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Petit lemme en probabilité

Posté par
H_aldnoer
05-06-08 à 20:27

Bonsoir,

quelqu'un peut-il m'aider dans la démonstration de ce lemme :

Soit \Large{(X,Y)} un couple aléatoire de \Large{\mathbb{R}^2}.
Alors \Large{(X,Y)} suit la loi normale \Large{\mathcal{N}(0,I_2)} si et seulement si \Large{X=rcos(a)} et \Large{Y=rcos(a)}\Large{r} et \Large{a} sont deux variables aléatoires indépendantes avec \Large{r^2\sim \mathcal{E}(\frac{1}{2})} et \Large{a\sim \mathcal{U}([0,2\pi])}.

Je ne vois comment débuter.
D'avance merci!

Posté par
robby3
re : Petit lemme en probabilité 05-06-08 à 22:14

Bonsoir!
t'es arrivé à faire un sens déjà??

X et Y indépendante ou on sait rien?

Posté par
H_aldnoer
re : Petit lemme en probabilité 05-06-08 à 22:17

Non je n'arrive à rien!
J'ai donné l'énoncé tel quel, donc à priori X et Y non indépendants!

Posté par
Alex715
re : Petit lemme en probabilité 05-06-08 à 22:21

(X,Y) est un vecteur gaussien de matrice de variances-covariances diagonale donc X et Y sont indépendants.

Posté par
robby3
re : Petit lemme en probabilité 05-06-08 à 22:23

pour =>

Soit \phi une fonction R_+ X [0,2\pi[ dans R, mesurable et positive,on a:
5$ E(\phi(r,a))=\Bigint_{R^2} \phi(r(x,y),a(x,y))\frac{1}{2\pi}exp(-\frac{x^2+y^2}{2}) dx dy
 \\ =\Bigint_{R_+ X [0,2\pi[} \phi(r,a)\frac{1}{2\pi}exp(-r\frac{r^2}{2})r dr da

donc (r,a) admet une densité qui vaut:
5$ r.exp(-\frac{r^2}{2}).\scr{1}_{R^+}(r).\frac{1}{2\pi} \scr{1}_{[0,2\pi[}(a)
sauf erreur.

Posté par
robby3
re : Petit lemme en probabilité 05-06-08 à 22:24

oui Alex..ma question était bete.

Posté par
H_aldnoer
re : Petit lemme en probabilité 05-06-08 à 22:26

J'ai pas tout compris!
robby dans ton dernier post, ou tu montre que \Large{X=rcos(a)} et \Large{Y=rcos(a)} ?

Posté par
robby3
re : Petit lemme en probabilité 05-06-08 à 22:33

ah oué!!
en fait je suis parti de X et Y suivant le loi normale N(0,1) et X=rcos(a),Y=rsin(a)

Posté par
H_aldnoer
re : Petit lemme en probabilité 05-06-08 à 22:38

En fait, j'ai rien compris à ce que tu as fait!
Mais quand on dit que \Large{(X,Y)} suit la loi normale \Large{\mathcal{N}(0,I_2)}, quel est la densité de probabilité du couple \Large{(X,Y)} ?

Posté par
robby3
re : Petit lemme en probabilité 05-06-08 à 22:41

bah c'est\frac{1}{2\pi}exp(-\frac{x^2+y^2}{2}
non?
(ça fait longtemps pour moi )

Posté par
robby3
re : Petit lemme en probabilité 05-06-08 à 22:43

moi dans mon calcul à l'ouest,je montre que si X et Y suivent la loi normale centrée réduite et que X=rcos(a) et Y=rsin(a) alors r et a suivent les lois que tu énonces plus haut...

Posté par
H_aldnoer
re : Petit lemme en probabilité 05-06-08 à 22:46

Donc c'est bien ça!
Lorsque dans le cours, il dit que si \Large{Z} est un vecteur gaussien de loi \Large{\mathcal{N}_n(0,Id_n)}, sa densité de probabilité est \Large{f_Z(z)=\frac{1}{(2\pi)^{\frac{n}{2}}}exp(-\frac{1}{2}||z||^2)}

Posté par
H_aldnoer
re : Petit lemme en probabilité 05-06-08 à 22:48

Ok, Ok.
Bref, ça nous avance pas!

Erratum, dans l'énoncé au début c'est un sinus : \Large{Y=rsin(a)}

Posté par
robby3
re : Petit lemme en probabilité 05-06-08 à 22:54

oui oui toutafé!

Posté par
stokastik
re : Petit lemme en probabilité 06-06-08 à 10:18

À savoir:

Cas unidimensionnel:

Si X a pour densité f(x) et si X=H(Y) où H une fonction injective dérivable, alors la densité de Y est

5$g(y)=f\big(H(y)\big)|H'(y)|

Cela se démontre facilement en passant par les fonctions de répartions et en dérivant (la valeur absolue unifie les 2 cas "H croissante" et "H décroissante").


