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Sur une méthode de détermination du degré de dependance des desintégrations des atomes de polonium

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(1)

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Sur une méthode de détermination du degré de

dependance des desintégrations des atomes de polonium

Martin Ferber

To cite this version:

(2)

SUR UNE

MÉTHODE

DE

DÉTERMINATION

DU

DEGRÉ

DE DEPENDANCE DES

DESINTÉGRATIONS

DES ATOMES DE POLONIUM

Par MARTIN FERBER.

Institut de

Physique

atomique,

Faculté des Sciences de

Lyon.

Sommaire. 2014 1° M. J. Thibaud a enregistré à l’oscillographe les désintégrations d’atomes de polonium en

utilisant une source radioactive très faible (quelques centaines de particules 03B1 émises par minute dans la sphère

entière) et en cherchant à recueillir les corpuscules 03B1 dans toutes les directions ; 2° Les N intervalles de

l’enre-gistrement fait dans les conditions expérimentales précédentes sont classés en déciles a, b, c, ... k, et l’on fait l’étude des distributions des 10 sous-séries d’intervalles consécutifs à un intervalle a, b, ... k. Les

distribu-tions totales des intervalles des 10 sous-séries, ainsi sélectionnées, montrent des désaccords avec la distribution

théorique 12014e2014 03B2x. Nous avons pu représenter ces distributions par des développements en séries de fonc-tions orthogonales, en introduisant des polynomes :

3° On aboutit, pour certaines distributions particulièrement suspectes, à un type unique de courbes

ajus-tées et à une interprétation qui paraît, au moins pour certaines classes d’intervalles, devoir faire mettre en doute

l’hypothèse d’une indépendance rigoureuse entre émissions consécutives.

1.

Expériences

de J. Thibaud. - L’étude des séries de

désintégrations

d’une substance

radioactive,

quoique

montrant en

première approximation,

un accord satisfaisant avec la distribution

statistique

que

l’on

peut

prévoir

théoriquement,

semble

pourtant

marquer, pour des séries

particulièrement soignées,

au

point

de vue

expérimental,

un faible désaccord

entre l’observation et la

théorie,

comme J. Thibaud

l’a

remarqué

en

particulier

(Bulletin

Soc. Fr. de

Phys.,

no

406;

Journal de

Phys.,

p.

94 S.,1937).

Cet auteur a

montré,

si l’on classait les intervalles entre émissions suivant leur

longueur d’après

la méthode de

Marsden-Baratt,

pour un nombre élevé de

désintégrations

d’atomes de

polonium (plus

de 17

000),

l’existence d’écarts

systématiques, d’apparence périodiques,

entre

la courbe

exponentielle théorique

et le

graphique

représentant

les valeurs

expérimentales (fig.

1).

Fig. 1. - Classement des intervalles entre émissions

suivant leurs longueurs (J. Thibaud, 1937).

Sur une

représentation

semi-logarithmique,

la courbe des

points expérimentaux

successifs

paraît

onduler autour de la droite

théorique.

a)

Si l’on construit la courbe

f (~)

des écarts ainsi

observés,

l’amplitude

relative de ces ondulations

est,

au

début,

de

quelques

pour

100,

pouvant

atteindre 30 pour 100 pour les

grands

intervalles.

b)

Si l’on construit maintenant la courbe de fré-quence des intervalles

compris

entre t1

et t2, on observe

également

des ondulations

d’amplitudes plus

impor-tantes que celles de la courbe

intégrale,

pouvant

dépas-ser le double ou le

triple

des écarts

statistiques

moyens

prévisibles.

Par

contre,

il ne semble pas y avoir de désaccord

appréciable

entre la théorie et

l’expérience

aussi bien

d’après

cet auteur que

d’après d’autres, lorsque

l’on

applique

la loi de Bateman-Poisson.

L’accord entre l’observation et la

théorie,

d’après

la seconde

méthode,

et le désaccord

plus

ou moins

pro-noncé,

d’après

la

première, s’expliqueraient

par le fait

que les

intervalles,

quoique

suivant dans leur ensemble

la loi

exponentielle,

se

répartiraient

anormalement dans leur suite naturelle.

