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PRST: Seance 4 - Intervalle de confiance

Lien de la note Hackmd

Deux resultats probabilistes:

  • loi forte des grand nombre
  • theoreme central limite

Intervalle de confiance pour la moyenne $m$

Point de depart

  • $(X_1,…, X_n)$ echantillon i.i.d de taille $n$
  • $(x_1,…,x_n)$ réalisations de cet échantillon
  • $\bar x_n = \frac{1}{n}\sum_{i=1}^nx_i$ estimation ponctuelle de la moyenne (espérance) $m$
  • $S_n^2=\frac{1}{1-n}\sum_{i=1}^n(x_i-\bar x_n)^2$ estimation ponctuelle de la variance $\sigma^2$

Dans le modele de Bernoulli avec un echantillon i.i.d de la $\mathcal B$, un intervalle de confiance au niveau $0,95$ est:

\[[f-\frac{1}{\sqrt{n}};f+\frac{1}{\sqrt{n}}]\]

C’est un encadrement de la valeur reelle de $p$

Deux cas:

  1. $n$ quelconque: v.a. normales
  2. $n$ grand et utilisation du TCL

Theoreme central limite

Soit $(X_i)$ une suite de v.a. i.i.d telle que $E(X_1^2)\le+\infty$. Noton $m:=E(X_i)$ et $\theta^2=V(X_i)$

\[\frac{\sqrt{n}(\bar X_n-m)}{\theta}\]

converge en loi vers une loi normale centrée réduite

Loi normale centree reduite

  1. $\mathcal P(X\le0)=P(X\ge0)=0,5$
  2. $\mathcal P(X\le a)=\mathcal P(X\ge a)$
  3. $\mathcal P(-1,96\le X\le1,96)\simeq 0,95$ et $\mathcal P(-2,58\le X\le2,58)\simeq 0,99$
\[m\in\biggr[\bar X_n-1,96\frac{\sigma}{\sqrt n};\bar X_n+1,96\frac{\sigma}{\sqrt n}\biggr]\]

au niveau de confiance $0,95$

Cas gaussien

$X_1$ suit une loi normal, $\forall n\ge 1$, $\frac{\sqrt n(\bar X_n-m)}{\sigma}$ suit une loi normale centree reduite et

\[\mathbb P(-1,96\le \frac{\sqrt n(\bar X_n-m)}{\sigma}\le1,96)\simeq 0,95\]

Cas general

\[m\in\biggr[\bar X_n-1,96\frac{\sigma}{\sqrt n};\bar X_n+1,96\frac{\sigma}{\sqrt n}\biggr]\]

au niveau de confiance $0,95$

Cas particulier du modele de Bernoulli

  • Intervalle de confiance pour la proportion d’un echantillon dans une population donnee
  • variance inconnue
  • approximation pour la loi normale possible grace au theoreme suivant:

Intervalle de confiance de la proportion $p$

Loi du Khi-deux

$(X_1,…,X_n)$ $n$ v.a. independantes normales centrees reduite.

  1. $f_{U_n}=\frac{1}{2^{\frac{n}{2}}}e^{-\frac{x}{2}}x^{\frac{x}{2} - 1}$ pour $x\ge 0$
  2. $E(U_n) = n$
  3. $V(U_n) = 2n$
  4. $\phi_{U_n}(t)=\frac{1}{(1-2it)^{\frac{n}{2}}}$

Loi de Student

$X$ et $Y$ deux v.a aleatoires independantes suivant les lois $\mathcal N(0,1)$ et $\mathcal X^2(n)$.

\[T_n=\frac{X}{\sqrt{\frac{Y}{n}}}\]

suit une loi de Student $\mathcal T_n$ a $n$ degre de liberte

Propriete

  • $E(T_n) = 0$ (symetrie)
  • $V(T_n)=\frac{n}{n-2}$ pour $n\gt2$

Cas gaussien

  • $X_1$ suit une loi normale
  • $Tn:=\frac{\sqrt n(\bar X_n-m)}{\sqrt{S_n^2}}$ suit une loi de Student a $n-1$ degrés de liberté.
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