TD, Contrôle continu 3 : éléments de correction /3 0 2/3 Q = / /4

Documents pareils
Texte Agrégation limitée par diffusion interne

Modèles à Événements Discrets. Réseaux de Petri Stochastiques

Chapitre 3. Mesures stationnaires. et théorèmes de convergence

Le théorème de Perron-Frobenius, les chaines de Markov et un célèbre moteur de recherche

Fonctions homographiques

Résolution d équations non linéaires

Intégration et probabilités TD1 Espaces mesurés Corrigé

Université Paris-Dauphine DUMI2E 1ère année, Applications

Intégration et probabilités TD1 Espaces mesurés

Moments des variables aléatoires réelles

I. Cas de l équiprobabilité

Chaînes de Markov au lycée

TP1 Méthodes de Monte Carlo et techniques de réduction de variance, application au pricing d options

4. Martingales à temps discret

LEÇON N 7 : Schéma de Bernoulli et loi binomiale. Exemples.

Simulation de variables aléatoires

Analyse stochastique de la CRM à ordre partiel dans le cadre des essais cliniques de phase I

Image d un intervalle par une fonction continue

L E Ç O N. Marches aléatoires. Niveau : Terminale S Prérequis : aucun

Probabilités conditionnelles Exercices corrigés

Estimation: intervalle de fluctuation et de confiance. Mars IREM: groupe Proba-Stat. Fluctuation. Confiance. dans les programmes comparaison

Chapitre 2 Le problème de l unicité des solutions

Chapitre 2. Eléments pour comprendre un énoncé

Calcul fonctionnel holomorphe dans les algèbres de Banach

De même, le périmètre P d un cercle de rayon 1 vaut P = 2π (par définition de π). Mais, on peut démontrer (difficilement!) que

Comparaison de fonctions Développements limités. Chapitre 10

Optimisation des fonctions de plusieurs variables

Baccalauréat S Antilles-Guyane 11 septembre 2014 Corrigé

Les indices à surplus constant

Optimisation Discrète

aux différences est appelé équation aux différences d ordre n en forme normale.

1 Définition et premières propriétés des congruences

Coefficients binomiaux

Exercice autour de densité, fonction de répatition, espérance et variance de variables quelconques.

Théorème du point fixe - Théorème de l inversion locale

Introduction à l étude des Corps Finis

Chapitre 7. Statistique des échantillons gaussiens. 7.1 Projection de vecteurs gaussiens

Le modèle de Black et Scholes

Théorie de la Mesure et Intégration

INTRODUCTION AUX SYSTEMES D EXPLOITATION. TD2 Exclusion mutuelle / Sémaphores

Exercices - Polynômes : corrigé. Opérations sur les polynômes

Module 7: Chaînes de Markov à temps continu

Master Modélisation Aléatoire Paris VII, Cours Méthodes de Monte Carlo en nance et C++, TP n 2.

Limites finies en un point

Exercices sur le chapitre «Probabilités»

I3, Probabilités 2014 Travaux Dirigés F BM F BM F BM F BM F B M F B M F B M F B M

Enoncé et corrigé du brevet des collèges dans les académies d Aix- Marseille, Montpellier, Nice Corse et Toulouse en Énoncé.

Développement décimal d un réel

Probabilités sur un univers fini

Les devoirs en Première STMG

Modélisation aléatoire en fiabilité des logiciels

Cryptographie et fonctions à sens unique

Contents. 1 Introduction Objectifs des systèmes bonus-malus Système bonus-malus à classes Système bonus-malus : Principes

Filtrage stochastique non linéaire par la théorie de représentation des martingales

TSTI 2D CH X : Exemples de lois à densité 1

Fonctions de plusieurs variables, intégrales multiples, et intégrales dépendant d un paramètre

Capacité d un canal Second Théorème de Shannon. Théorie de l information 1/34

TESTS D'HYPOTHESES Etude d'un exemple

La fonction exponentielle

Introduction à la théorie des files d'attente. Claude Chaudet

Items étudiés dans le CHAPITRE N5. 7 et 9 p 129 D14 Déterminer par le calcul l'antécédent d'un nombre par une fonction linéaire

La NP-complétude. Johanne Cohen. PRISM/CNRS, Versailles, France.