Les

expériences rapportées

de l’auteur

précédent

étaient relatives à des sources radioactives intenses et à un

f aible

angle

solide sous-tendu par le

dispositif

numérateur de

particules

vis-à-vis de la source. J. Thibaud a

pensé

que si des désaccords

systéma-tiques

du

type

précédent

étaient

susceptibles d’exister,

ils devaient se manifester avec une intensité accrue

dans les conditions suivantes :

10

Emploi

d’un

dispositif d’enregistrement

auto-matique

très

sûr,

à

grand pouvoir

de résolution dans

le

temps

et

capable d’analyser

la distribution dans des

angles

solides voisins de 4 Te ;

20

Remplacement

de la source intense par une source très faible et si

possible

par un

grain

radioactif

unique

(on

sait,

en

effet,

que les substances

radioac-tives ont tendance à se

présenter

à l’état

colloïdal,

en

groupement pouvant

comprendre

106

atomes,

par

exemple).

A cet

eff et,

cet auteur

utilisait,

pour la

détection des

particules

de

désintégrations,

une

chambre d’ionisation reliée à un

amplificateur

(3)

135

portionnel qui

fournit

l’énergie

individuelle des

parti-cules par

enregistrement oscillographique

sur un film

cinématographique

se déroulant à vitesse constante.

D’autre

part,

J. Thibaud isolait dans une

prépara-tion radioactive faible de

polonium

un «

grain

»

don-nant au total 100 à 200

particules

ex par minute. Ce

grain

était monté à l’extrémité d’un fil

métallique

très

fin,

dans l’intérieur d’une chambre d’ionisation

sphé-rique,

de

façon

à recueillir les

particules

dans un

angle

solide,

voisin de 4 77

(fig.

2).

L’expérience

a montré

Fig. 2.

que,

malgré

cette

disposition

de la source à l’intérieur de la chambre

d’ionisation,

aucune contamination ne

se

produisait

dans l’intérieur de celle-ci

(ainsi

que de

précédents

auteurs l’avaient noté dans le cas de sources

intenses)

et

ceci,

précisément,

parce

qu’une

telle source ne

comprend

qu’un petit

nombre de

grains,

probablement

un seul.

L’expérience

lui a

également indiqué

que les désac-cords

qu’il

avait observés avec les sources étendues

et de faibles

angles

solides de mesure, semblaient

augmenter

sur les

enregistrements

faits dans ces nou-velles conditions.

C’est le meilleur de tels

enregistrements

que J. Thi-baud a mis à notre

disposition

pour la nouvelle

étude :

statistique qui

fait

l’objet

de ce mémoire.

:

2. Généralités. - Dans des travaux anté-

B

rieurs

(1), (2),

poursuivis

sur des

enregistrements

du

premier

type (source

intense, angle

faible sous-tendu par le

compteur)

nous avions relevé des

particularités

rencontrées dans l’étude d’une série d’intervalles pro-venant de la

désintégration

des atomes de

polonium.

Appliquant

une méthode dont nous

exposions

les

principes

ailleurs

(3), (4),

nous aboutissions à la

cons-(i) Jean THIBAUD et MARTIN FERBER. Sur l’indépendance des

désintégrations des atomes de polonium. C. R. Acad. Sc., 205, p. 1383.

(2) MARTIN FERBER. Sur une mesure de la dépendance des

désintégrations des atomes de polonium. C. R. Acad. Sc., 207, p. 336.

(3) MARTIN FERBER. Structure d’ordre des séries statistiques du type exponentiel. C. R. Acad. Sc., 205, p. 381.

(4) MARTIN FERBER. Méthode d’étude des séries statistiques du

type

exponentiel. Application à la radioactivité. Journal de

Phy-sLque, aoùt 1938, 9, p. 337.

tatation suivante : la série des intervalles

observés,

quoique

suivant dans son ensemble la loi

exponentielle

~3 e-° ~ montrait dans le détail des effets de second

ordre assez

remarquables qui

paraissaient

sortir du

cadre de la loi

théorique qui

est,

mathématiquement

obtenue comme on le

sait,

par

l’hypothèse

de

l’indé-pendance

des

désintégrations.

