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Estimation Statistique ​

Objets mathématiques utilisés en statistique ​

Définition

Un vecteur de données x→=(x1,…,xn) est de taille n (la taille de l'échantillon). Ces données sont réalisées par des variables aléatoires X→=(X1,…,Xn).

X est définie sur un univers Ω. Si Ω est fini, alors on dit que X est une variable aléatoire discrète. Dans le cas contraire, X est continue.

On note également ω les éléments de l'univers (appelés issues). Elles sont aléatoires, tout comme X.

Définition

Une fonction de répartition FX d'une variable aléatoire X est définie tel que :

∀x∈X(Ω),FX(x)=P(X≤x)=∑{ω:X(ω)≤x)}P(ω)

Une fonction de masse fX d'une variable aléatoire X est définie tel que :

∀x∈X(Ω),fX(x)=P(X=x)=P(ω|X(ω)=x)

On peut écrire la fonction de répartition FX à partir de la fonction de masse fX:FX(x)=∑g∈X(ω),y≤xfX(y).

À faire :

  • Def espérance
  • Def Variance (plusieurs)
  • théorème de transfert


Variables Aléatoires Usuelles Discrètes ​

Loi uniforme ​

Une variable aléatoire X suis une loi de uniforme (X↪U) si P(X=k)=1/n|k∈[[1,n]]

Alors, E(X)=n+12 et V=n2−112. On a également X(Ω)=[[1,n]]

Loi de Bernoulli ​

Une variable aléatoire X suis une loi de Bernoulli (X↪Ber(p)) si P(X=0)=1−p et P(X=1)=p

Alors, E(X)=p et V=p(1−p)

Loi Binomiale ​

Une variable aléatoire X suis une loi Binomiale (X↪B(n,p)) si ∀k∈N,P(X=k)=(nk)pk(1−p)n−k

Alors, E(X)=np et V=np(1−p)

Remarque

Une loi binomiale B(n,p) correspond à la répétition de n loi de Bernoulli Ber(p).

Loi de Poisson ​

Une variable aléatoire X suis une loi de Poisson (X↪P(λ)) si ∀k∈N,P(X=k)=e−λλkk!

Alors, E(X)=λ et V=λ

Cette loi modélise des événements indépendants qui ont lieu peu souvent.

Variables Aléatoires Usuelles Continues ​

Loi Uniforme Continue ​

Une variable aléatoire X suis une loi de uniforme (X↪U([[a,b]])) si

Loi Géométrique ​

Une variable aléatoire X suis une loi Géométrique (X↪P(λ)) si X=min{Yk=1|k∈N∗}. Alors, P(X=k)=(1−p)k−1p

Alors, E(X)=1p et V=1−pp2

Cette loi modélise des la répétition d'une épreuve de Bernoulli jusqu'à son premier succès.

Loi Normale ​

Une variable aléatoire X suis une loi Géométrique (X↪N(μ,σ2)) si ∀x∈R,P(X=x)=12πσ2e−(x−μ)22σ2

Alors, E(X)=1p et V=1−pp2

Agrégation des variables aléatoires ​

Soit X1,…,Xn v.a. iid d'espérance μ et de variance σ2. On note X~n=1n∑Xi l'agrégation des variables aléatoires. Son espérance vaut μ et sa variance σ2n.

Théorème : Loi des grand nombres

  • Version faible : ∀ε>0,P(|X~n−μ|>0)→n→+∞0
  • Version forte : P(X~n→n→+∞μ)=0

Avec une variable aléatoire agrégée (qu'on aime noter X~n), on peut appliquer le théorème central limite :

Théorème : Central Limte (TCL)

X~n−μσn→n→+∞=N(0,1)

Il est principalement utilisé pour justifier la construction d'Intervalles de confiance.

Example

L'agrégation de lancés de pièces tend vers la quantité p=12, donc si on enlève l'espérance μ tend vers 0 (loi normal).

Propriétés sur les variables aléatoires ​

En statistiques, on travaille avec des variables aléatoires mutuellement indépendantes (1) et identiquement distribués (2). On abrège en iid.

  1. ∀x1,…,xn,P(X1≤x1∩⋯∩Xn≤xn)=∏i=1nP(Xi≤xi)
  2. ∀x∈R,∀(i,j)∈[[1,n]]2P(Xi≤xi)=(Xj≤xj)

Avec la notion de fonction de masse/densité :

∀x∈R,fx1(x)=fx2(x)=⋯=fxn(x)

Propriétés : pour tout type de variables aléatoires

  • ∀a,b∈R,E(aX+b)=aE(X)+b
  • E(X1,…,Xn)=∑i=1nE(Xi)
  • ∀a,b∈R,V(aX+b)=a2V(X)
  • V(X1,…,Xn)=∑i=1nV(Xi)

Dépendance par rapport à des paramètres ​

Toute loi dépend d'un ou plusieurs paramètre(s) (que nous noterons θ).

Exemple : Ber(p)⟶θ=p; B(n,p)⟶θ=(n,p).

On note fx(x|θ) la fonction de densité/masse sachant θ. Une même loi avec des paramétrisations différentes donne des résultats différents.

Notion de statistique ​

Définition

Une statistique est une fonction quelconque des données x→:t(x→).

Le but des statistiques est de faire parler les données. Un exemple de statistique serait la moyenne empirique x^n=∑xi ou le maximum maxi∈[[1,n]]xi.

En mathématiques, on aura besoin d'une loi de probabilité et/ou d'une variable aléatoire pour remplacer les données.

Définition

Un estimateur Tn d'une grandeur θ est une statistique à valeur dans Θ des θ possibles.

Elle prend en argument l'ensemble des variables aléatoires considérées X→.

La plupart du temps, les estimateurs nous serrons donnés.

Qualité d'un estimateur ​

On peut quantifier la qualité d'un estimateur avec les outils suivants :

Biais ​

On le note B(Tn,θ), et il mesure la précision de Tn par rapport à θ. Tn est dit sans biais si E(Tn)=θ.

Variance d'un estimateur ​

V(Tn) quantifie les fluctuations de Tn autour de son espérance E(Tn).

Consistance ​

Si Tn→n→+∞θ, alors Tn est consistant pour θ.

Erreur Quadratique ​

Définition

L'erreur quadratique moyenne d'un estimateur Tn de θ est noté EQM(Tn) et on a :

EQM(Tn)=V(Tn)+B(Tn,θ)

Le meilleur estimateur possible de θ est un estimateur sans biais et de variance minimal.

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