Exercices types Algorithmique et simulation numérique Oral Mathématiques et algorithmique Banque PT

Développements limités. Notion de développement limité

Le produit semi-direct

Exercices - Fonctions de plusieurs variables : corrigé. Pour commencer

Nombres, mesures et incertitudes en sciences physiques et chimiques. Groupe des Sciences physiques et chimiques de l IGEN

Probabilités conditionnelles Loi binomiale

Calculabilité Cours 3 : Problèmes non-calculables.

Probabilités. C. Charignon. I Cours 3

AC AB. A B C x 1. x + 1. d où. Avec un calcul vu au lycée, on démontre que cette solution admet deux solutions dont une seule nous intéresse : x =

Calcul intégral élémentaire en plusieurs variables

Première partie. Préliminaires : noyaux itérés. MPSI B 6 juin 2015

I. Introduction. 1. Objectifs. 2. Les options. a. Présentation du problème.

Probabilités sur un univers fini

Souad EL Bernoussi. Groupe d Analyse Numérique et Optimisation Rabat http ://

Programmation linéaire

Chapitre 6. Fonction réelle d une variable réelle

PRIME D UNE OPTION D ACHAT OU DE VENTE

Commun à tous les candidats

Lagrange, où λ 1 est pour la contrainte sur µ p ).

BACCALAURÉAT GÉNÉRAL SESSION 2012 OBLIGATOIRE MATHÉMATIQUES. Série S. Durée de l épreuve : 4 heures Coefficient : 7 ENSEIGNEMENT OBLIGATOIRE

Continuité en un point

La maison Ecole d ' Amortissement d un emprunt Classe de terminale ES. Ce qui est demandé. Les étapes du travail

Processus aléatoires avec application en finance

Carl-Louis-Ferdinand von Lindemann ( )

Groupe symétrique. Chapitre II. 1 Définitions et généralités

LISTE D EXERCICES 2 (à la maison)

Baccalauréat ES Polynésie (spécialité) 10 septembre 2014 Corrigé

Cours 7 : Utilisation de modules sous python

Calcul matriciel. Définition 1 Une matrice de format (m,n) est un tableau rectangulaire de mn éléments, rangés en m lignes et n colonnes.

CHAPITRE V SYSTEMES DIFFERENTIELS LINEAIRES A COEFFICIENTS CONSTANTS DU PREMIER ORDRE. EQUATIONS DIFFERENTIELLES.

Cours 02 : Problème général de la programmation linéaire

Théorie de la Mesure et Intégration

Précision d un résultat et calculs d incertitudes

ENS de Lyon TD septembre 2012 Introduction aux probabilités. A partie finie de N

Feuille d exercices 2 : Espaces probabilisés

Programmes des classes préparatoires aux Grandes Ecoles

Séminaire TEST. 1 Présentation du sujet. October 18th, 2013

Raisonnement par récurrence Suites numériques

Transcription:

Université Pierre et Marie Curie Période 2 L3 LM346 : Processus et Simulations TD, Contrôle continu 3 : éléments de correction Exercice 1. Considérons la matrice stochastique suivante : 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1/3 0 2/3 0 0 0 0 0 1 0 0 1/4 0 0 3/4. 0 0 0 0 0 1 1/50 1/50 1/50 1/50 1/50 9/10 et on désigne par (X n ) n N la chaîne de Markov de matrice de transition Q. 1. Précisez l espace des états E. Identifiez les classes d états de la chaîne (X n ), et justifiez pour chacune s il s agit d une classe fermée ou non-fermée. Lesquelles sont récurrentes? La chaîne est-elle irréductible? 2. Prouvez qu il existe une probabilité stationnaire que l on notera π. Est-elle unique? 3. Calculez π. En déduire, à l aide d un résultat du cours dont on justifiera l utilisation, le temps moyen de retour à l état i pour tout i E. 4. Supposons que la loi initiale de (X n ) soit également π. En justifiant soigneusement votre réponse, calculez P(X 5112 = 4). Corrigé 1. 1. L espace des états est E = {1, 2, 3, 4, 5, 6} ; c est l unique classe (évidemment fermée et récurrente car E < ) car tous les états communiquent entre eux (on peut remarquer que tous les états communiquent avec 6, qui communique en retour avec tous les états). La chaîne est donc irréductible. 2. Comme E <, la chaîne admet au moins une probabilité invariante (cf. cours). Elle est unique car la chaîne est irréductible. 3. Il faut ici écrire le système d équations π = πq et le résoudre sans se tromper! On doit trouver, en se souvenant que i E π(i) = 1 : π = (3/167, 3/167, 4/167, 4/167, 3/167, 150/167) Par un théorème du cours, le temps moyen de retour en i E, noté E i T i est alors donné par la formule E i T i = (π(i)) 1. 4. Par un théorème du cours, si la loi initiale et la loi stationnaire d une chaîne de Markov coïncident, alors pour tout n N et tout i E on a P(X n = i) = π(i). Exercice 2. Considérons la matrice suivante : p q 0 0 0 0 0 0 0 0 0 p q 0 0 0 0 0 0 0 0 0 p q 0 0 0 0 0 0 0 0 0 p q 0 0 0 0 0 0 0 0 q/2 p q/2 0 0 0 0 0 0 0 0 q p 0 0 0 0. 0 0 0 0 0 q p 0 0 0 0 0 0 0 0 0 q p 0 0 0 0 0 0 0 0 0 q p 0 0 0 0 0 0 0 0 0 q p où p 1. 1. Quelles conditions doivent vérifier p et q pour que Q soit stochastique? On désignera dans la suite par (X n ) n N la chaîne de Markov de matrice de transition Q. 2. Précisez l espace des états E. Identifiez les classes d états de la chaîne (X n ), et justifiez pour chacune s il s agit d une classe fermée ou non-fermée. Lesquelles sont récurrentes? Lesquelles sont transientes? La chaîne est-elle irréductible? 3. Prouvez qu il existe une probabilité stationnaire que l on notera π, et la calculer. 1

4. Supposons que la loi initiale de (X n ) soit également π. En le justifiant soigneusement, calculez P(X 2115 = 4). Corrigé 2. 1. p + q = 1, 0 p < 1 et 0 < q 1. 2. L espace des états est E = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10}. 1,2,3,7,8,9,10 sont des états transients, et {4, 5, 6} est l unique classe fermée (récurrente car E < ). La chaîne n est pas irréductible. 3. Comme E <, la chaîne admet au moins une probabilité stationnaire. Elle n est pas unique par le théorème 6.6.2 du polycopié. 4. Pour tout état i transient, π(i) = 0. En écrivant le système d équations π = πq il vient ( ) q π = 0, 0, 0, 2(1 p + q), 1 p 1 p + q, q, 0, 0, 0, 0. 2(1 p + q) 5. Par un théorème du cours, si la loi initiale et la loi stationnaire d une chaîne de Markov coïncident, alors pour tout n N et tout i E on a P(X n = i) = π(i). Exercice 3. 1. Précisez, pour chacune des matrices suivantes, si elle est stochastique. Toute réponse non soigneusement justifiée sera considérée comme nulle. 0 0 0 1 1/4 1/4 0 1/4 1/4 p p p p Q 1 = 0 1/2 1/2 0 0 1/2 1/2 0, Q 2 = 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0, Q 3 = 0 1 0 0 p 2p p p 1 0 0 0 0 0 1/2 1/2 0 1/4 1/4 1/4 1/4 où p [0, 1]. 2. Considérons la matrice stochastique suivante : p q 0 p 0 q 0 q p où p, q ]0, 1[ sont tels que p + q = 1, et on désigne par (X n ) n N la chaîne de Markov de matrice de transition Q. Identifiez : l espace des états E. les classes d états de la chaîne (X n ) et leur nature (fermée ou non fermée). 3. La chaîne est-elle irréductible? Prouver qu il existe une probabilité stationnaire que l on notera π. Est-elle unique? 4. Calculer π. En déduire, à l aide d un résultat du cours dont on justifiera l utilisation, le temps moyen de retour à l état i pour tout i E. Corrigé 3. 1. Une matrice est dite stochastique si c est une matrice carrée dont les éléments sont compris dans [0, 1] et dont la somme sur les lignes vaut 1. Q 1 est stochastique, Q 2 (non carrée) et Q 3 (il n existe pas de p tel qu elle soit stochastique) ne le sont pas. 2. L espace des états est E = {1, 2, 3} et c est la seule classe fermée (récurrente car E < ). 3. La chaîne est donc irréductible et il existe une unique probabilité invariante π. 4. On écrit le système π = πq et il vient π = ( p 1 + q, 1 p ) 1 + q, q 1 + q Par un théorème du cours, pour tout i E, le temps moyen de retour en i est donné par E i T i = 1 π(i). Exercice 4 (Tricher au jeu sans gagner est d un sot, Voltaire, Éloge de l hypocrisie). Une anti-sèche circule le long d une rangée de 5 élèves, numérotés dans l ordre de 1 à 5. Le professeur, que nous numérotons 6, les surveille du coin de l œil. Chaque minute, l élève en possession de l anti-sèche tente de la faire passer à l un de ses voisins. Avec une probabilité p = 1/2, le professeur le voit en s empare définitivement de l anti-sèche. S il ne le voit pas, l élève l a fait passer à l un de ses deux voisins choisis au hasard s il est en milieu en rangée et à son seul voisin s il est en bout de ranger. 1. Décrire le processus par une chaîne de Markov à 6 états et donner sa matrice de transition. 2