Pour l’étude actuelle de

l’enregistrement

du second

type

(source faible,

grand angle

solide)

soumis à notre examen, nous avons d’abord classé les n = 2 160

inter-valles de

l’enregistrement

en K = 216 groupes de

lV =10 intervalles

consécutifs ;

puis

nous détermi-nions dans chacun de ces k’ = 216

groupes, le

plus

grand intervalle,

le

deuxième,

le

ji~me ( j

de 1 à

10)

en

grandeur.

Connaissant la distribution

théorique

du

jième

inter-valle,

ainsi

obtenu,

nous calculions sa valeur moyenne

M(i)

et sa fluctuation

~,2~~~.

Nous

comparions

ces valeurs

théoriques

avec les valeurs observées

corres-pondantes

m§f

et

~z., ,

en calculant encore les limites

théoriques

et

(i) (i)

en dedans

desquelles

les valeurs

m,

et

p21,

devraient se tenir avec la

probabilité 1 /2.

Nous

trouvions,

d’une

part (voir

fig.

3)

que les

grands

intervalles étaient

trop

grands,

les

petits

trop

petits

et d’autre

part,

que la conformité des moyennes

théoriques

des intervalles moyens avec les moyennes

observées

n’étaient dues

qu’à

une

com-Fig. 3. =- Les différences

tn (i),

1

(1)

1 leurs limites

19. 3. = Les l erences

n1’

-

il

et leurs limites

théoriques ,..:t. ’ /2013;2013-vr théoriques

0,6î4 D ( m1 ;

°,6?1

D

(nt II)

--- Théorie. 2013201320132013 Observation.

pensation

d’intervalles courts

trop courts,

avec des intervalles

longs

trop

longs,

d’où résultaient des fluctuations

trop

fortes dans la zone moyenne

(voir

fig.

4,

page

136).

Ceci nous conduisait à

l’hypothèse

que

(4)

Nous nous proposons, dans ce

qui

suit,

de pousser

plus

avant cette discussion par une méthode

appro-priée,

et

d’indiquer

les résultats ainsi obtenus. 3. Méthode de calcul. -

/Nous

nous sommes

ins-pirés

d’une méthode

développée

par 11~2. H.

Eyraud

(5).

Nous rangeons les n = 2 160 intervalles de notre

enre-gistrement d’après

leur

grandeur

croissante. En

décou-pant

cette série en dix

parties

égales

de

n /10

= 216

in-r,

Fig. 4. Les différences

[12B ()

1 - [.’2! (j)

et leurs limites théoriques

_ - _ - . - - Théorie.

- Observation.

tervalles,

nous obtenons les déciles

observés,

que nous

appelons

dans leur ordre de

grandeur

croissante a,

b,

c, ... k.

Revenons à la série naturelle d’intervalles telle

qu’elle

se

présente

sur notre

enregistrement. Chaque

enregistrement

de cette série étant caractérisé par une des lettres entre a et k

qui

se

présentent

chacune

avec une

probabilité

de 1

/10,

nous aurons, dans le cas de

l’indépendance

totale entre émissions

consécu-tives pour des combinaisons de deux lettres

quel-conques, la

probabilité

1

/100.

Nous devons nous attendre à ce que l’observation

du nombre

(x,

y)

des combinaisons x, y

(x

et y entre

a et

k)

nous donne des

fréquences

autour de cette

n

1

probabilité

p x y - -

Nous admettons une

fluc-p p y luu

tuation

bernouillienne 2

=

n p q autour de

l’espé-rance

mathématique

Dans la série naturelle de notre

enregistrement

expérimental,

les 216 intervalles caractérisés par une

des lettres entre a et

k,

déterminent la sélection d’une

sous-série,

à savoir de la sous-série des 216 intervalles

qui

les suivent. Les dix sous-séries d’intervalles ainsi

obtenues

doivent,

s’il y a

indépendance

entre émissions

suivantes,

reproduire

dans leurs

fréquences

totales la

distribution

théorique

totale.

(5) Henri E) RA L D. Les principes de la mesure des corrélations. Annales de l’UnÙ’ersÍté de Lyon, 3e série, Sciences, section A, 1936, p. 30-47.

Nous verrons

plus

loin que l’accord entre la distri-bution

théorique

et la distribution observée de

quelques

déciles n’est pas très satisfaisant.