Cas multidimensionnel:

Si le couple (X,Y) a pour densité f(x,y) et si (X,Y)=H(U,V) où H est une fonction injective différentiable, alors la densité de (U,V) est

5$g(u,v)=f\big(H(u,v)\big)|J_H(u,v)|

J_H est le jacobien.

Posté par
H_aldnoer
re : Petit lemme en probabilité 06-06-08 à 14:51

Désolé stokastik, je ne vois pas trop le lien. Peut-tu expliciter?

Posté par
stokastik
re : Petit lemme en probabilité 06-06-08 à 15:21

Dans ton cas, avec 3$U=r et 3$V=a, tu cherches à déterminer la loi du couple 3$(U,V). Il suffit d'appliquer ma formule en remarquant qu'on a 3$(X,Y)=H(U,V)3$H est la fonction 3$H(u,v)=\left(u \cos(v), u\sin(v)\right).

Posté par
H_aldnoer
re : Petit lemme en probabilité 06-06-08 à 18:00

Je n'ai pas cette formule dans mon cours.
Par contre j'ai celle-ci qui semble s'en rapprocher :
Soit \Large{U,V} deux ouverts de \Large{\mathbb{R}^n}, \Large{X} un vecteur aléatoire à valeurs dans \Large{U} et soit \Large{h} une fonction mesurable définie sur \Large{U} à valeurs dans \Large{V}.
On pose \Large{Y=h(X)} et on veut calculer \Large{f_Y} en fonction de \Large{h} et \Large{f_X}.
On suppose que \Large{h} est un difféomorphisme de \Large{U} dans \Large{V} et que son Jacobien \Large{J_h} ne s'annule pas sur \Large{U}.

Alors \Large{\forall y\in V,\, f_Y(y)=f_X(h^{-1}(y))|J_h(h^{-1}(y))|^{-1}.

Peut-on l'utiliser ?

Posté par
robby3
re : Petit lemme en probabilité 06-06-08 à 18:27

Bonjour Stokastik:
tu dis ceci:

Citation :
tu cherches à déterminer la loi du couple (U,V)


est-ce que c'est ce que j'ai fais à 22:23?

Posté par
robby3
re : Petit lemme en probabilité 07-06-08 à 01:32

parce que dans ce que je fais,je donne bien la loi de a et de r...

Posté par
stokastik
re : Petit lemme en probabilité 07-06-08 à 07:43

@H_aldnoer:

La formule que tu donnes est exactement la même que la mienne


@robby3:

Oui en effet c'est ce que tu as fait, c'est avec ta démarche qu'on voit d'où sort cette formule

Posté par
H_aldnoer
re : Petit lemme en probabilité 07-06-08 à 12:19

Bonjour stokastik,

je préfère utiliser les notations de mon cours si tu veux bien.
On prend donc la fonction \Large{h} définie par \Large{h(u,v)=(ucos(v),usin(v))}.
Il faut que celle-ci soit mesurable, quel sont donc les espaces de départ et d'arrivée ?

Ensuite, j'applique la formule :
\Large{f_{(X,Y)}(x,y)=f_{(r,a)}(h^{-1}(x,y))|J_h(h^{-1}(y))|^{-1}}.


C'est bien cela?

Posté par
H_aldnoer
re : Petit lemme en probabilité 07-06-08 à 12:56

Il reste donc à trouver le jacobien de la transformation ainsi que l'application inverse ?

Posté par
stokastik
re : Petit lemme en probabilité 07-06-08 à 13:18

robby3 a déjà fait tout ce qu'il faut (posté le 05/06/2008 à 22:23)

Posté par
H_aldnoer
re : Petit lemme en probabilité 07-06-08 à 22:19

J'ai vu avec robby, mais j'ai pas vraiment compris la méthode adoptée.
Nous faisons un calcul d'espérance pour montrer que \Large{r^2\sim%20\mathcal{E}(\frac{1}{2})} et \Large{a\sim%20\mathcal{U}([0,2\pi])} ?

Je n'arrive pas à faire le lien.

Posté par
stokastik
re : Petit lemme en probabilité 08-06-08 à 08:11

Définition de la densité:

La fonction  (u,v) \mapsto g(u,v) est la densité du couple (U,V) si et seulement si pour toute fonction 'raisonnable' \phi, on a

3$\mathbb{E}\big[\phi(U,V)\big]=\int\int\phi(u,v)g(u,v)dudv.

Normal que tu ne sais pas comment aborder un exo si tu ne t'interroges même pas sur les défnitions des objets en jeu.

