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Convergences et th´ eor` emes limites

Ce chapitre est consacr´e aux deux r´esultats fondamentaux des probabilit´es : la loi forte des grands nombres qui assure que la moyenne arithm´etique de variables al´eatoires ind´ependantes et de mˆeme loi converge vers une constante quand le nombre de variables al´eatoires augmente, et le th´eor`eme central limite qui pr´ecise la vitesse de cette convergence.

L’´enonc´e de ces r´esultats n´ecessite l’introduction de plusieurs modes de conver-gence pour les variables al´eatoires : la converconver-gence presque sˆure au paragraphe V.1, la convergence en probabilit´e et la convergence quadratique au paragraphe V.2, et la convergence en loi au paragraphe V.3.

La loi forte des grands nombres est ´enonc´ee et en partie d´emontr´ee au pa-ragraphe V.4. On donne des applications de ce r´esultat au papa-ragraphe V.5. Le th´eor`eme central limite est ´enonc´e et d´emontr´e au paragraphe V.6. La notion d’in-tervalle de confiance, qui par exemple permet de donner la validit´e d’un sondage, est introduite au paragraphe V.7. D’autres r´esultats qui compl`etent le th´eor`eme central limite sont pr´esent´es dans le paragraphe V.8.

V.1 Convergence presque sˆure et th´eor`emes limites

On pr´esente dans ce paragraphe la convergence presque sˆure (p.s.) et les condi-tions qui permettent de permuter convergence p.s. et esp´erance. Les d´efinicondi-tions de la limite sup´erieure et de la limite inf´erieure sont rappel´ees au paragraphe I.10.

D´efinition V.1. On dit qu’une suite (Xn, n∈N) de variables al´eatoires r´eelles d´efinies sur le mˆeme espace probabilis´e, converge presque sˆurement si :

P

lim inf

n→∞ Xn= lim sup

n→∞ Xn

= 1.

On note lim

n→∞Xn la v.a. limite. Une suite de variables al´eatoires vectorielles ((Xn(1), . . . , Xn(d)), n∈N) converge p.s. si les suites des coordonn´ees(Xn(i), n∈ N), pouri∈ {1, . . . , d}, convergent presque sˆurement. Enfin si la suite(Xn, n∈N) converge p.s. vers X, on le note :

Xn −−−→np.s.

→∞ X.

Remarque. La limite, quand elle existe, est mesurable (cf. la proposition I.19), c’est

donc une variable al´eatoire. ♦

Exemple. Soit (Xn, n∈N) une suite de v.a. de loi de Bernoulli de param`etre pn. Alors la suite des sommes partielles (Pn

k=02kXk, n∈N) converge p.s. ♦ Remarque. Soit (Xn, n∈N) une suite de v.a. ind´ependantes de loi uniforme sur [−1,1]. La suite des sommes partielles (Pn

k=1Xk/k2, n ∈ N) converge (absolu-ment) p.s. Le graphe V.1 repr´esente des r´ealisations des ces sommes partielles.

♦ Lemme V.2. Soit (Xn, n∈N) une suite de v.a. qui converge p.s. vers X. Soith une fonction mesurable. SoitC l’ensemble des points o`u la fonctionhest continue.

Si P(X∈C) = 1, alors la suite de v.a. (h(Xn), n∈N) converge p.s. versh(X).

D´emonstration. Soit l’´ev`enementA={Xn converge vers X}. Par hypoth`ese on a P(A) = 1. Pourω ∈A∩{X ∈C}, on a limn→∞h(Xn(ω)) =h(X(ω)). Cela signifie que :

A∩ {X∈C} ⊂ {h(Xn) converge versh(X)}.

Comme P(A∩ {X ∈C}) = 1, on en d´eduit par croissance, que la probabilit´e du membre de droite est 1. La suite de v.a. (h(Xn), n∈N) converge p.s. versh(X). ⊓⊔ Exemple. Si (Xn, n ∈ N) est une suite de v.a. qui converge p.s. vers X et si P(X= 0) = 0, alors la suite (Xn1, n∈N) converge p.s. vers X1. ♦ Les trois th´eor`emes suivants que l’on admet sont `a rapprocher des th´eor`emes

´enonc´es au paragraphe III.10 sur l’int´egrale de Lebesgue.