Cela nous conduisit à

procéder

par un

ajustement

et à chercher à

représenter

les courbes de

fréquence

par

des

développements

en série de fonctions

orthogo-nales,

étant donné que les coefficients d’un tel

déve-loppement

se

composent

des moments observés de la

distribution et que les moments

supérieurs

manquent

forcément d’une certaine

précision,

nous nous

arrê-tions au troisième membre de ce

développement.

En introduisant les

polynomes (légèrement modifiés,

comme on le

voit)

de

Laguerre :

on

peut

montrer que :

1

est une série de fonctions

orthogonales

et normées. Des calculs

classiques

(voir,

par

exemple

[5])

donnent

rapidement

un

développement

de

et de

Nous

obtenons,

en

désignant

par

m’1, ~’3,

m’3

les

moments observés du

premier,

deuxième,

troisième

ordre,

dans le cas de n = 3.

avec :

avec :

(5)

137

- dépourvus

d’un certain sens

statistique.

En

effet,

à

des constantes

près,

ils

reproduisent l’expression :

qui

est,

comme on

peut

le vérifier

facilement,

la loi

de la distribution de la somme de lV

intervalles,

dont

chacun suit la distribution ge-.’~x.

4. Observations. - L’évaluation de

l’enregistre-ment nous donnait comme intervalle moyen

D’où rn1

= 11,78, ~ == 138,7684,

La valeur observée de [.L2,

[.L’ 2

avait pour

grandeur

144,8090

et,

par

suite,

dépassait légèrement

la limite

permise

(avec

une

probabilité 1 /2)

de

138,7684

(

:1:)

5,6920.

Premier indice que dans l’ensemble de la bande

enregistrée

soumise à notre examen, il y avait un peu

trop

d’intervalles

courts,

ou

longs,

ou tous les deux ensemble.

Pour étudier cette

question

à

fond,

nous

procédions

au classement

précité

en déciles. Nous calculions l’intervalle moyen

ni’,

et la fluctuation

[.L’ 2

des distri-butions des intervalles

qui

suivent un intervalle a,

b,

...

k,

distributions que nous

appelons

brièvement « Distributions a, ... k ».

L’intervalle moyen

m’1

devant se trouver en dedans des limites

11,78 :1:

0,54

(11,24

-12,32)

la fluctua-tion

[.L’ 2 en

dedans des limites

138,7684 ~ 17,9998

(120,7686

- 156,7687),

nous trouvions les résultats

consignés

au tableau 1.

TABLEAU I. -

Moyennes

et

fluctuations

observées des

différents

déciles. Limites

dépassées

dans le sens

positif

(+)

ou

négatif

(-).

On

reconnaît,

par ce

tableau,

que dans les cas c,

d, i,

la distribution des intervalles est « dilatée » autour de valeurs moyennes

trop

grandes

et

qu’elle

est,

au

contraire,

dans le cas b et

f

« contractée » autour de

valeurs moyennes

trop

faibles.

A

l’appui

de ces

constatations,

nous établissions

encore un autre tableau

(voir

tableau

II).

Les déciles

théoriques

de la

distribution ~e-"~x

s’obtiennent par le classement des intervalles entre

les 11 valeurs xo, xl, ..., xi, ..., X10,

où xi

est de la

grandeur :

1

Dans notre cas,

avec - -

11,78,

nous avons le

tableau suivant : -.

TABLEAU Il. - Points de sections

Xi, des déciles

théoriques.

Nous calculions pour chacun de ces 10 déciles sa

valeur moyenne

théorique qui

résulte pour le

(i

+

1 ) iéme

décile de

Les valeurs moyennes observées

rnl~ +

1]

doivent

se

tenir dans les limites

et

Nous donnons

ci-joint

le tableau des

mai + 1]

et des

(6)

-TABLEAU III. - Valenrs

moyennes observées

m~l~~ ~~

des distributions a,

b,

..., k

qui dépassent

les limites et

le sens

positif

(+)

ou

négatif

(-)

dans

lequel

elles les

dépassent.

Le tableau I II donne les valeurs moyennes observées

m’ii + 1],

des distributions a,

b,

...,

k,

autant

qu’elles

dépassent

les limites données par le tableau

IV,

et le

sens

positif

(+)

ou

négatif

(-)

dans

lequel

elles les

dépassent.

