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QSP Appli

Exercices sans préparations tombés à HEC depuis 2007 en voie ECE et Maths Appliquées. J’ai également ajouté des questions originales sur les nouveaux thèmes (SQL, Chaînes de Markov, Graphes, Equa Diff). Chaque exercice a ses indications et son corrigé.

Thèmes

171 exercices

HEC 2007

HEC Exercice 1 [DIS]

Voie E · Sans numéro – loi binomiale

Soient X,YX,Y deux variables aléatoires binomiales de paramètres (n,1/2)(n,1/2) indépendantes. Calculer P(X=Y)\mathbb{P}(X=Y).

Corrigé

Loi de n−Yn-Y. La variable n−Yn-Y prend ses valeurs dans ⟦0,n⟧\llbracket0,n\rrbracket et, pour k∈⟦0,n⟧k\in\llbracket0,n\rrbracket,

P(n−Y=k)=P(Y=n−k)=(nn−k)12n=(nk)12n.\mathbb{P}(n-Y=k)=\mathbb{P}(Y=n-k)=\binom{n}{n-k}\frac{1}{2^{n}}=\binom{n}{k}\frac{1}{2^{n}}.

Donc n−Yn-Y suit la loi B(n,1/2)\mathcal{B}(n,1/2).

Somme. Les variables XX et n−Yn-Y sont indépendantes (lemme des coalitions) et de lois B(n,1/2)\mathcal{B}(n,1/2), donc S=X+(n−Y)S=X+(n-Y) suit la loi B(2n,1/2)\mathcal{B}(2n,1/2). Comme [X=Y]=[S=n][X=Y]=[S=n] :

P(X=Y)=P(S=n)=(2nn)122n.\mathbb{P}(X=Y)=\mathbb{P}(S=n)=\binom{2n}{n}\frac{1}{2^{2n}}.

On peut aussi écrire P(X=Y)=∑k=0nP(X=k)P(Y=k)=14n∑k=0n(nk)2\mathbb{P}(X=Y)=\sum_{k=0}^{n}\mathbb{P}(X=k)\mathbb{P}(Y=k)=\frac{1}{4^{n}}\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}^{2}, ce qui donne au passage ∑k=0n(nk)2=(2nn)\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}^{2}=\binom{2n}{n}.

P(X=Y)=14n(2nn)\boxed{\mathbb{P}(X=Y)=\frac{1}{4^{n}}\binom{2n}{n}}

HEC Exercice 2 [RED]

Voie E · Sans numéro – matrice

On considère l'endomorphisme ff de R4\mathbb{R}^4 dont la matrice dans la base canonique est

M=(−1−1−11−1−11−1−11−1−11−1−1−1).M=\begin{pmatrix}-1&-1&-1&1\\-1&-1&1&-1\\-1&1&-1&-1\\1&-1&-1&-1\end{pmatrix}.
  1. Montrer que ff est diagonalisable.
  2. On admet que les valeurs propres de MM sont 22 et −2-2. Calculer MnM^n pour tout n∈Nn\in\mathbb{N}.
Corrigé
  1. La matrice MM est symétrique réelle, donc diagonalisable. L'endomorphisme ff, dont MM est la matrice dans la base canonique, est donc diagonalisable.
  2. Comme MM est symétrique, le coefficient (i,j)(i,j) de M2=M tMM^{2}=M\,{}^tM s'obtient en multipliant terme à terme la ligne ii et la ligne jj de MM puis en sommant. Chaque ligne a quatre coefficients égaux à ±1\pm1 : le coefficient diagonal vaut 44. Pour deux lignes distinctes, deux produits valent 11 et deux valent −1-1 ; par exemple pour les lignes 11 et 22 : 1+1−1−1=01+1-1-1=0. On obtient M2=4I4.M^{2}=4I_{4}.

    Par récurrence, pour tout p∈Np\in\mathbb{N}, M2p=4pI4M^{2p}=4^{p}I_{4} et M2p+1=4pMM^{2p+1}=4^{p}M.

Mn=2nI4 si n est pair,Mn=2n−1M si n est impair.\boxed{M^{n}=2^{n}I_{4}\ \text{si } n \text{ est pair},\qquad M^{n}=2^{n-1}M\ \text{si } n \text{ est impair.}}

Ce résultat est cohérent avec les valeurs propres admises : si MX=λXMX=\lambda X avec X≠0X\neq0, alors M2X=λ2X=4XM^{2}X=\lambda^{2}X=4X, donc λ∈{−2,2}\lambda\in\{-2,2\}.

