corrigé

La stratégie. La loi de est compliquée — on ne la calculera pas. On écrit comme somme d'indicatrices ; la linéarité de l'espérance donne sans aucune hypothèse d'indépendance ; le développement du carré ramène à des probabilités d'intersections de deux événements ; et Bienaymé-Tchebychev conclut.

a) L'espérance. Chaque invité qui retrouve son chapeau contribue pour au compte : . Par symétrie (exercice 1), pour tout : les permutations fixant sont les permutations des autres éléments. Par linéarité de l'espérance et : En moyenne, un seul invité retrouve son chapeau, quel que soit .

b) Deux points fixes. Pour , une permutation fixant et est déterminée par sa restriction aux autres éléments : il y en a , donc Or , et : et ne sont pas indépendants. La dépendance est positive, : si a récupéré son chapeau, il reste chapeaux pour invités, et a une chance sur .

c) Le second moment par les couples. Développons le carré de la somme : Or une indicatrice vérifie (elle ne prend que les valeurs et ), et le produit de deux indicatrices est l'indicatrice de l'intersection : . Donc et, par linéarité — il y a termes dans la première somme et couples avec dans la seconde : Par la formule de Koenig-Huygens,

Contrôle exhaustif. Pour : les deux permutations donnent (l'identité) et (la transposition), chacune avec probabilité ; , , . Pour : l'identité donne , les trois transpositions donnent , les deux -cycles donnent ; et .

d) Concentration. L'inégalité de Bienaymé-Tchebychev, avec , et : Or l'événement est inclus dans , donc, par croissance de la probabilité, . La borne ne dépend pas de — et pour elle est triviale, puisque ; c'est pour les grandes assemblées qu'elle dit quelque chose : à mille invités, moins d'une fois sur cent plus de dix personnes retrouvent leur chapeau. (Markov, avec la seule espérance, ne donnerait que : la variance apporte un facteur neuf.)

Le point délicat. L'espérance et la variance de ont été calculées sans aucune indépendance — les ne sont pas indépendants, le b) le montre. La linéarité ne demande rien ; c'est le calcul de qui demande les probabilités des intersections deux à deux, et rien de plus. Le développement du carré est la « formule de transfert sur les couples » : on n'a eu besoin que de la loi conjointe de , c'est-à-dire de .

Ce que l'exercice installe. Toute variable de comptage est une somme d'indicatrices ; son espérance est une somme de probabilités, sa variance une somme de probabilités d'intersections. Ici, moyenne et variance valent quel que soit : le nombre de points fixes d'une grande permutation aléatoire ne fluctue presque pas — on montrera en seconde année qu'il suit approximativement la loi de Poisson de paramètre . Et le chapitre de dénombrement a déjà dit ce que vaut , la proportion de dérangements : , qui tend vers .

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