2. Identifier les classes. Quelles sont les classes fermées? Quelles sont les classes récurrentes? La chaîne est-elle irréductible? 3. Décrire la ou les mesures invariantes. 4. Déterminer le temps moyen T avant que le professeur ne prenne possession de l anti-sèche. 5. Quelle est la loi complète de T sachant qu initialement le professeur n a pas l anti-sèche? Corrigé 4. 1. Soit (X n ) n N la suite aléatoire telle que, pour tout k N, on a X k = i ssi, à la k-ème minute, l élève n i avec i {1, 2, 3, 4, 5} est en possession de l anti-sèche et X k = 6 ssi c est le professeur la possède. La suite (X n ) n N est bien une chaîne de Markov homogène car la loi de X n+1 sachant tous les X k avec k n ne dépend que de la valeur de X n puisque la position de l anti-sèche ne dépend que de l individu qui la posséde à l instant précédent. La matrice de transition est donnée par : 0 1/2 0 0 0 1/2 1/4 0 1/4 0 0 1/2 0 1/4 0 1/4 0 1/2 0 0 1/4 0 1/4 1/2 (1) 0 0 0 1/2 0 1/2 0 0 0 0 0 1 2. Il y a deux classes : {1, 2, 3, 4, 5} et {6} car l anti-sèche peut atteindre n importe quel élève en partant de n importe quel élève mais le professeur ne peut pas la rendre. Seule la classe {6} est fermée. Elle est même absorbante L espace d états est fini donc les classes récurrentes sont exactement les classes fermées : la classe {6} est récurrente, la classe {1, 2, 3, 4, 5} transiente. La chaîne n est pas irréductible car elle possède plus d une classe. 3. Il y a une unique classe récurrente fermée donc il n y a qu une mesure invariante. L état 6 étant absorbant, on vérifie que µ = (0, 0, 0, 0, 0, 1) (2) satisfait trivialement µ µ. Elle est donc l unique mesure invariante. 4. Soit la variable aléatoire T = inf {n > 0; X n = 6}. (3) C est un temps d arrêt pour la filtration engendrée par la suite de variables X n. C est le temps de retour à l unique classe récurrente 6. Soit les nombres k i = E(T X 0 = i) (4) On a le système d équation La résolution de ce système donne directement k 1 = 1 + 1 2 k 2 k 2 = 1 + 1 4 (k 1 + k 3 ) k 3 = 1 + 1 4 (k 2 + k 4 ) k 4 = 1 + 1 4 (k 3 + k 5 ) k 5 = 1 + 1 2 k 4 (5) k 1 = k 2 = k 3 = k 4 = k 5 = 2 (6) En moyenne, au bout de deux minutes, le professeur est en possession de l anti-sèche. 6. L événement {T = n} se réécrit {T = n} = {X k 6} {X n = 6} (7) On a alors : k=0,...,n 1 ( n 1 ) P (T = n) (Markov) = P(X n = 6 X n 6) P(X k 6 X k 1 6) P(X 0 6) Dans le cas présent, on remarque pour tout k 1 : k=1 P(X k 6 X k 1 6) = 1 P(X k = 6 X k 1 6) = 1/2 (8) 3

