Vrai/Faux : Estimation d’une fréquence et fluctuation d’échantillonnage

[enonce]
Pour chaque affirmation suivante sur l'estimation d'une fréquence et la fluctuation d'échantillonnage, indiquez si elle est Vraie ou Fausse.
[/enonce]

[etape]
Soit $X_1, X_2, \dots, X_n$ un échantillon de $n$ variables aléatoires de Bernoulli indépendantes de paramètre $p$. On note $F_n = \dfrac{X_1 + X_2 + \dots + X_n}{n}$ la fréquence empirique.

Affirmation : $E(F_n) = p$ et $V(F_n) = \dfrac{p(1-p)}{n}$.

[qcm]
[option correct="true"]Vrai[/option]
[option]Faux[/option]
[reponse statut="correct"]Correct !
Chaque $X_i$ est une Bernoulli de paramètre $p$, donc $E(X_i) = p$ et $V(X_i) = p(1-p)$.
Par linéarité, $E(F_n) = p$. Par indépendance, $V(F_n) = \dfrac{V(X_i)}{n} = \dfrac{p(1-p)}{n}$.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non, cette affirmation est vraie.
Rappel : pour une Bernoulli de paramètre $p$, $E = p$ et $V = p(1-p)$.
Pour la moyenne empirique de $n$ variables iid, l'espérance est inchangée et la variance est divisée par $n$.[/reponse]
[/qcm]

[solution]
Cette affirmation est vraie. Pour un échantillon de Bernoulli, $E(F_n) = p$ et $V(F_n) = \dfrac{p(1-p)}{n}$.
[/solution]
[/etape]

[etape]
On souhaite estimer une proportion inconnue $p$ à $0{,}01$ près, avec une probabilité d'erreur inférieure à $5\,\%$, à l'aide de la fréquence empirique $F_n$ et de la majoration $p(1-p) \leqslant \dfrac{1}{4}$.

Affirmation : D'après l'inégalité de concentration, un échantillon de taille $n = 5\,000$ suffit.

[qcm]
[option]Vrai[/option]
[option correct="true"]Faux[/option]
[reponse statut="correct"]Bravo !
On veut $\dfrac{1}{4n\varepsilon^2} \leqslant 0{,}05$ avec $\varepsilon = 0{,}01$.
$\dfrac{1}{4 \times n \times 0{,}0001} \leqslant 0{,}05 \iff n \geqslant \dfrac{1}{4 \times 0{,}0001 \times 0{,}05} = 50\,000$.
La taille minimale est $50\,000$, pas $5\,000$.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non, cette affirmation est fausse.
Il faut résoudre l'inéquation $\dfrac{1}{4n\varepsilon^2} \leqslant 0{,}05$ avec $\varepsilon = 0{,}01$.
Le résultat correct est $n \geqslant 50\,000$, soit dix fois plus que la valeur annoncée.[/reponse]
[/qcm]

[solution]
Cette affirmation est fausse. La condition $\dfrac{1}{4n\varepsilon^2} \leqslant 0{,}05$ avec $\varepsilon = 0{,}01$ donne $n \geqslant 50\,000$, et non $5\,000$.
[/solution]
[/etape]

[etape]
Soit $F_n$ la fréquence empirique d'un échantillon de Bernoulli de paramètre $p$.

Affirmation : Pour tout $\varepsilon > 0$, $p\!\left(|F_n - p| \geqslant \varepsilon\right) \leqslant \dfrac{1}{4n\varepsilon^2}$.

[qcm]
[option correct="true"]Vrai[/option]
[option]Faux[/option]
[reponse statut="correct"]Exactement !
L'inégalité de concentration donne $p(|F_n - p| \geqslant \varepsilon) \leqslant \dfrac{p(1-p)}{n\varepsilon^2}$.
Or la fonction $p \mapsto p(1-p)$ admet pour maximum $\dfrac{1}{4}$ en $p = \dfrac{1}{2}$ sur $[0\,;\,1]$, donc $\dfrac{p(1-p)}{n\varepsilon^2} \leqslant \dfrac{1}{4n\varepsilon^2}$.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non, cette affirmation est vraie.
La clé est la majoration $p(1-p) \leqslant \dfrac{1}{4}$, valable pour tout $p \in [0\,;\,1]$.
On obtient ainsi une majoration universelle, indépendante de $p$, particulièrement utile quand $p$ est inconnu.[/reponse]
[/qcm]

[solution]
Cette affirmation est vraie. On combine l'inégalité de concentration $\dfrac{p(1-p)}{n\varepsilon^2}$ avec la majoration $p(1-p) \leqslant \dfrac{1}{4}$.
[/solution]
[/etape]

[etape]
On lance $100$ fois une pièce et on obtient une fréquence de $0{,}6$ pour « Pile ».