V.1 Convergence presque sˆure et th´eor`emes limites

0 15 30 45 60

−1 0 1

Yn

n

Figure V.1.5 r´ealisations de la suiten7→Yn=

n

X

k=1

Xk/k2.

Th´eor`eme V.3 (Convergence domin´ee). Soit Y une v.a. r´eelle positive telle que E[Y]<∞. Soit (Xn, n∈N)une suite de v.a. r´eelles ou vectorielles telles que pour tout n ∈ N p.s. |Xn| ≤ Y (les v.a. Xn sont domin´ees p.s. par la v.a. Y et donc int´egrables). Si la suite de v.a. (Xn, n∈N) converge p.s., alors la v.a. lim

n→∞Xn est aussi int´egrable, et on a :

n→∞lim E[Xn] =Eh

n→∞lim Xn

i .

ExempleV.4. On termine la d´emonstration de la formule de d´ecomposition (II.10).

SoitXune v.a. etY une v.a.d. de support∆. Soitϕune fonction mesurable born´ee.

On d´esire montrer que :

E[ϕ(X, Y)] = X

y∈∆

E[ϕ(X, y), Y =y], o`u par convention E[ϕ(X, y), Y =y] =E

ϕ(X, y)1{Y=y}

. On consid`ere une suite croissante (∆n, n ∈ N) de sous-ensembles finis telle que S

n1n = ∆. On pose Zn = P

y∈∆nϕ(X, y)1{Y=y}. La v.a. Zn est domin´ee par kϕkP

y∈∆1{Y=y} ≤ kϕk. De plus la suite (Zn, n ∈ N) converge p.s. vers X

y∈∆

ϕ(X, y)1{Y=y} = ϕ(X, Y). Par le th´eor`eme de convergence domin´ee, on obtient :

X

y

E[ϕ(X, y), Y =y] = lim

n→∞E[Zn] =Eh

n→∞lim Zn

i

=E[ϕ(X, Y)].

♦ Th´eor`eme V.5 (Convergence monotone). Soit (Xn, n∈N) une suite croissante de v.a. r´eelles positives: pour tout m≥n≥0, p.s. Xm≥Xn≥0. On a :

n→∞lim E[Xn] =Eh

n→∞lim Xn

i ,

o`u les limites peuvent ´eventuellement prendre la valeur +∞.

Th´eor`eme V.6(Lemme de Fatou). Soit(Xn, n∈N)une suite de v.a.positives.

On a :

lim inf

n→∞ E[Xn]≥E h

lim inf

n→∞ Xni .

V.2 Convergence en probabilit´e et dans l’espace L2

On pr´esente dans ce paragraphe la convergence en probabilit´e et dansL2. D´efinition V.7. On dit qu’une suite de v.a. (Xn, n∈N) d´efinies sur le mˆeme espace probabilis´e converge en probabilit´e vers une v.a.X si : pour toutε >0,

nlim→∞P(|Xn−X|> ε) = 0.

On a d´ej`a vu la convergence en probabilit´e au paragraphe II.11 pour la loi faible des grands nombres.

Exemple. Soit (Xn, n∈N) une suite de v.a. de Bernoulli de param`etre pn tel que

n→∞lim pn= 0. Alors la suite converge en probabilit´e vers 0. En effet, pour ε∈]0,1[, on a P(|Xn|> ε) =pn et limn→∞pn= 0. ♦ Proposition V.8. La convergence p.s. entraˆıne la convergence en probabilit´e.

V.2 Convergence en probabilit´e et dans l’espaceL2

D´emonstration. Soit (Xn, n ∈ N) une suite de v.a qui converge p.s. vers X. La suite de v.a. discr`etes positives (1{|XnX|}, n∈N) converge p.s. vers 0. De plus elle est uniform´ement born´ee par 1. Par le th´eor`eme de convergence domin´ee, on en d´eduit que :

nlim→∞P(|Xn−X|> ε) = lim

n→∞E

1{|XnX|}

=Eh

nlim→∞1{|XnX|}i

= 0.