car les étudiants ont la même probabilité de se faire surprendre. On a ainsi : ( ) n 1 P (T = n) =, n > 0, P (T = 0) = 0 (9) 2 T suit donc une loi géométrique de paramètre 1/2. Exercice 5 (Guichet 102, HFT). Nous considérons une file d attente à un guichet. Le nombre de personnes qui attende dans la file est caractérisé par une suite aléatoire (X n ) n N où n désigne le nombre de minutes écoulées depuis l ouverture du guichet. Nous supposons qu il évolue de la manière suivante : si la file n est pas vide, un nouveau client passe au guichet avec une probabilité p. si la file contient 5 personnes, les gens se découragent et personne ne vient s ajouter à la queue si la file contient strictement moins de 5 personnes, une nouvelle personne vient s ajouter à la queue avec probabilité q. On supposera que 0 < p, q < 1. 1. Montrer que la suite (X n ) n N est une chaîne de Markov homogène à 6 états. Montrer que P(X n+1 = k + 1 X n = k) = q(1 p), 0 k 4 (10) P(X n+1 = k 1 X n = k) = p(1 q), 1 k 5 (11) Calculer les autres probabilités de transition non-nulles et écrire la matrice de transition Q complète. 2. Décrire les classes d états. La chaîne est-elle irréductible? 3. Décrire la ou les mesures invariantes pour p = q = 1/2. 4. Quel est le temps de retour moyen d une file vide à une file vide? Corrigé 5. 1. Pour que la taille de la file augmente de 1, il faut que le guichet ne traite personne et qu une personne supplémentaire arrive : cela ne peut se produire que si la taille est entre 0 et 4. Les arrivées et les départs étant indépendants, les probabilités se factorisent et on a : P(X n+1 = k + 1 X n = k) = P(1 départ à la minute n)p(0 traitement à la minute n) = q(1 p), 0 k 4 De la même manière, la taille décroît de 1 ssi personne n arrive et le guichet prend un client (si la file est non-vide). On a de la même manière : P(X n+1 = k 1 X n = k) = p(1 q), 1 k 5 (12) La taille ne peut pas varier de plus de 1 unité à chaque pas de temps. Donc il faut calculer les probabilités : P(X n+1 = 1 X n = 0) = P(1 arrivée) = q P(X n+1 = 4 X n = 5) = P(1 traitement) = p P(X n+1 = 5 X n = 5) = 1 p P(X n+1 = 0 X n = 0) = 1 q (probabilités totales) (idem) P(X n+1 = 5 X n = 5) = 1 p q + 2pq (idem) On a ainsi (dans la base indexée par 012345) la matrice de transition : 1 q q 0 0 0 0 p(1 q) 1 p q + 2pq q(1 p) 0 0 0 P = 0 p(1 q) 1 p q + 2pq q(1 p) 0 0 0 0 p(1 q) 1 p q + 2pq q(1 p) 0 0 0 0 p(1 q) 1 p q + 2pq q(1 p) 0 0 0 0 p 1 p (13) 2. Il y a une unique classe d états car incréments successifs de ±1, on peut passer de n importe quel état à n importe quel autre. La chaîne de Markov est donc irréductible et il y a une unique classe récurrente. 3. Pour p = q = 1/2, la matrice de transition devient : 1/2 1/2 0 0 0 0 1/4 1/2 1/4 0 0 0 P = 0 1/4 1/2 1/4 0 0 0 0 1/4 1/2 1/4 0 0 0 0 1/4 1/2 1/4 0 0 0 0 1/2 1/2 (14) 4