Affirmation : On peut alors affirmer avec certitude que la pièce est biaisée.

[qcm]
[option]Vrai[/option]
[option correct="true"]Faux[/option]
[reponse statut="correct"]Bonne réponse !
Si la pièce était équilibrée ($p = 0{,}5$), l'inégalité de concentration donnerait :
$p(|F_{100} - 0{,}5| \geqslant 0{,}1) \leqslant \dfrac{0{,}25}{100 \times 0{,}01} = 0{,}25$.
Une fluctuation atteignant $0{,}1$ a donc une probabilité non négligeable : on ne peut pas conclure au biais.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non, cette affirmation est fausse.
La fluctuation d'échantillonnage est ici importante : sur seulement $100$ lancers, un écart de $0{,}1$ avec $p = 0{,}5$ reste plausible.
La majoration de Bienaymé-Tchebychev permet seulement de conclure à un biais si l'écart observé est très grand devant la fluctuation théorique.[/reponse]
[/qcm]

[solution]
Cette affirmation est fausse. Pour une pièce équilibrée, $p(|F_{100} - 0{,}5| \geqslant 0{,}1) \leqslant 0{,}25$ : la fluctuation observée reste plausible.
[/solution]
[/etape]

[etape]
Affirmation : Pour un échantillon de Bernoulli de paramètre $p$, la fréquence empirique $F_n$ vérifie $\lim\limits_{n \to +\infty} p\!\left(|F_n - p| \geqslant \varepsilon\right) = 0$ pour tout $\varepsilon > 0$.

[qcm]
[option correct="true"]Vrai[/option]
[option]Faux[/option]
[reponse statut="correct"]Tu as raison !
La fréquence $F_n$ est la moyenne empirique d'un échantillon de Bernoulli (d'espérance $p$). La loi faible des grands nombres s'applique donc à $F_n$ : la probabilité de s'écarter de $p$ d'au moins $\varepsilon$ tend vers $0$.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non, cette affirmation est vraie.
La fréquence empirique est un cas particulier de moyenne empirique (moyenne d'indicatrices).
La loi faible des grands nombres s'applique donc directement à $F_n$, avec $\mu = p$.[/reponse]
[/qcm]

[solution]
Cette affirmation est vraie. C'est la loi faible des grands nombres appliquée à la fréquence empirique d'un échantillon de Bernoulli.
[/solution]
[/etape]

[etape]
On souhaite estimer une proportion inconnue $p \in [0\,;\,1]$ avec une précision $\varepsilon$ et un seuil de confiance fixés, à l'aide de l'inégalité de concentration.

Affirmation : Plus la valeur réelle de $p$ est proche de $0{,}5$, plus la taille d'échantillon nécessaire est petite.

[qcm]
[option]Vrai[/option]
[option correct="true"]Faux[/option]
[reponse statut="correct"]C'est bien ça !
La majoration de l'inégalité de concentration s'écrit $\dfrac{p(1-p)}{n\varepsilon^2}$. Or $p(1-p)$ atteint son maximum $\dfrac{1}{4}$ en $p = 0{,}5$.
C'est donc autour de $p = 0{,}5$ que la fluctuation est la plus grande et que $n$ doit être le plus grand, pas le plus petit.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non, cette affirmation est fausse.
Penser au sens de variation de $p \mapsto p(1-p)$ sur $[0\,;\,1]$.
Cette fonction est maximale en $p = 0{,}5$, donc la variance — et la taille requise — y est maximale aussi.[/reponse]
[/qcm]

[solution]
Cette affirmation est fausse. C'est l'inverse : $p(1-p)$ est maximal en $p = 0{,}5$, donc la fluctuation et la taille requise y sont les plus grandes.
[/solution]
[/etape]