HEC Exercice 3 [FNV]

Voie E · Sans numéro – rendement

Un agriculteur veut améliorer son rendement en utilisant de l'engrais. Le rendement en tonnes par hectare est f(B,N)=120B−8B2+4BN−2N2f(B,N)=120B-8B^2+4BN-2N^2, où BB est la quantité de semences et NN la quantité d'engrais.

  1. Déterminer les extrema de ff et leur nature.
  2. Si une contrainte de budget impose B+2N=23B+2N=23, déterminer l'optimum de rendement.
Corrigé
  1. La fonction ff est polynomiale, donc de classe C2\mathcal{C}^{2} sur l'ouvert R2\mathbb{R}^{2}, avec ∂1f(B,N)=120−16B+4N,∂2f(B,N)=4B−4N.\partial_{1}f(B,N)=120-16B+4N,\qquad \partial_{2}f(B,N)=4B-4N.

    Point critique. ∂2f=0\partial_{2}f=0 donne B=NB=N, puis ∂1f=0\partial_{1}f=0 donne 120−12B=0120-12B=0. L'unique point critique est (10,10)(10,10), et f(10,10)=1200−800+400−200=600f(10,10)=1200-800+400-200=600.

    Hessienne. ∂1,12f=−16\partial^{2}_{1,1}f=-16, ∂1,22f=∂2,12f=4\partial^{2}_{1,2}f=\partial^{2}_{2,1}f=4, ∂2,22f=−4\partial^{2}_{2,2}f=-4, donc

    H=(−1644−4).H=\begin{pmatrix}-16&4\\4&-4\end{pmatrix}.

    Le réel λ\lambda est valeur propre de HH si et seulement si le système (−16−λ)x+4y=0(-16-\lambda)x+4y=0, 4x+(−4−λ)y=04x+(-4-\lambda)y=0 a une solution non nulle. Si y=0y=0, la seconde équation donne x=0x=0 ; on peut donc supposer y≠0y\neq0. La seconde équation donne x=(4+λ)y4x=\frac{(4+\lambda)y}{4} et la première devient −(16+λ)(4+λ)+16=0-(16+\lambda)(4+\lambda)+16=0, soit

    λ2+20λ+48=0,λ=−10±213.\lambda^{2}+20\lambda+48=0,\qquad \lambda=-10\pm2\sqrt{13}.

    Comme 213<102\sqrt{13}<10, les deux valeurs propres sont strictement négatives : ff admet un maximum local en (10,10)(10,10).

    C'est un maximum global. Pour (h,k)∈R2(h,k)\in\mathbb{R}^{2}, un calcul direct donne

    f(10+h,10+k)−600=−8h2+4hk−2k2=−2(k−h)2−6h2≤0.f(10+h,10+k)-600=-8h^{2}+4hk-2k^{2}=-2(k-h)^{2}-6h^{2}\le0.
  2. Avec B=23−2NB=23-2N, on pose g(N)=f(23−2N,N)g(N)=f(23-2N,N). En développant, g(N)=−42N2+588N−1472,g′(N)=588−84N.g(N)=-42N^{2}+588N-1472,\qquad g'(N)=588-84N.

    La fonction gg croît sur ]−∞,7]]-\infty,7] puis décroît : elle est maximale en N=7N=7, d'où B=9B=9, avec g(7)=f(9,7)=1080−648+252−98=586g(7)=f(9,7)=1080-648+252-98=586.

Maximum global f(10,10)=600; sous la contrainte B+2N=23, optimum f(9,7)=586.\boxed{\text{Maximum global } f(10,10)=600 ;\ \text{sous la contrainte } B+2N=23,\ \text{optimum } f(9,7)=586.}

HEC Exercice 4 [DIS]

Voie E · Sans numéro – événements

Soient A,B,CA,B,C des événements de même probabilité pp tels que P(A∩B∩C)=0\mathbb{P}(A\cap B\cap C)=0.

  1. Prouver p≤2/3p\leq2/3.
  2. pp peut-il valoir 2/32/3 ?
  3. Si A,B,CA,B,C sont en outre indépendants deux à deux, prouver p≤1/2p\leq1/2.
  4. pp peut-il valoir 1/21/2 ?
Corrigé
  1. On note s=P(A∩B)+P(A∩C)+P(B∩C)s=\mathbb{P}(A\cap B)+\mathbb{P}(A\cap C)+\mathbb{P}(B\cap C). Comme P(A∩B∩C)=0\mathbb{P}(A\cap B\cap C)=0, la formule du crible donne P(A∪B∪C)=3p−s.\mathbb{P}(A\cup B\cup C)=3p-s.