L’étude du tableau IV nous

enseigne

qu’il

y a, et cela pour toutes les 10 distributions a, ...,

k,

beau-t d li+ il .

d, 1 1.. th ’

coup

trop

de

mi,

qui dépassent

les limites

théo-riques,

calculées sur la base de la

probabilité

1

/2

(86

au lieu de

50).

La tendance des

petits

intervalles d’être

trop

petits,

et des

grands,

d’être

trop

grands

se

dessine donc pour toutes les distributions

envisagées.

Les constatations faites à

l’appui

du tableau I

restent entièrement maintenues. En

effet,

un coup d’oeil sur le tableau 4 nous montre que les

distribu-tions,

c,

d,

i,

sont assez « dilatées » tandis que les

dis-tributions b et

f

démontrent

plutôt

une tendance contraire. En

outre,

on constate une certaine

ressem-blance entre les distributions

d,

e, g,

i,

ressemblance sur

laquelle

nous reviendrons

plus

loin.

Après

avoir relevé un désaccord évident entre les distributions a, ...,

k,

et leur distribution

théorique,

nous étudions lesdites distributions sous un autre

TABLEAU IV. - Valeurs

moyennes

théoriques

et limites des valeurs moyennes observées

m 1

des

(1

+

1) ièmes

déciles.

point

de vue. Nous

comptions

combien d’intervalles

appartenant

aux déciles

1, 2,

...,

10,

étaient contenus

(7)

139

D’après

des calculs dont nous mentionnons la base

plus

haut,

on devait s’attendre à des chiffres

compris

entre

21,6 ~ 3,1,

c’est-à-dire entre 19 et 25.

Le tableau

V,

tableau à double

entrée,

nous donne

le nombre des intervalles

appartenant

en même

temps

à une distribution entre a et k et à un décile

entre 1 et 10. Le tableau VI

récapitule

le tableau V

pour les nombres tombant en dehors des limites.

TABLEAU V. - Tableau à double

entrée des nombres d’intervalles

qui appartiennent

d’une part à une des distributions entre a et k

(colonne

verticale)

et d’autre

part

à l’un des déciles entre 1 et 10

(colonne

horizon-tale de ces distributions.

TABLEAU VI. - Tableau

(8)

Fig. 5. -- Courbe 1 : 1 - e-~’-x. Fig. 6. Courbe 1 : Courbe 2 : Courbe 3 : Distribution b.

Nous réservons la discussion des résultats ainsi

obtenus pour la

conclusion,

nous attirerons

mainte-nant l’attention sur les

figures

5 à 11.

La

figure

5 nous

présente

la distribution totale

observée des 2 160 intervalles de

l’enregistrement,

et la distribution totale

théorique

1- On voit

qu’il

y a pour l’ensemble de

l’enregistrement

une

cer-taine surabondance des intervalles courts.

Les

figures

6 à 11

donnent,

pour les distributions

b,

c,

f,

e,

g, z,

les distributions totales des 216 intervalles observés et dans les courbes 1 les distributions totales

théoriques

1 - Les courbes 2

représentent

les distributions totales

ajustées d’après

les formules

(4)

et

(5) ;

les courbes 3 donnent les différences entre les courbes 2 et 1.

Comme on le

voit,

l’ajustement

utilisant les trois

premiers

moments est assez satisfaisant

(peut-être

à

l’exception

de la

figure

6,

distribution

b).

Étant

d’un

caractère différent pour les

figures

6-8

(distributions

b,

c,

f )

il est d’un

tyrpe

uniforme pour les

figures

9-11

(distributions

e, g,

~).

Nous reviendrons sur cette dernière constatation

(9)

141 Fig. 8. Courbe 1 : Courbe 2 : Courbe 3 : Distribution f.

5.

Conclusion. - Déjà

les tableaux 1 et IV nous

avaient montré que les distributions a, ...,

k,

sont

au moins en

partie,

fortement anormales. Les

distri-b. k .,

h 7V

butions a, >

..., k

> sont constituées chacune par p

10

10 intervalles bien

définis,

à savoir par p les intervalles

10

qui

suivent un intervalle de la classe a,

b,

... k.