QCM : Moyenne empirique d’un échantillon

[enonce]
Ce QCM porte sur les paramètres de la moyenne empirique $M_n = \dfrac{X_1 + X_2 + \cdots + X_n}{n}$ d'un échantillon de taille $n$. Choisir la bonne réponse parmi les 4 propositions.
[/enonce]

[etape]
$(X_1, X_2, \ldots, X_n)$ est un échantillon d'une loi d'espérance $\mu = 10$. On considère un échantillon de taille $n=20$. Que vaut $E(M_n)$ ?
[qcm]
[option]$0{,}5$[/option]
[option correct="true"]$10$[/option]
[option]$200$[/option]
[option]$\sqrt{10}$[/option]
[reponse statut="correct"]Bonne réponse !
L'espérance de la moyenne empirique vaut toujours $E(M_n) = \mu$, quelle que soit la taille $n$ de l'échantillon. Ici $E(M_n) = 10$.[/reponse]
[reponse motif="$0{,}5$"]Non.
$0{,}5 = \dfrac{10}{20}$ : c'est une division par $n$. C'est la formule de la variance, pas de l'espérance qui, elle, ne dépend pas de $n$.[/reponse]
[reponse motif="$200$"]Non.
$200 = 10 \times 20$ : c'est l'espérance de la somme $X_1 + \cdots + X_n$, pas celle de la moyenne. La moyenne divise cette somme par $n$.[/reponse]
[reponse motif="$\sqrt{10}$"]Non.
La racine carrée n'intervient pas dans la formule de l'espérance. $E(M_n) = \mu$ directement, sans racine.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non.
La formule clé est $E(M_n) = \mu$ : l'espérance de la moyenne empirique est égale à celle de la loi.[/reponse]
[/qcm]
[/etape]

[etape]
$(X_1, \ldots, X_n)$ est un échantillon d'une loi de variance $V = 4$. Pour $n = 25$, que vaut $V(M_n)$ ?
[qcm]
[option correct="true"]$0{,}16$[/option]
[option]$4$[/option]
[option]$100$[/option]
[option]$0{,}4$[/option]
[reponse statut="correct"]Excellent !
La formule donne $V(M_n) = \dfrac{V}{n} = \dfrac{4}{25} = 0{,}16$.[/reponse]
[reponse motif="$4$"]Non.
La variance de l'échantillon est $V = 4$, mais celle de la moyenne empirique est divisée par $n$. La formule attendue est $V(M_n) = \dfrac{V}{n}$.[/reponse]
[reponse motif="$100$"]Non.
$100 = 4 \times 25$ : la taille $n$ multiplie au lieu de diviser. La moyenne empirique a une variance plus petite que celle de la loi, pas plus grande.[/reponse]
[reponse motif="$0{,}4$"]Non.
$0{,}4 = \dfrac{2}{5} = \dfrac{\sigma}{\sqrt{n}}$ : c'est l'écart-type $\sigma(M_n)$, pas la variance. La question demande $V(M_n) = \dfrac{V}{n}$.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non.
Utiliser $V(M_n) = \dfrac{V}{n}$ : la variance de la moyenne empirique est divisée par la taille de l'échantillon.[/reponse]
[/qcm]
[/etape]

[etape]
$(X_1, \ldots, X_n)$ est un échantillon d'une loi d'écart-type $\sigma = 3$. Pour $n = 9$, que vaut $\sigma(M_n)$ ?
[qcm]
[option]$3$[/option]
[option correct="true"]$1$[/option]
[option]$\dfrac{1}{3}$[/option]
[option]$\dfrac{1}{9}$[/option]
[reponse statut="correct"]Bravo !
La formule donne $\sigma(M_n) = \dfrac{\sigma}{\sqrt{n}} = \dfrac{3}{\sqrt{9}} = \dfrac{3}{3} = 1$.[/reponse]
[reponse motif="$3$"]Non.
$3$ est l'écart-type $\sigma$ de la loi initiale. Celui de la moyenne empirique est divisé par $\sqrt{n}$, ce qui le rend plus petit.[/reponse]
[reponse motif="$\dfrac{1}{3}$"]Non.
$\dfrac{1}{3} = \dfrac{3}{9}$ : la division a été faite par $n$ et non par $\sqrt{n}$. Pour l'écart-type, le diviseur est $\sqrt{n}$.[/reponse]
[reponse motif="$\dfrac{1}{9}$"]Non.
$\dfrac{1}{9}$ ne correspond à aucune des formules : ni la variance $\dfrac{V}{n}$ (il faudrait connaître $V$), ni l'écart-type $\dfrac{\sigma}{\sqrt{n}}$. Recalculer avec $\dfrac{\sigma}{\sqrt{n}}$.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non.
Utiliser $\sigma(M_n) = \dfrac{\sigma}{\sqrt{n}}$ : l'écart-type est divisé par $\sqrt{n}$, pas par $n$.[/reponse]
[/qcm]
[/etape]