    Les événements A∩BA\cap B, A∩CA\cap C, B∩CB\cap C ont deux à deux pour intersection A∩B∩CA\cap B\cap C, de probabilité nulle ; la formule du crible appliquée à ces trois événements donne P(D)=s\mathbb{P}(D)=s, avec D=(A∩B)∪(A∩C)∪(B∩C)D=(A\cap B)\cup(A\cap C)\cup(B\cap C). Ainsi

    3p=P(A∪B∪C)+P(D)≤1+1=2,donc p≤23.3p=\mathbb{P}(A\cup B\cup C)+\mathbb{P}(D)\le1+1=2,\qquad\text{donc } p\le\frac23.
  2. Oui : sur Ω={1,2,3}\Omega=\{1,2,3\} muni de la probabilité uniforme, les événements A={1,2}A=\{1,2\}, B={2,3}B=\{2,3\}, C={1,3}C=\{1,3\} ont pour probabilité 23\frac23 et A∩B∩C=∅A\cap B\cap C=\emptyset.
  3. On a P(A∩B)=P(A∩C)=p2\mathbb{P}(A\cap B)=\mathbb{P}(A\cap C)=p^{2} et P(A∩B∩C)=0\mathbb{P}(A\cap B\cap C)=0, d'où P(A∩(B∪C))=P((A∩B)∪(A∩C))=p2+p2−0=2p2.\mathbb{P}\big(A\cap(B\cup C)\big)=\mathbb{P}\big((A\cap B)\cup(A\cap C)\big)=p^{2}+p^{2}-0=2p^{2}.

    Or A∩(B∪C)⊂AA\cap(B\cup C)\subset A, donc 2p2≤p2p^{2}\le p. Si p>0p>0, on obtient p≤12p\le\frac12, ce qui reste vrai si p=0p=0.

  4. Oui : sur Ω={1,2,3,4}\Omega=\{1,2,3,4\} muni de la probabilité uniforme, on prend A={1,2}A=\{1,2\}, B={1,3}B=\{1,3\}, C={2,3}C=\{2,3\}. Chacun a pour probabilité 12\frac12, chaque intersection de deux d'entre eux est un singleton, de probabilité 14=12×12\frac14=\frac12\times\frac12, et A∩B∩C=∅A\cap B\cap C=\emptyset.

HEC 2008

HEC Exercice 5 [SS]

Voie E · Sujet 13

Étudier la limite éventuelle de la suite u0∈]0,1[u_0\in]0,1[, un+1=1+unn+1u_{n+1}=1+\dfrac{u_n}{n+1} pour tout n∈Nn\in\mathbb{N}. Déterminer a,b∈Ra,b\in\mathbb{R} tels que

un=1+an+bn2+1n2ε ⁣(1n),lim⁡n→+∞ε ⁣(1n)=0.u_n=1+\frac an+\frac b{n^2}+\frac1{n^2}\varepsilon\!\left(\frac1n\right),\qquad\lim_{n\to+\infty}\varepsilon\!\left(\frac1n\right)=0.
Corrigé

Encadrement. On a u1=1+u0∈ ]1,2[u_{1}=1+u_{0}\in\,]1,2[. Si 1≤un≤21\le u_{n}\le2 pour un n≥1n\geq1, alors un+1=1+unn+1∈[1,1+22]=[1,2]u_{n+1}=1+\frac{u_{n}}{n+1}\in\left[1,1+\frac{2}{2}\right]=[1,2]. Donc 1≤un≤21\le u_{n}\le2 pour tout n≥1n\geq1.

Limite. Pour n≥1n\geq1, 0≤un+1−1=unn+1≤2n+10\le u_{n+1}-1=\frac{u_{n}}{n+1}\le\frac{2}{n+1}. Par encadrement, (un)(u_{n}) converge vers 11.

Coefficient aa. Pour n≥1n\geq1, un=1+un−1nu_{n}=1+\frac{u_{n-1}}{n}. Pour n≥2n\geq2, en remplaçant un−1=1+un−2n−1u_{n-1}=1+\frac{u_{n-2}}{n-1} :

un=1+1n+un−2n(n−1).u_{n}=1+\frac1n+\frac{u_{n-2}}{n(n-1)}.