Posté par
H_aldnoer
re : Petit lemme en probabilité 08-06-08 à 23:08

Bonsoir stokastik, en cherchant bien dans mon cours, je viens de voir ceci sous une autre forme \Large{\mathbb{E}[h(X)]=\Bigint_{\mathbb{R}}h(x)f_X(x)dx. Cela figure dans un chapitre nommé transformation, mais ce n'est pas la définition que nous avions pour la densité.

Bref, je comprends mieux mais j'ai beaucoup de mal sur la rédaction.
Si l'on raisonne par équivalence :

On se donne la fonction mesurable \Large{h : (x,y)\in [0,+\infty[\times [0,2\pi[\to (xcos(y),xsin(y)). Il faut, me semble-t-il, qu'elle soit un difféomorphisme intégrable. Ce qui est le cas.

J'ai bien compris que l'intérêt réside dans le fait que \Large{\mathbb{E}[h(r,a)]=\mathbb{E}[(X,Y)].

Je ne vois pas comment poursuivre.
Je raisonne par équivalence en partant de quoi ?
De \Large{(X,Y)\sim \mathcal{N}(0,I_2) ?

Posté par
robby3
re : Petit lemme en probabilité 08-06-08 à 23:37

Re,
dans ta premiere formule de latex, tu vois que h est mesurable positive...et ici le f_X ça va etre la densité de X et de Y...qui suivent la loi normale centré réduite.
donc pour moi on part  bien de ce que tu écris.

Posté par
H_aldnoer
re : Petit lemme en probabilité 08-06-08 à 23:42

Donc on part de \Large{\mathbb{E}[h(X,Y)]=\Bigint\Bigint_{\mathbb{R}^2}h(x,y)f_{(X,Y)}(x,y)dxdy ?

Posté par
robby3
re : Petit lemme en probabilité 08-06-08 à 23:47

oui.

Posté par
H_aldnoer
re : Petit lemme en probabilité 08-06-08 à 23:49

Et on a bien que \Large{f_{(X,Y)}(x,y)=\frac{1}{2\pi} exp(-\frac{1}{2}(x^2+y^2))} ?

Posté par
robby3
re : Petit lemme en probabilité 08-06-08 à 23:49

oui.

Posté par
H_aldnoer
re : Petit lemme en probabilité 08-06-08 à 23:52

On fait ensuite le changement de variable \Large{x=rcos(a)}, \Large{y=rsin(a)} ?

Posté par
robby3
re : Petit lemme en probabilité 08-06-08 à 23:54

oui.

Posté par
H_aldnoer
re : Petit lemme en probabilité 09-06-08 à 00:05

Ok!
Alors j'obtiens \Large{\Bigint\Bigint_{[0,+\infty[\times [0,2\pi[}h(rcos(a),rsin(a))\frac{1}{2\pi}exp(-\frac{r^2}{2})rdrda

Je vois pas comment me dépatouiller de ce \Large{h(rcos(a),rsin(a))} !

Posté par
robby3
re : Petit lemme en probabilité 09-06-08 à 00:10

non mais là en fait c'est fini non?
tu as exactement t'as formule de départ(23:42)
tu peux conclure me semble t-il.

Posté par
H_aldnoer
re : Petit lemme en probabilité 09-06-08 à 00:24

Si je comprends bien :

\Large{\mathbb{E}[(r,a)]=\mathbb{E}[h(X,Y)]=\Bigint\Bigint_{\mathbb{R}^2}h(x,y)f_{(X,Y)}(x,y)dxdy=\Bigint\Bigint_{\mathbb{R}^2}h(rcos(a),rsin(a))\frac{1}{2\pi}exp(-\frac{r^2}{2})r\mathbb{1}_{[0,+\infty[}(r)\mathbb{1}_{[0,2\pi[}(a)drda

Donc tout ceci \Large{\frac{1}{2\pi}exp(-\frac{r^2}{2})r\mathbb{1}_{[0,+\infty[}(r)\mathbb{1}_{[0,2\pi[}(a)} c'est la densité de \Large{(r,a)} ?

(HS : j'ai vu Bertrand Cantat à la station !)

Posté par
robby3
re : Petit lemme en probabilité 09-06-08 à 00:29

voilà!!!

(Non!!!:o t'as demandé un autographe ou quoi?
au fait ce matin,j'ai vu le mec à marion pour de vrai mais il s'est pas arrété )

Posté par
H_aldnoer
re : Petit lemme en probabilité 09-06-08 à 00:29

En fait non ça na vas pas car on a \Large{h(r,a)=(X,Y)} !

Posté par
robby3
re : Petit lemme en probabilité 09-06-08 à 00:32

euhh je comprend pas ce que tu veux dire!