⊔ Remarque. La r´eciproque est fausse en g´en´eral comme le montre l’exemple suivant. Soit l’espace probabilis´e ([0,1],B([0,1]), λ), o`uλest la mesure de Lebesgue sur [0,1]. Les v.a. r´eelles sont alors les fonctions r´eelles mesurables d´efinies sur [0,1].

On d´efinit les v.a.X2n+kde la mani`ere suivante : pourn∈Netk∈ {0,· · ·,2n−1}, X2n+k(ω) =1[k2−n,(k+1)2−n](ω).

Pour tout ω ∈ [0,1], la suite Xp(ω) prend une infinit´e de fois les valeurs 0 et 1.

En particulier on a lim supp→∞Xp(ω) = 1 et lim infp→∞Xp(ω) = 0. P.s. la suite ne converge pas. En revanche, pour ε ∈]0,1[, on a P(|X2n+k|> ε) =P(X2n+k = 1) = 2−n. Cela implique que limp→∞P(|Xp|> ε) = 0. Donc la suite converge en

probabilit´e vers 0. ♦

On pourra dans une premi`ere lecture omettre la fin de ce paragraphe sur la r´eciproque partielle de la proposition V.8 et la notion de convergence dans L2. Proposition V.9. De toute suite de v.a. qui converge en probabilit´e, on peut extraire une sous-suite qui converge presque sˆurement.

D´emonstration. Soit (Xn, n∈N) une suite de v.a. qui converge en probabilit´e vers X. On d´efinit la sous-suite (Xσ(n), n ∈ N) de la mani`ere suivante : σ(0) = 0 et pour n∈N,

σ(n+ 1) = inf

p > σ(n) tel que P

|Xp−X|> 1 n+ 1

≤ 1

(n+ 1)2

.

La suite (Xn, n ∈ N) converge en probabilit´e, cela assure que la sous-suite (σ(n), n∈N) est bien d´efinie. On en d´eduit, par convergence monotone, que :

E

 X

n1

1{|Xσ(n)X|>n1}

=X

n1

P

Xσ(n)−X > 1

n

≤X

n1

1 n2 <∞.

Cela implique que la v.a. X

n1

1{|Xσ(n)X|>n1} est int´egrable. En particulier, elle est finie p.s. Les termes d’une s´erie convergente tendent vers 0. Donc p.s., on a lim

n→∞1{|Xσ(n)X|>n1} = 0. Comme la fonction indicatrice ne prend que deux valeurs 0 ou 1, cela entraˆıne que p.s. 1{|Xσ(n)−X|>n1}(ω) est nul `a partir d’un certain rang n0 (qui d´epend de ω). Donc, p.s. `a partir d’un certain rang, on a Xσ(n)(ω)−X(ω)

n1. En particulier, cela implique que p.s. limn→∞Xσ(n)=X.

Donc la sous-suite (Xσ(n), n∈N) converge p.s. vers X. ⊓⊔ On d´efinit l’espace L2(Ω), not´e L2, comme l’espace des v.a. r´eelles de carr´e int´egrable d´efinies sur (Ω,F). Si on a X ∈ L2, alors αX ∈ L2, o`u α ∈ R, par lin´earit´e de l’esp´erance. Enfin si X, Y ∈ L2, alors comme (X+Y)2 ≤2X2+ 2Y2, on en d´eduit queX+Y ∈ L2. AinsiL2 est un espace vectoriel. On noteL2l’espace L2quotient´e par la relation d’´equivalence d´efinie par l’´egalit´e p.s. (i.e.XetY sont en relation si X = Y p.s.). Ainsi X ∈ L2 d´esigne un repr´esentant de la classe {Y ∈ L2;X =Y p.s.}.

Par l’in´egalit´e de Cauchy-Schwarz, on remarque que siX, Y ∈L2, alorsXY est int´egrable. On v´erifie facilement queE[XY] d´efinit une forme bilin´eaire sym´etrique positive sur L2. Enfin, on d´eduit de l’in´egalit´e de Tchebychev, que si P(|X| >

ε) > 0, alors E[X2]> 0. Par contrapos´ee, si E[XX] = 0, alors X = 0 p.s. Ainsi l’application (X, Y)7→E[XY] d´efinit un produit scalaire surL2. La norme associ´ee est kXk=p

E[X2].