Coefficient bb. On pose, pour n≥2n\geq2, ε ⁣(1n)=n un−2n−1−1\varepsilon\!\left(\frac1n\right)=\frac{n\,u_{n-2}}{n-1}-1. Alors

un=1+1n+1n2+1n2ε ⁣(1n),u_{n}=1+\frac1n+\frac1{n^{2}}+\frac1{n^{2}}\varepsilon\!\left(\frac1n\right),

et ε ⁣(1n)→1×1−1=0\varepsilon\!\left(\frac1n\right)\to1\times1-1=0 puisque un−2→1u_{n-2}\to1 et nn−1→1\frac{n}{n-1}\to1.

Unicité. Si (a′,b′)(a',b') convient aussi, la différence des deux écritures multipliée par nn donne (a−a′)+b−b′n+1n(ε−ε′)=0(a-a')+\frac{b-b'}{n}+\frac1n\left(\varepsilon-\varepsilon'\right)=0, d'où a=a′a=a' en faisant tendre nn vers +∞+\infty, puis, en multipliant par nn, b=b′b=b'.

lim⁡n→+∞un=1,a=b=1\boxed{\lim_{n\to+\infty}u_{n}=1,\qquad a=b=1}

HEC Exercice 6 [FNV]

Voie E · Sujet 14

Soit f(x,y)=x3+y3−3xy+1f(x,y)=x^3+y^3-3xy+1 sur R2\mathbb{R}^2.

  1. Calculer les dérivées partielles d'ordres 11 et 22.
  2. Déterminer les points critiques.
  3. ff a-t-elle des extrema locaux ?
Corrigé
  1. La fonction ff est polynomiale, donc de classe C2\mathcal{C}^{2} sur R2\mathbb{R}^{2}, et ∂1f(x,y)=3x2−3y,∂2f(x,y)=3y2−3x,\partial_{1}f(x,y)=3x^{2}-3y,\qquad \partial_{2}f(x,y)=3y^{2}-3x, ∂1,12f(x,y)=6x,∂1,22f(x,y)=∂2,12f(x,y)=−3,∂2,22f(x,y)=6y.\partial^{2}_{1,1}f(x,y)=6x,\qquad \partial^{2}_{1,2}f(x,y)=\partial^{2}_{2,1}f(x,y)=-3,\qquad \partial^{2}_{2,2}f(x,y)=6y.
  2. Les points critiques vérifient y=x2y=x^{2} et x=y2=x4x=y^{2}=x^{4}, soit x(x3−1)=0x(x^{3}-1)=0. Comme t↦t3t\mapsto t^{3} est bijective sur R\mathbb{R}, x3=1x^{3}=1 équivaut à x=1x=1. Les points critiques sont (0,0)(0,0) et (1,1)(1,1).
  3. En (0,0)(0,0). H=(0−3−30)H=\begin{pmatrix}0&-3\\-3&0\end{pmatrix}. On vérifie que H(11)=−3(11)H\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}=-3\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix} et H(1−1)=3(1−1)H\begin{pmatrix}1\\-1\end{pmatrix}=3\begin{pmatrix}1\\-1\end{pmatrix} : les valeurs propres sont −3-3 et 33 (une matrice d'ordre 22 en a au plus deux). Elles sont de signes opposés : pas d'extremum local en (0,0)(0,0).

    En (1,1)(1,1). H=(6−3−36)H=\begin{pmatrix}6&-3\\-3&6\end{pmatrix}. De même H(11)=3(11)H\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}=3\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix} et H(1−1)=9(1−1)H\begin{pmatrix}1\\-1\end{pmatrix}=9\begin{pmatrix}1\\-1\end{pmatrix} : les valeurs propres 33 et 99 sont strictement positives, ff admet un minimum local en (1,1)(1,1), égal à f(1,1)=0f(1,1)=0.

    Ce minimum n'est pas global : f(x,0)=x3+1→−∞f(x,0)=x^{3}+1\to-\infty quand x→−∞x\to-\infty.

Seul extremum local : un minimum local en (1,1), f(1,1)=0.\boxed{\text{Seul extremum local : un minimum local en }(1,1),\ f(1,1)=0.}

HEC Exercice 7 [MAT,RED]

Voie E · Sujet 15

Soit A=(01−1−12−11−12)A=\begin{pmatrix}0&1&-1\\-1&2&-1\\1&-1&2\end{pmatrix}.