Il faut à présent résoudre µp = µ avec 5 i=0 µ i = 1. On obtient ainsi que µ = ( ) 1 2 2 2 2 1 10 10 10 10 10 10 est l unique mesure invariante. 4. Soit T 0 = inf{n > 0; X n = 0} le temps de retour à une file vide. Pour une chaîne de Markov à nombre fini d états et irréductible, on a le théorème suivant : (15) E(T i X 0 = i) = 1 µ i Pour i = 0, on obtient ainsi le temps moyen de retour à une file vide en partant d une file vide : E(T 0 X 0 = 0) = 10 (16) Exercice 6 (L ascenseur de 22h43 (1ère partie), HFT). Un immeuble de 6 étages (un rez-de-chaussée et 5 étages stricts) est équipé d un ascenseur au fonctionnement étrange : il n est jamais appelé pour aller d un étage à un autre mais seulement du rez-de-chaussée aux étages et réciproquement. Les statistiques d utilisation de l ascenseur montre, qu à chaque pas de temps que : quand il est au rez-de-chaussée, il ne bouge pas avec probabilité 1/6 et est appelé à tout autre étage avec probabilité 1/6. quand il est à l étage i, il ne bouge pas avec une probabilité 1/3 et redescend au rez-de-chaussée avec une probabilité 2/3. 1. Montrer que le suite (X n ) n N qui donne l étage où se situe l ascenseur est une chaîne de Markov dont l espace d état est {0, 1, 2, 3, 4, 5}. Donner sa matrice de transition. 2. Décrire les classes d état. La chaîne est-elle irréductible? Décrire la ou les mesures invariantes. 3. Si l ascenseur est au rez-de-chaussée, donner le temps moyen de retour au rez-de-chaussée : 4. On définit la v.a. T = inf{n > 0; X n = 0} (17) R n = 1 n n 1 0 X k (18) k=0 Que compte R n? Quelle est la limite de R n lorsque n? 5. On définit la v.a. Y n = 1 n n X k (19) qui mesure la hauteur moyenne de l ascenseur après n minutes. Quelle est la limite de Y n lorsque n est grand? Corrigé 6. 1. La position de l ascenseur au temps n + 1 ne dépend que de la position au temps n et d un éventuel appel au temps n + 1, et est donc indépendante des autres positions précédentes. La suite (X n ) n N à valeurs dans les numéros des étages est donc une chaîne de Markov homogène. Sa matrice de transition est donnée par : 1/6 1/6 1/6 1/6 1/6 1/6 2/3 1/3 0 0 0 0 P = 2/3 0 1/3 0 0 0 2/3 0 0 1/3 0 0 (20) 2/3 0 0 0 1/3 0 2/3 0 0 0 0 1/3 2. Il y a une unique classe d état car il est possible d aller de tout étage à tout autre étage en passant par le rez-de-chaussée. La chaîne est donc irréductible et l unique mesure invariante µ satisfait l équation µp = µ et est donc donnée par : µ = ( 4/9 1/9 1/9 1/9 1/9 1/9 ) (21) 3. La chaîne est irréductible et le nombre d états est fini. Le théorème du cours donne alors : k=0 E(T X 0 = 0) = 1 µ 0 = 9 4 (22) L ascenseur est à nouveau au rez-de-chaussée en moyenne au bout de 2, 25 pas de temps. 5

4. La variable R n compte la fraction du temps total passé au rez-de-chaussée après n pas (i.e. le nombre de pas de temps où l ascenseur est au rez-de-chaussée normalisé par n). Le théorème ergodique pour cette chaîne irréductible donne donc : p.s. µ 0 = 4/9 (23) R n 5. Y n est de la forme (1/n) k f(x k) avec f : x x. Le théorème ergodique donne également la convergence presque sûre suivante : p.s. µ, f (24) où µ, f désigne l intégrale de f contre µ. On a ici : Y n Y n p.s. 4 9 0 + 1 9 (1 + 2 + 3 + 4 + 5) = 5 3 (25) En moyenne l ascenseur est à l étage 1, 6667! 6