D´efinition V.10. On dit qu’une suite de v.a. (Xn, n ∈ N) de carr´e int´egrable converge dans L2 vers une v.a. de carr´e int´egrableX si :

nlim→∞E

(Xn−X)2

= 0.

Proposition V.11. La convergence L2 entraˆıne la convergence en probabilit´e.

D´emonstration. Cela d´ecoule de l’in´egalit´e de Tchebychev. ⊓⊔ Remarque. La r´eciproque est fausse en g´en´eral, car pour la convergence en proba-bilit´e, on n’impose pas queXn soit de carr´e int´egrable. ♦ On dit que la suite de v.a. (Xn, n∈N) est unesuite de CauchydansL2si pour toutε >0, il existeN tel que pour toutn≥N, m≥N, on aE

(Xn−Xm)2

≤ε.

V.2 Convergence en probabilit´e et dans l’espaceL2

La proposition suivante assure que l’espaceL2estcomplet. Ainsi l’espaceL2muni du produit scalaire (X, Y) =E[XY] est un espace de Hilbert.

Proposition V.12. Toute suite de Cauchy dansL2 est une suite convergente dans L2.

D´emonstration. On suppose que (Xn, n∈N) est une suite de Cauchy dansL2. On extrait une sous-suite de la mani`ere suivante : σ(0) = 0 et pour tout n ∈ N, on pose :

σ(n+ 1) = infn

k > σ(n);E

(Xl−Xm)2

≤2(n+1)pour tous l≥k, m≥ko .

En particulier, on a pour toutn∈N,E[(Xσ(n+1)−Xσ(n))2]≤2n. Par le th´eor`eme de convergence monotone et l’in´egalit´e de Jensen appliqu´ee `a la fonctionϕ(x) =x2, on a :

E

"

X

n∈N

Xσ(n+1)−Xσ(n)

#

=X

n∈N

E

Xσ(n+1)−Xσ(n)

≤X

n∈N

E

(Xσ(n+1)−Xσ(n))21/2

<∞. Cela implique que la v.a.P

n∈N

Xσ(n+1)−Xσ(n)

est int´egrable. Elle est donc finie p.s. La s´erie de terme g´en´eral Xσ(n+1)−Xσ(n) est p.s. absolument convergente.

En regardant la convergence des sommes partielles, on en d´eduit que la suite (Xσ(n), n∈ N) converge p.s. On note X la v.a. limite. On d´eduit alors du lemme de Fatou que :

lim inf

n→∞ E

(Xm−Xσ(n))2

≥E

(Xm−X)2 .

En particulier, on en d´eduit que pour tout ε > 0, il existe N tel que pour tout entier m ≥N, E

(Xm−X)2

≤ ε. La suite (Xn, n ∈ N) converge donc dans L2

vers X. ⊓⊔

Remarque. On a ´egalement montr´e dans la d´emonstration ci-dessus, que de toute suite convergente dans L2, on peut extraire une sous-suite qui converge presque

sˆurement. ♦

V.3 Convergence en loi

Parmi les notions de convergence, la convergence en loi est la convergence la plus faible. La d´efinition suivante est valable pour les v.a. r´eelles et vectorielles.

D´efinition V.13. On dit qu’une suite de v.a. (Xn, n∈N) converge en loi vers la loi d’une v.a. X (par abus de langage, on dit aussi que la suite converge en loi vers X) si pour toute fonctiong `a valeurs r´eelles, born´ee et continue, on a :

nlim→∞E[g(Xn)] =E[g(X)]. On le note :

Xn en loi

−−−−→

n→∞ X.

Remarque. Le choix de fonctions continues est essentiel (voir la proposition V.19 et l’exemple V.20). La convergence en loi n’entraˆıne pas en g´en´eral la convergence en probabilit´e, ni la convergence p.s., ni dans l’espace L2. En particulier, dans la d´efinition de la convergence en loi, on n’impose pas que les v.a. soient d´efinies sur

le mˆeme espace probabilis´e. ♦

Exemple. La suite (Xn, n∈N), o`uXnest de loi uniforme sur

0,1

n,· · ·,n−1 n

, converge en loi versU de loi uniforme sur [0,1]. En effet, sig est continue born´ee, on d´eduit de la convergence des sommes de Riemann que :

E[g(Xn)] = 1 n

n1

X

k=0

g k

n

n→∞−→

Z

[0,1]

g(x)dx=E[g(U)].