    1. Trouver une relation entre A2,A,IA^2,A,I (matrice identité).
    2. En déduire que AA est inversible et calculer son inverse.
  1. Calculer les valeurs propres possibles de AA.
  2. AA est-elle diagonalisable ?
Corrigé
    1. Le calcul donne A2=(−23−3−34−33−34).A^{2}=\begin{pmatrix}-2&3&-3\\-3&4&-3\\3&-3&4\end{pmatrix}.

      Si A2=aA+bIA^{2}=aA+bI, le coefficient (1,2)(1,2) impose a=3a=3 et le coefficient (1,1)(1,1) impose b=−2b=-2. On vérifie que les neuf coefficients conviennent :

      A2−3A+2I=0.A^{2}-3A+2I=0.
    2. On en déduit A⋅12(3I−A)=12(3A−A2)=IA\cdot\frac{1}{2}(3I-A)=\frac12(3A-A^{2})=I. Donc AA est inversible et A−1=12(3I−A)=12(3−11111−111).A^{-1}=\frac12(3I-A)=\frac12\begin{pmatrix}3&-1&1\\1&1&1\\-1&1&1\end{pmatrix}.
  1. Le polynôme X2−3X+2=(X−1)(X−2)X^{2}-3X+2=(X-1)(X-2) annule AA, donc les valeurs propres possibles de AA sont 11 et 22.
  2. A−I=(−11−1−11−11−11)A-I=\begin{pmatrix}-1&1&-1\\-1&1&-1\\1&-1&1\end{pmatrix} est de rang 11 : 11 est valeur propre et dim⁡E1(A)=2\dim E_{1}(A)=2, avec E1(A)=Vect((110),(011))E_{1}(A)=\mathrm{Vect}\left(\begin{pmatrix}1\\1\\0\end{pmatrix},\begin{pmatrix}0\\1\\1\end{pmatrix}\right).

    A−2I=(−21−1−10−11−10)A-2I=\begin{pmatrix}-2&1&-1\\-1&0&-1\\1&-1&0\end{pmatrix} : sa première ligne est la différence des deux autres, qui ne sont pas proportionnelles. Elle est de rang 22, donc 22 est valeur propre et dim⁡E2(A)=1\dim E_{2}(A)=1, avec E2(A)=Vect((11−1))E_{2}(A)=\mathrm{Vect}\left(\begin{pmatrix}1\\1\\-1\end{pmatrix}\right).

    La somme des dimensions des sous-espaces propres vaut 2+1=32+1=3 : AA est diagonalisable.

HEC Exercice 8 [DENS]

Voie E · Sujet 16

X,YX,Y sont deux variables réelles indépendantes définies sur (Ω,A,P)(\Omega,\mathcal A,\mathbb{P}) et de même loi de densité φ(x)=ke−∣x∣\varphi(x)=ke^{-|x|}.

  1. Déterminer kk.
  2. Déterminer la fonction de répartition de XX.
  3. Justifier l'existence de E(X)\mathbb{E}(X) et V(X)\mathbb{V}(X) et les calculer.
Corrigé
  1. La fonction φ\varphi est continue sur R\mathbb{R}. L'intégrale ∫0+∞e−x dx\int_{0}^{+\infty}e^{-x}\,dx converge et vaut 11 ; par le changement de variable affine x=−tx=-t, ∫−∞0ex dx\int_{-\infty}^{0}e^{x}\,dx converge aussi et vaut 11. Donc ∫−∞+∞φ=2k\int_{-\infty}^{+\infty}\varphi=2k. La fonction φ\varphi est une densité si et seulement si k≥0k\geq0 et 2k=12k=1 : k=12.k=\frac12.
  2. Pour x<0x<0 : F(x)=∫−∞xet2 dt=ex2F(x)=\int_{-\infty}^{x}\frac{e^{t}}{2}\,dt=\frac{e^{x}}{2}. Pour x≥0x\geq0 : F(x)=12+∫0xe−t2 dt=1−e−x2F(x)=\frac12+\int_{0}^{x}\frac{e^{-t}}{2}\,dt=1-\frac{e^{-x}}{2}. F(x)=ex2 si x<0,F(x)=1−e−x2 si x≥0.F(x)=\frac{e^{x}}{2}\ \text{si } x<0,\qquad F(x)=1-\frac{e^{-x}}{2}\ \text{si } x\geq0.
  3. Soit ZZ de loi E(1)\mathcal{E}(1) : ZZ admet une espérance et une variance, avec E(Z)=1\mathbb{E}(Z)=1 et E(Z2)=V(Z)+E(Z)2=2\mathbb{E}(Z^{2})=\mathbb{V}(Z)+\mathbb{E}(Z)^{2}=2. Ainsi ∫0+∞xe−x dx=1\int_{0}^{+\infty}xe^{-x}\,dx=1 et ∫0+∞x2e−x dx=2\int_{0}^{+\infty}x^{2}e^{-x}\,dx=2, ces intégrales convergeant.