Posté par
H_aldnoer
re : Petit lemme en probabilité 09-06-08 à 00:33

Si je t'assure, il voulait payer en chèque le petit Cantat! Je lui ai dit non non, on prend pas les chèques! Il me sort vous inquiétez pas on va s'arranger! Il est partit chercher dans sa voiture un stock de pièce y'en avait pour plus de 15 euros en petite monnaie!
Je l'avais même pas reconnu, c'est une cliente qui me fait "Eh mais c'est Bertrand Cantat!" et effectivement j'ai regardé de plus près, c'était lui! Sa famille habite gradignan en fait!

Et pour Marion, elle est passée cette aprem'! Elle m'a redonnée la plaque, envoie lui un texto pour lui dire qu'il est passé son mari ^^

Posté par
robby3
re : Petit lemme en probabilité 09-06-08 à 00:35


(bon bon,on reparle de ça demain!!
là ça va dormir!!...j'ai pas fait de sieste!)
tu me tiens au courant pour demain!

Posté par
H_aldnoer
re : Petit lemme en probabilité 09-06-08 à 00:43

Si j'ai bien compris :
On a une variable aléatoire \Large{X} dont on connait la densité \Large{f_X}. On se donne une fonction \Large{h avec certaines propriétés et on veut déterminer la densité de la variable aléatoire \Large{Y=h(X)}.
On a la formule suivante \Large{\mathbb{E}[h(X)]=\Bigint_{\mathbb{R}}h(x)f_X(x)dx.

Ici, si l'on part de \Large{(X,Y)\sim\mathcal{N}(0,I_2)} c'est que l'on cherche la densité de \Large{(r,a)} non ?

Donc, si je ne me trompe pas, il faut écrire une transformation du type \Large{(r,a)=h(X,Y)} non ?

Posté par
robby3
re : Petit lemme en probabilité 09-06-08 à 00:43

(bonuit!! A demain!)

Posté par
H_aldnoer
re : Petit lemme en probabilité 09-06-08 à 00:44

Ok!
A demain, vers 15h je pense!
Je t'envoi un texto, j'ai plus beaucoup de forfait!

Posté par
robby3
re : Petit lemme en probabilité 09-06-08 à 00:44

oui mais en fait c'est ce que je fais dans mon tout premier post...je considere r et a comme des fonctions de petit x et petit y...
tu vois?

Posté par
H_aldnoer
re : Petit lemme en probabilité 09-06-08 à 00:49

Pourtant stokastik fait pareil! le 06/06/2008 à 15:21
Il écrit bien la transformation \Large{h(r,a)=(X,Y)}\Large{h%20:%20(x,y)\in%20[0,+\infty[\times%20[0,2\pi[\to%20(xcos(y),xsin(y)), j'y comprends plus rien!

Posté par
robby3
re : Petit lemme en probabilité 09-06-08 à 00:55

bon je regarde demain...(le pc rame )
mais là c'est h(r,a)=(rcos(a),rsin(a))...et rcos(a)=X,rsin(a)=Y,c'est tout,je vois pas bien ou y'a un soucis...
j'y go.++

Posté par
H_aldnoer
re : Petit lemme en probabilité 09-06-08 à 01:01

On a \Large{h(r,a)=(X,Y)}.
Si l'on veut utiliser la formule, on calul \Large{\mathbb{E}[h(r,a)] non ?
Je ne vois pas pourquoi on calcul \Large{\mathbb{E}[h(X,Y)] en fait !

Posté par
stokastik
re : Petit lemme en probabilité 09-06-08 à 07:52

Aïe aïe aïe ça s'embourbe là. On s'en fout de E[h(X,Y)]... relis mon post posté le 08/06/2008 à 08:11, j'ai écrit: "pour toute fonction \phi, on a ...."

robby3 posté le 05/06/2008 à 22:23, en appliquant la définitin de stokastik posté le 08/06/2008 à 08:11, a montré que la fonction

5$g(r,a)= r.exp(-\frac{r^2}{2}).\scr{1}_{R^+}(r).\frac{1}{2\pi} \scr{1}_{[0,2\pi[}(a)

est la densité du couple (R,A) (je me permets de mettre les variables aléatoires en majuscules car c'est bien plus clair ainsi).

Ceci montre que R et A sont indépendantes et que \Large{A\sim \mathcal{U}([0,2\pi])} \Large{R^2\sim%20\mathcal{E}(\frac{1}{2})} (en fait il aurait mieux fallu calculer directement la densité du couple (R^2,A)).

Ensuite il n'y a pas besoin de faire des calculs pour la réciproque puisque la fonction h est inversible.

Je suppose que ce Bertrand Cantat c'est pas le même que celui qui est célèbre ?

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