♦ Exercice V.1.

Soit (Xn, n∈N) une suite de variables al´eatoires de loi exponentielle de param`etre λn. ´Etudier la convergence en loi dans les trois cas suivants :

1. lim

n→∞λn=λ∈]0,∞[, 2. lim

n→∞λn= +∞, 3. lim

n→∞λn= 0.

△ Correction V.1. Soitg continue born´ee.

V.3 Convergence en loi

1. On a E[g(Xn)] = R

0 λne−λnxg(x) dx. Il existe n0 ∈ N, et 0 < λ <

λ+ < ∞ tels que pour tout n ≥ n0, on a λn ∈ [λ, λ+]. On a alors

λneλnxg(x)

≤ kgkλ+eλx = h(x). La fonction h est int´egrable sur [0,∞[. On a lim

n→∞λne−λnxg(x) = λe−λxg(x). On d´eduit du th´eor`eme de convergence domin´ee que :

E[g(Xn)]n−→

→∞

Z

0

λeλxg(x)dx.

Donc la suite (Xn, n∈N) converge en loi vers la loi exponentielle de param`etre λ.

2. On a E[g(Xn)] = R

0 exg(x/λn) dx. On a la majoration |exg(x/λn)| ≤ kgkex=h(x), et la fonctionh est int´egrable sur [0,∞[. Comme la fonction gest continue, on a limn→∞g(x/λn) =g(0). Par convergence domin´ee, il vient :

E[g(Xn)]n−→

→∞ g(0) =E[g(X)],

o`u p.s.X = 0. Donc la suite (Xn, n∈N) converge en loi vers 0.

3. Si la suite (Xn, n∈N) converge en loi vers une variable al´eatoire X, alors les fonctions caract´eristiques ψXn(u) convergent versψX(u) pour toutu∈R. On a :

nlim→∞ψXn(u) = lim

n→∞

λn

λn−iu =1{u=0}.

La fonctionu7→1{u=0}n’est pas continue en 0. Or les fonctions caract´eristiques sont continues. Par contrapos´ee, ce n’est donc pas la fonction caract´eristique d’une variable al´eatoire et la suite (Xn, n∈N) ne converge pas en loi.

N En fait les fonctions caract´eristiques jouent un rˆole important pour la conver-gence en loi. On admet le th´eor`eme suivant.

Th´eor`eme V.14 (L´evy). Si (Xn, n ∈ N) est une suite de v.a. r´eelles ou vecto-rielles telle que ψXn n−→

→∞ ψ et si ψ est continue en 0, alors ψ est la fonction caract´eristique d’une v.a. X. De plus la suite (Xn, n∈N) converge en loi vers la loi de X.

On en d´eduit le th´eor`eme suivant utile en pratique.

Th´eor`eme V.15. Soit (Xn, n∈N) une suite de v.a. r´eelles (resp. vectorielles `a valeurs dans Rd). La suite converge en loi vers la loi d’une v.a. X si et seulement si :

ψXn(u)n−→

→∞ ψX(u), ∀u∈R (resp. ∀u∈Rd) . Exercice V.2.

Soit (Xn, n∈N) une suite de v.a. ind´ependantes o`u la loi de Xn est la loi de Cauchy de param`etrean>0. Montrer que la suite (Pn

i=1Xi, n∈N) converge en loi si et seulement si Pn

i=1ai converge vers une limite finie. Alors la loi limite est une loi de Cauchy de param`etreP

i≥1ai. △

Proposition V.16. La convergence en probabilit´e implique la convergence en loi.

La r´eciproque est fausse en g´en´eral, comme le montre le contre-exemple V.17 (voir l’exercice V.3 pour une r´eciproque partielle).