    Par le changement de variable affine x=−tx=-t, ∫−∞0xex2 dx\int_{-\infty}^{0}x\frac{e^{x}}{2}\,dx converge et vaut −12-\frac12, et ∫−∞0x2ex2 dx\int_{-\infty}^{0}x^{2}\frac{e^{x}}{2}\,dx converge et vaut 11. Les intégrales ∫−∞+∞xφ(x) dx\int_{-\infty}^{+\infty}x\varphi(x)\,dx et ∫−∞+∞x2φ(x) dx\int_{-\infty}^{+\infty}x^{2}\varphi(x)\,dx convergent donc, avec

    E(X)=−12+12=0,E(X2)=1+1=2.\mathbb{E}(X)=-\frac12+\frac12=0,\qquad \mathbb{E}(X^{2})=1+1=2.

    Par la formule de Koenig-Huygens, V(X)=2−02=2\mathbb{V}(X)=2-0^{2}=2.

k=12,E(X)=0,V(X)=2\boxed{k=\tfrac12,\qquad \mathbb{E}(X)=0,\qquad \mathbb{V}(X)=2}

HEC Exercice 9 [DENS]

Voie E · Sujet 17

  1. Vérifier que F(x)=11+e−xF(x)=\dfrac1{1+e^{-x}} possède les propriétés d'une fonction de répartition.
  2. Déterminer la loi du maximum de deux variables indépendantes de même loi de fonction de répartition FF. Généraliser à nn variables.
Corrigé
  1. La fonction FF est de classe C1\mathcal{C}^{1} sur R\mathbb{R} (quotient de fonctions C1\mathcal{C}^{1} dont le dénominateur ne s'annule pas), donc continue, et F′(x)=e−x(1+e−x)2>0.F'(x)=\frac{e^{-x}}{(1+e^{-x})^{2}}>0.

    Elle est croissante. Comme e−x→+∞e^{-x}\to+\infty quand x→−∞x\to-\infty et e−x→0e^{-x}\to0 quand x→+∞x\to+\infty, lim⁡−∞F=0\lim_{-\infty}F=0 et lim⁡+∞F=1\lim_{+\infty}F=1. La fonction FF a donc les propriétés d'une fonction de répartition.

  2. Soient X,YX,Y indépendantes de fonction de répartition FF et Z=max⁡(X,Y)Z=\max(X,Y). Pour x∈Rx\in\mathbb{R}, [Z≤x]=[X≤x]∩[Y≤x][Z\le x]=[X\le x]\cap[Y\le x], donc par indépendance FZ(x)=F(x)2=1(1+e−x)2.F_{Z}(x)=F(x)^{2}=\frac{1}{(1+e^{-x})^{2}}.

    Plus généralement, pour X1,…,XnX_{1},\ldots,X_{n} indépendantes de fonction de répartition FF et Mn=max⁡(X1,…,Xn)M_{n}=\max(X_{1},\ldots,X_{n}), le même raisonnement donne

    FMn(x)=F(x)n=1(1+e−x)n.F_{M_{n}}(x)=F(x)^{n}=\frac{1}{(1+e^{-x})^{n}}.

    Cette fonction est de classe C1\mathcal{C}^{1} sur R\mathbb{R} : MnM_{n} est une variable à densité, et en dérivant on obtient une densité

    fMn(x)=nF(x)n−1F′(x)=n e−x(1+e−x)n+1.f_{M_{n}}(x)=nF(x)^{n-1}F'(x)=\frac{n\,e^{-x}}{(1+e^{-x})^{n+1}}.

HEC Exercice 10 [DENS,CE]

Voie E · Sujet 18

Les variables sont définies sur (Ω,A,P)(\Omega,\mathcal A,\mathbb{P}). Soit a>0a>0 et XX de loi uniforme sur [0,2a][0,2a].