Dans le cas de

l’indépendance

totale entre émissions

consécutives,

chacune des sous-séries

qui

constituent les distributions a,

b,

...,

k,

sous-séries sélectionnées

par le caractère des intervalles

précédents,

devrait

reproduire

dans certaines

limites,

la distribution

théo-rique simple

et la distribution

théorique

totale

1 - mais comme nous venons de

voir,

cé n’est

pas là le cas. Cela revient à dire que les intervalles

précédents,

constituant le sélectionnement des

distri-butions a, ...,

k,

exercent une certaine influence sur

leurs successeurs.

Pour mesurer cette

influence,

reportons-nous

au tableau VI. Ce tableau nous donnant les nombres -hors des limites - des intervalles

qui appartiennent

en même

temps

à une distribution a,

..., k,

et à l’un

des déciles

1,

...,

10,

nous montre :

Fig. 9. Courbe 1 : Courbe 2 : Courbe 3 : Distribution e. 10 Les cases

[a - e, 1- 5],

jf - k, 6 -10]

étant

occupées

par 11 + 5 =16 chiffres anormaux,

les cases

[a

- e, 6

-10],

[1 - l~,

1---

5]

par 14

+ 12

= 26 chiffres anormaux,

il

s’ensuit que les intervalles

(plus petits

que la

médiane)

causent des

perturbations

dans l’ensemble des intervalles

qui

les

suivent ;

et

qu’inversement,

les intervalles

grands

causent des

perturbations

dans l’ensemble des intervalles

petits

qui

les suivent.

2o Le tableau nous donne 4 groupes de deux chiffres consécutifs

hyponormaux

(c, 6), (c,

7) ;

(e,

3), (e, 4) ;

(g, 2), (g,

3) ;

(i, 2), (i,

3) ;

d’après

des

calculs,

un tel

groupe de deux chiffres consécutifs

hyponormaux

ne devrait se

présenter qu’une

seule fois. Le fait que ces

groupes se

présentent

4 fois

porterait

à rattacher leur

présence

à une cause

physique.

30 Les intervalles des déciles moyens e,

g, 1

montrent

une

répulsion

très forte à se faire suivre par des

inter-valles

petits.

On dirait que la

présence

d’un inter-valle e,

g, i,

aurait tendance à

supprimer

une

désinté-gration

immédiatement

consécutive,

fait

qui

expli-querait

la

présence

d’un nombre élevé d’intervalles

grands,

consécutifs aux intervalles des groupes e, g, b.

(10)

ten-Fig. 10.

Courbe 1 :

Courbe 2 :

Courbe 3 :

Distribution g.

dance à être suivis de

désintégrations

immédiates en surnombre.

40 Les courbes

ajustées (fig.

8 pour les distribu-tions

f, fig.

9-11 pour les distributions e, g,

i),

expriment

très nettement les constatations de 3°. En

outre,

le fait d’avoir obtenu pour les 3 distributions e,

g, i,

un

type

unique

de courbes

ajustées,

courbes d’un

carac-tère

semi-théorique, semi-empirique, pourrait

nous amener à reconnaitre là une réalité

physique.

L’indé-pendance présumée

entre émissions

consécutives,

souffrirait en

présence

de certaines classes

d’inter-valles,

des

exceptions

assez

remarquables

et faciles à

décrire par des

types

simples

et

uniques

de courbes de distribution. Fig. 11. Courbe l’ : Courbe 2 : Courbe 3 : Distribution i.

Ce travail a été fait à l’Institut de

Physique

ato-mique.

Nous tenons à remercier M. le

professeur

Thi-baud,

directeur de l’Institut de

Physique atomique,

qui

a mis à notre

disposition

ses

enregistrements

expé-rimentaux,

pour ses

encouragements

et conseils

pré-cieux. Nous devons

également

de vifs remerciements

à M. le

professeur Eyraud,

directeur de l’Institut de

Science financière et

d’Assurance,

pour les directives

importantes

dont il nous a fait bénéficier en matière

de

statistique,

ainsi

qu’à

M. le

professeur

G. Darmois

qui

a bien voulu

accepter

de revoir notre manuscrit.

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