D´emonstration. Soit (Xn, n∈N) une suite de v.a. `a valeurs dansRd, qui converge en probabilit´e vers une v.a. X. On a :

Xn(u)−ψX(u)|= E

h

ei(u,Xn)−ei(u,X)i . Grˆace au lemme IV.1, il vient, pourε >0 :

Xn(u)−ψX(u)| ≤E h

ei(u,Xn)−ei(u,X) i

=Eh

1−ei(u,(X−Xn)) i

≤2E

1|XXn|≥ε

+ sup

|xy|

1−ei(u,(xy)) .

On en d´eduit que lim supn→∞Xn(u)−ψX(u)| ≤ sup|z|

1−ei(u,z)

. Comme ceci est vrai pour tout ε > 0, on a donc limn→∞Xn(u)−ψX(u)|= 0. La suite

converge donc en loi. ⊓⊔

Exemple V.17. Soit (Xn, n∈N) une suite de v.a. ind´ependantes de loi exponen-tielle de param`etreλ= 1. Comme les v.a. ont mˆeme loi, on aE[g(Xn)] =E[g(X1)]

pour toute fonction g continue born´ee. La suite converge donc en loi. On montre que la suite ne converge pas en probabilit´e. Soitε >0. On a pourm6=n:

V.3 Convergence en loi

P(|Xn−Xm|> ε) = Z

R2+

e−x−y1{|x−y|>ε}dxdy >0.

Cette quantit´e est ind´ependante demetn. On raisonne maintenant par l’absurde.

On suppose que la suite (Xn, n∈N) converge en probabilit´e vers une v.a. X.

Comme :

{|Xn−Xm|> ε} ⊂ {|Xn−X|> ε/2} ∪ {|X−Xm|> ε/2}, cela implique que :

P(|Xn−Xm|> ε)≤P(|X−Xm|> ε/2) +P(|Xn−X|> ε/2).

En particulier P(|Xn−Xm| > ε) converge vers 0 quand n → ∞ et m → ∞. Ce qui est absurde, car cette quantit´e strictement positive est ind´ependante de m et

n(pourm6=n). ♦

Remarque. Soit (Xn, n∈N) une suite de v.a. qui converge en loi versX et (Yn, n∈ N) une suite de v.a. qui converge en loi vers Y. Alors on n’a pas forc´ement la convergence en loi de la suite (Xn+Yn, n ∈ N) vers X +Y, ni de mani`ere plus g´en´erale celle de ((Xn, Yn), n ∈ N) vers la loi du couple (X, Y). La convergence des lois marginales en loi n’implique pas la convergence en loi du vecteur, voir

l’exemple V.18. ♦

Exemple V.18. Soit X une v.a. de loi N(0,1). Pour n ∈ N, on pose Xn = X et Yn= (−1)nX. CommeXet−Xont mˆeme loi, on en d´eduit que les lois deXnet de Ynsont ind´ependantes den, il s’agit de la loiN(0,1). En revancheX2n+Y2n= 2X etX2n+1+Y2n+1= 0. La suite (Xn+Yn, n∈N) ne converge donc pas en loi. En utilisant les fonctions caract´eristiques, on v´erifie facilement que l’on n’a pas non plus la convergence de la suite ((Xn, Yn), n ∈N). La convergence en loi n’est pas

une convergence d’espace vectoriel. ♦

On admet le r´esultat suivant qui g´en´eralise la d´efinition V.13.

Proposition V.19. Soit (Xn, n ∈ N) une suite de v.a. `a valeurs dans Rd qui converge en loi vers la loi d’une v.a X. Soit h une fonction d´efinie sur Rd `a valeurs r´eelles, mesurable born´ee. Soit C l’ensemble des points o`u la fonction est continue. Si P(X ∈C) = 1, alors on a :

nlim→∞E[h(Xn)] =E[h(X)].

Exemple V.20. Soit (Xn, n ∈ N) une suite de v.a. telles que P(Xn = 1/n) = 1.

Cette suite converge en loi vers la loi de la v.a. constanteX = 0. Mais on a :

n→∞lim E

1]−∞,0](Xn)

= 06= 1 =E

1]−∞,0](X) .

♦ Exercice V.3.

