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Modèle météo (chaîne de Markov). S'il fait beau aujourd'hui, il fera…

Application directe du cours · niveau 3 (difficile) · mathématiques MPSI, chapitre 9 — Calcul matriciel et systèmes linéaires · E. Problèmes et applications

Énoncé

Modèle météo (chaîne de Markov). S'il fait beau aujourd'hui, il fera beau demain avec probabilité ; s'il pleut, il fera beau demain avec probabilité . En notant la probabilité de beau temps au jour , justifier que

puis montrer que (suite arithmético-géométrique, chapitre 5 !) et déterminer la limite de .

Corrigé

Stratégie : mettre le modèle en matrice, puis reconnaître une suite arithmético-géométrique. On note la probabilité qu'il fasse beau le jour ; l'état du jour est la colonne .

a) L'écriture matricielle. Le jour est beau soit parce que le jour l'était et que le beau temps s'est maintenu (probabilité ), soit parce qu'il pleuvait et que le temps s'est amélioré (probabilité ). La formule des probabilités totales donne et, symétriquement, . Les deux relations se résument en

b) La récurrence scalaire. En développant la première ligne : C'est une suite arithmético-géométrique avec et .

c) La limite. Le point fixe vérifie , soit et En posant : , donc . Comme ,

⚠️ Le point délicat : la limite ne dépend pas de . C'est parce que ; si l'on avait (une matrice qui ne mélange rien, par exemple ), la suite serait constante et la « mémoire » du jour initial ne s'effacerait jamais. Vérifier n'est pas une formalité : c'est ce qui autorise à parler de régime stationnaire.

Contrôle numérique. Les colonnes de sont de somme (matrice stochastique), et se conserve. En arithmétique exacte sur les fractions, l'itération lancée de et de atteint à moins de près en pas ; et a bien pour première coordonnée. Interprétation : il fait beau jours sur à long terme.

Ce que l'exercice installe. Un modèle probabiliste devient une itération matricielle , et son comportement à long terme se lit sur les puissances de . C'est la première chaîne de Markov du cours ; la colonne limite est un vecteur propre de pour la valeur propre — le vocabulaire viendra en seconde année.

Les autres exercices de ce chapitre Le cours du chapitre

Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.