[etape]
Quand la taille $n$ de l'échantillon augmente, comment évoluent les paramètres de la moyenne empirique $M_n$ ?
[qcm]
[option]$E(M_n)$ et $V(M_n)$ augmentent toutes les deux.[/option]
[option]$E(M_n)$ augmente et $V(M_n)$ ne change pas.[/option]
[option correct="true"]$E(M_n)$ ne change pas et $V(M_n)$ tend vers $0$.[/option]
[option]$E(M_n)$ tend vers $0$ et $V(M_n)$ tend vers $\sigma^2$.[/option]
[reponse statut="correct"]C'est bien ça !
$E(M_n) = \mu$ : ne dépend pas de $n$, donc reste constant.
$V(M_n) = \dfrac{V}{n}$ : la division par $n$ fait tendre la variance vers $0$ quand $n \to +\infty$.[/reponse]
[reponse motif="$E(M_n)$ et $V(M_n)$ augmentent toutes les deux."]Non.
L'espérance ne dépend pas de $n$ et la variance, divisée par $n$, diminue au lieu d'augmenter. C'est précisément cette diminution qui justifie la concentration de $M_n$ autour de $\mu$.[/reponse]
[reponse motif="$E(M_n)$ augmente et $V(M_n)$ ne change pas."]Non.
Les rôles sont inversés : c'est la variance qui dépend de $n$ (elle diminue), et l'espérance qui reste constante.[/reponse]
[reponse motif="$E(M_n)$ tend vers $0$ et $V(M_n)$ tend vers $\sigma^2$."]Non.
L'espérance ne tend pas vers $0$ : elle vaut toujours $\mu$. Quant à la variance, elle ne tend pas vers $\sigma^2$ mais vers une valeur beaucoup plus petite.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non.
Comparer $E(M_n) = \mu$ (indépendant de $n$) et $V(M_n) = \dfrac{V}{n}$ (qui dépend de $n$).[/reponse]
[/qcm]
[/etape]

[etape]
On lance un dé équilibré à 6 faces. Soit $X$ la variable aléatoire donnant le résultat : $E(X) = 3{,}5$ et $V(X) = \dfrac{35}{12}$. On lance ce dé $n = 100$ fois et on note $M_{100}$ la moyenne des résultats. Que vaut $E(M_{100})$ ?
[qcm]
[option]$0{,}035$[/option]
[option correct="true"]$3{,}5$[/option]
[option]$350$[/option]
[option]$\dfrac{35}{12}$[/option]
[reponse statut="correct"]Tu as raison !
L'espérance de la moyenne empirique est égale à celle de la loi initiale : $E(M_{100}) = E(X) = 3{,}5$.[/reponse]
[reponse motif="$0{,}035$"]Non.
$0{,}035 = \dfrac{3{,}5}{100}$ : c'est une division par $n$. L'espérance ne se divise pas par $n$, contrairement à la variance.[/reponse]
[reponse motif="$350$"]Non.
$350 = 3{,}5 \times 100$ : c'est l'espérance de la somme totale des $100$ lancers, pas de leur moyenne.[/reponse]
[reponse motif="$\dfrac{35}{12}$"]Non.
$\dfrac{35}{12}$ est la variance de la loi, pas son espérance. La question porte sur $E(M_n)$, qui vaut $\mu$.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non.
Utiliser $E(M_n) = \mu = E(X)$.[/reponse]
[/qcm]
[/etape]