Soit (Xn, n ∈ N) une suite de v.a. d´efinies sur le mˆeme espace probabilis´e, `a valeurs dans Rd et qui converge en loi vers une constante c. Montrer que la suite

converge ´egalement en probabilit´e vers c. △

Correction V.3. Soitε >0. On d´eduit de la proposition V.19 avec la fonctionh(x) = 1{|xc|} qui est continue enc que limn+P(|Xn−c|> ε) =P(|c−c|> ε) = 0.

La suite converge donc en probabilit´e versc. N

On d´eduit de la proposition V.19 un r´esultat similaire au lemme V.2 pour la convergence en loi.

Corollaire V.21. Soit (Xn, n ∈ N) une suite de v.a. qui converge en loi vers X. Soit h une fonction mesurable. Soit C l’ensemble des points o`u la fonction est continue. Si P(X ∈C) = 1, alors la suite de v.a. (h(Xn), n ∈N) converge en loi vers h(X).

D´emonstration. Soit ϕ une fonction continue born´ee. Les points de continuit´e de ϕ◦h sont ceux deh, c’est-`a-dire l’ensemble C. CommeP(X ∈C) = 1, on d´eduit de la proposition V.19 que lim

n→∞E[ϕ(h(Xn))] =E[ϕ(h(X))]. Cela signifie bien que la suite de v.a. (h(Xn), n∈N) converge en loi vers h(X). ⊓⊔ Soit X une v.a. r´eelle. Sa fonction de r´epartition F(x) = P(X ≤ x) = E

1{Xx}

est croissante, continue `a droite et `a valeurs dans [0,1]. Elle poss`ede donc au plus un nombre d´enombrable de points de discontinuit´e. Sixest un point de continuit´e, alors :

P(X=x) = lim

ε0P(X∈]x−ε, x+ε]) = lim

ε0F(x+ε)−F(x−ε) = 0.

On d´eduit de la proposition V.19 que si la suite de v.a. r´eelles (Xn, n∈N) converge en loi vers X, alors lim

n→∞E

1{Xnx}

=E

1{Xx}

. Ainsi la suite (Fn(x), n∈N), o`u Fn est la fonction de r´epartition deXn, converge vers F(x). L’extension au cas vectoriel est imm´ediat.

V.4 Loi forte des grands nombres

Corollaire V.22. Si la suite(Xn, n∈N)de v.a. r´eelles ou vectorielles converge en loi vers la loi d’une variable al´eatoireX, alors la suite des fonctions de r´epartition (Fn, n∈N) converge ponctuellement vers la fonction de r´epartition, F, de la v.a.

X, sauf peut-ˆetre aux points de discontinuit´e deF.

On adopte la convention suivante : soit hune fonction r´eelle d´efinie surRd, on note :

x→−∞lim h(x) = lim

max(x1,...,xn)→−∞h(x1, . . . , xn),

xlim+h(x) = lim

min(x1,...,xn)→+∞h(x1, . . . , xn), quand les limites existent.

On admettra la r´eciproque suivante.

Proposition V.23. Soit (Xn, n ∈ N), une suite de v.a. r´eelles ou vectorielles, telle que la suite des fonctions de r´epartition (Fn, n∈N) converge ponctuellement vers une fonction continue `a droite F, sauf peut-ˆetre aux points de discontinuit´e de F. On suppose de plus que limx→−∞F(x) = 0 et limx+F(x) = 1. Alors la fonction F est la fonction de r´epartition d’une v.a. X, et la suite (Xn, n ∈ N) converge en loi vers X.

Exemple. Si on reprend l’exercice V.1 en utilisant les fonctions de r´epartition, on obtient que la limite de Fn(x) =P(Xn≤x) = (1−eλnx)1{x≥0} est

– dans le cas λn → λ∈]0,+∞[, (1−eλx)1{x≥0} qui est la fonction de r´epar-tition de la loi exponentielle de param`etre λ,

– dans le casλn→+∞,1{x0} qui est la fonction de r´epartition de la variable constante ´egale `a 0,

– dans le cas λn → 0, F(x) = 0. Cette fonction n’est pas une fonction de r´epartition car limx+F(x)6= 1. Dans ce dernier cas, on retrouve bien que la suite (Xn, n∈N) ne converge pas en loi.