  1. Pour n∈N∗n\in\mathbb{N}^*, soient X1,…,XnX_1,\ldots,X_n indépendantes de même loi que XX, et Mn=max⁡(X1,…,Xn)M_n=\max(X_1,\ldots,X_n). Déterminer la loi de MnM_n, son espérance et sa variance.
  2. En déduire que Un=n+12nMnU_n=\dfrac{n+1}{2n}M_n est un estimateur sans biais de E(X)\mathbb{E}(X). Est-il préférable à Vn=(X1+⋯+Xn)/nV_n=(X_1+\cdots+X_n)/n ?
Corrigé
  1. Pour x∈Rx\in\mathbb{R}, [Mn≤x]=⋂i=1n[Xi≤x][M_{n}\le x]=\bigcap_{i=1}^{n}[X_{i}\le x], donc par indépendance FMn(x)=FX(x)nF_{M_{n}}(x)=F_{X}(x)^{n} : FMn(x)=0 si x<0,FMn(x)=(x2a)n si 0≤x≤2a,FMn(x)=1 si x>2a.F_{M_{n}}(x)=0\ \text{si } x<0,\qquad F_{M_{n}}(x)=\left(\frac{x}{2a}\right)^{n}\ \text{si } 0\le x\le2a,\qquad F_{M_{n}}(x)=1\ \text{si } x>2a.

    Cette fonction est continue sur R\mathbb{R} et de classe C1\mathcal{C}^{1} sauf éventuellement en 00 et 2a2a : MnM_{n} est à densité, et en dérivant,

    fMn(x)=n xn−1(2a)n si 0<x<2a,fMn(x)=0 sinon.f_{M_{n}}(x)=\frac{n\,x^{n-1}}{(2a)^{n}}\ \text{si } 0<x<2a,\qquad f_{M_{n}}(x)=0\ \text{sinon}.

    Les moments existent par intégration d'une fonction continue sur le segment [0,2a][0,2a] :

    E(Mn)=∫02an xn(2a)n dx=2ann+1,E(Mn2)=∫02an xn+1(2a)n dx=4a2nn+2.\mathbb{E}(M_{n})=\int_{0}^{2a}\frac{n\,x^{n}}{(2a)^{n}}\,dx=\frac{2an}{n+1},\qquad \mathbb{E}(M_{n}^{2})=\int_{0}^{2a}\frac{n\,x^{n+1}}{(2a)^{n}}\,dx=\frac{4a^{2}n}{n+2}.

    Par la formule de Koenig-Huygens,

    V(Mn)=4a2(nn+2−n2(n+1)2)=4a2n(n+1)2(n+2).\mathbb{V}(M_{n})=4a^{2}\left(\frac{n}{n+2}-\frac{n^{2}}{(n+1)^{2}}\right)=\frac{4a^{2}n}{(n+1)^{2}(n+2)}.
  2. Par linéarité, E(Un)=n+12n⋅2ann+1=a=E(X)\mathbb{E}(U_{n})=\frac{n+1}{2n}\cdot\frac{2an}{n+1}=a=\mathbb{E}(X) : UnU_{n} est un estimateur sans biais de E(X)\mathbb{E}(X). Son risque quadratique est sa variance : V(Un)=(n+1)24n2⋅4a2n(n+1)2(n+2)=a2n(n+2).\mathbb{V}(U_{n})=\frac{(n+1)^{2}}{4n^{2}}\cdot\frac{4a^{2}n}{(n+1)^{2}(n+2)}=\frac{a^{2}}{n(n+2)}.

    L'estimateur VnV_{n} est aussi sans biais et, par indépendance, V(Vn)=V(X)n=(2a)212n=a23n\mathbb{V}(V_{n})=\frac{\mathbb{V}(X)}{n}=\frac{(2a)^{2}}{12n}=\frac{a^{2}}{3n}.

    Comme n+2≥3n+2\geq3, V(Un)≤V(Vn)\mathbb{V}(U_{n})\le\mathbb{V}(V_{n}), avec égalité seulement pour n=1n=1 (et alors U1=V1=X1U_{1}=V_{1}=X_{1}). Pour n≥2n\geq2, UnU_{n} est préférable à VnV_{n} ; son risque est même de l'ordre de 1n2\frac{1}{n^{2}} au lieu de 1n\frac1n.