[etape]
On lance un dé équilibré $n=100$ fois. Avec $V(X) = \dfrac{35}{12} \approx 2{,}92$, donner une valeur approchée de $\sigma(M_{100})$, l'écart-type de la moyenne empirique.
[qcm]
[option]$1{,}71$[/option]
[option]$0{,}029$[/option]
[option correct="true"]$0{,}171$[/option]
[option]$0{,}0292$[/option]
[reponse statut="correct"]Parfait !
On a $\sigma = \sqrt{V} = \sqrt{2{,}92} \approx 1{,}71$.
Puis $\sigma(M_n) = \dfrac{\sigma}{\sqrt{n}} = \dfrac{1{,}71}{\sqrt{100}} = \dfrac{1{,}71}{10} \approx 0{,}171$.[/reponse]
[reponse motif="$1{,}71$"]Non.
$1{,}71$ est l'écart-type $\sigma$ de la loi (pour un seul lancer). Pour la moyenne de $100$ lancers, il faut le diviser par $\sqrt{100} = 10$.[/reponse]
[reponse motif="$0{,}029$"]Non.
$0{,}029 \approx \dfrac{2{,}92}{100} = \dfrac{V}{n}$ : c'est la variance $V(M_n)$, pas l'écart-type. L'écart-type s'obtient en prenant la racine carrée.[/reponse]
[reponse motif="$0{,}0292$"]Non.
Cette valeur correspond à $\dfrac{V}{n}$, c'est-à-dire $V(M_n)$. La question demande l'écart-type, donc la racine carrée de cette quantité.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non.
Calculer d'abord $\sigma = \sqrt{V}$, puis appliquer $\sigma(M_n) = \dfrac{\sigma}{\sqrt{n}}$.[/reponse]
[/qcm]
[/etape]

Moyenne et inégalité de concentration

On effectue $ n $ tirages avec remise d'une boule d'une urne contenant 100 boules, dont 25 sont rouges et 75 sont bleues.

Pour le $ i $-ième tirage, on note $ Y_i $ la variable aléatoire valant 1 si la boule tirée est rouge et 0 sinon.

  1. Calculer l'espérance mathématique et la variance de $ Y_i $.
  2. Déterminer l'espérance mathématique et la variance de la moyenne $ M_n = \dfrac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} Y_i $.
  3. D'après l'inégalité de concentration, quel est le plus petit nombre de tirages $ n $ nécessaires pour que la probabilité que la moyenne $ M_n $ s'écarte de son espérance de plus de 0,1 soit inférieure à 0,05 ?

Corrigé

  1. L'espérance mathématique de $ Y_i $ est donnée par :

    $ E(Y_i) = 0 \times P(Y_i = 0) +1 \times P(Y_i = 1) = \dfrac{25}{100} = 0{,}25 $

    La variance de $ Y_i $ est calculée comme suit :

    $ V(Y_i) = E(Y_i^2) - (E(Y_i))^2 $

    or :

    $ E(Y_i^2) = 0^2 \times P(Y_i = 0) +1^2 \times P(Y_i = 1) = 0{,}25 $

    donc :

    $ V(Y_i) = 0{,}25 - 0{,}25^2 = 0{,}1875 $
  2. L'espérance de $ M_n $ est :

    $ E(M_n) = E \left( \dfrac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} Y_i \right) = \dfrac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} E(Y_i) = \dfrac{1}{n} \times n \times 0{,}25 = 0{,}25 $

    Si l'on considère que les tirages sont indépendants, la variance de $ M_n $ est :

    $ V(M_n) = V \left( \dfrac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} Y_i \right) = \dfrac{1}{n^2} \sum_{i=1}^{n} V(Y_i) = \dfrac{1}{n^2} \times n \times 0{,}1875 = \dfrac{0{,}1875}{n} $
  3. Utilisons l'inégalité de concentration :

    $ P(|M_n - E(M_n)| \geqslant 0{,}1) \leqslant \dfrac{V(M_n)}{0{,}1^2} $

    Nous voulons que cette probabilité soit inférieure à 0,05 :

    $ \dfrac{V(M_n)}{0{,}01} \leqslant 0{,}05 $
    $ V(M_n) \leqslant 0{,}05 \times 0{,}01 = 0{,}0005 $

    Sachant que :

    $ V(M_n) = \dfrac{0{,}1875}{n} $

    Nous devons avoir :

    $ \dfrac{0{,}1875}{n} \leqslant 0{,}0005 $
    $ n \geqslant \dfrac{0{,}1875}{0{,}0005} = 375 $

    Donc, le nombre minimal de tirages $ n $ pour que la probabilité de s'écarter de l'espérance de plus de 0,1 soit inférieure à 0,05 est de 375.