V.4 Loi forte des grands nombres

On am´eliore le r´esultat de la loi faible des grands nombres d´emontr´ee au para-graphe II.11 : on a en fait, sous certaines hypoth`eses, la convergence presque sˆure,

et non pas seulement en probabilit´e, de la moyenne empirique vers la moyenne.

C’est la loi forte des grands nombres (LFGN). Elle est illustr´ee sur la figure V.2.

On dit que des variables al´eatoires sontidentiquement distribu´ees(ou ´equi-distribu´ees) si elles ont mˆeme loi ; et on utilise l’acronymei.i.dpour ind´ependantes et identiquement distribu´ees.

Th´eor`eme V.24 (Loi forte des grands nombres). Soit (Xn, n ∈ N) une suite de v.a. r´eelles ou vectoriellesi.i.d. et int´egrables(c’est-`a-dire ind´ependantes, de mˆeme loi et telles queE[|Xn|]<∞). Alors la moyenne empiriqueX¯n= n1 Pn

k=1Xk converge presque sˆurement vers E[X1]. Ainsi on a :

n= 1 n

n

X

k=1

Xk −−−→np.s.

→∞ E[X1].

On a de plus que lim

n→∞E

n−E[X1]

= 0.

En particulier ce th´eor`eme justifie l’approximation faite au paragraphe I.2 de la probabilit´e d’un ´ev`enement par sa fr´equence empirique. Enfin ce th´eor`eme est robuste : on obtient des r´esultats similaires sur la convergence de la moyenne empirique sous des hypoth`eses plus faibles que celles du th´eor`eme.

0 25 50 75 100

0 1 2 3

0 250 500 750 1000

0 1

2 X¯n

X¯n

n n

Figure V.2. Plusieurs r´ealisations de la suite ¯Xn = 1 n

n

X

k=1

Xk, o`u les variables al´eatoires X1, . . . , Xnsont ind´ependantes de loi exponentielle de param`etreλ= 1 (on a alorsE[Xk] = 1).

V.4 Loi forte des grands nombres

Exemple V.25. Comment calculer m = R1

0 g(x) dx, o`u g est mesurable born´ee,

`

a l’aide d’un ordinateur ? Le g´en´erateur de nombres al´eatoires sur un ordinateur fournit (Un(ω), n ∈ N), une r´ealisation d’une suite de variables al´eatoires que l’on consid`ere ind´ependantes et de loi uniforme sur [0,1]. Ensuite, par abus, on admet que l’on a bien convergence de la moyenne empirique 1

n

n

X

k=1

g(Uk(ω)) vers la moyenne E[g(U1)] pour cette r´ealisation particuli`ereω. On a donc pour nassez grand :

Cette m´ethode, dite m´ethode de Monte Carlo (1949), est particuli`erement efficace si on consid`ere des int´egrales sur [0,1]davec dgrand, comparativement `a d’autres m´ethodes num´eriques. Le but du paragraphe V.6 est de pr´eciser cette

approxima-tion. ♦

D´emonstration. Loi forte des grands nombres. On donne une d´emonstration sous des hypoth`eses plus fortes de la loi forte des grands nombres : on suppose que E[Xk4]<∞. On pose Yk = Xk−E[Xk] et ¯Yn = 1nPn

k=1Yk. Les v.a. Yk sont ind´ependantes et identiquement distribu´ees. On a E[Yk4] < ∞, et E[Yk] = 0. Un simple calcul montre que :

EY¯n4

En particulier, presque sˆurement, les termes de la s´erie tendent vers 0, cela signifie que p.s. limn→∞n = 0. Comme limn→∞E[ ¯Yn4] = 0, on a ´egalement, grˆace `a l’in´egalit´e de Jensen que limn→∞E[

n

] = 0. Cela d´emontre la derni`ere partie du th´eor`eme de la loi forte des grands nombres quand E[Xk4]<∞. ⊓⊔ Que se passe-t-il si les v.a. sont toujours ind´ependantes et de mˆeme loi mais pas int´egrables ? On distingue suivant les trois raisons pour lesquelles une v.a. r´eelle

n’est pas int´egrable : sa partie positive est int´egrable mais pas sa partie n´egative ;

n’est pas int´egrable : sa partie positive est int´egrable mais pas sa partie n´egative ;

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