Variable aléatoire à densité : définition et propriétés

Définition, méthode rigoureuse, exemples corrigés et exercice type BAC.

📚 Terminale Spécialité Maths ⏱ Lecture : 5 min ✅ Programme officiel BO 2019

Une variable aléatoire $X$ est dite à densité si sa fonction de répartition $F_X$ est continue sur $\mathbb{R}$ et s'il existe une fonction $f_X$ positive, continue sur $\mathbb{R}$ sauf en un nombre fini de points, telle que pour tout réel $x$, $F_X(x) = P(X \leq x) = \int_{-\infty}^x f_X(t)\,dt$. La fonction $f_X$ est appelée fonction de densité de la variable aléatoire $X$.

💡 Bon réflexe : Toujours vérifier les deux conditions ($f(x) \geq 0$ et $\int f(x)\,dx = 1$) pour valider une fonction de densité.
xfO0121∫f(x)dx = 1P(a≤X≤b) = ∫ₐᵇf
1

Vérifier qu'une fonction est une densité de probabilité

Pour qu'une fonction $f$ soit une fonction de densité de probabilité pour une variable aléatoire continue, elle doit satisfaire deux conditions :
1. $f(x) \geq 0$ pour tout $x \in \mathbb{R}$.
2. $\int_{-\infty}^{+\infty} f(t)\,dt = 1$. Souvent, la fonction est nulle en dehors d'un intervalle $[a, b]$, et la deuxième condition se réduit à $\int_a^b f(t)\,dt = 1$.

2

Calculer la probabilité d'un événement

Pour une variable aléatoire $X$ de densité $f_X$, la probabilité que $X$ appartienne à un intervalle $[a, b]$ est donnée par $P(a \leq X \leq b) = \int_a^b f_X(t)\,dt$.
Il est important de noter que pour une variable aléatoire continue, $P(X=a) = 0$ pour tout réel $a$. Ainsi, $P(a \leq X \leq b) = P(a < X \leq b) = P(a \leq X < b) = P(a < X < b)$.

3

Déterminer la fonction de répartition

La fonction de répartition $F_X$ d'une variable aléatoire $X$ de densité $f_X$ est définie pour tout réel $x$ par $F_X(x) = P(X \leq x) = \int_{-\infty}^x f_X(t)\,dt$.
Si la densité $f_X$ est nulle en dehors d'un intervalle $[a, b]$, alors $F_X(x) = 0$ pour $x < a$, $F_X(x) = 1$ pour $x \geq b$, et $F_X(x) = \int_a^x f_X(t)\,dt$ pour $x \in [a, b]$.

4

Calculer l'espérance et la variance (si au programme)

L'espérance $E(X)$ d'une variable aléatoire $X$ à densité $f_X$ est donnée par $E(X) = \int_{-\infty}^{+\infty} t \times f_X(t)\,dt$, sous réserve que cette intégrale converge absolument.
La variance $V(X)$ est donnée par $V(X) = E(X^2) - (E(X))^2$, où $E(X^2) = \int_{-\infty}^{+\infty} t^2 \times f_X(t)\,dt$. Ces notions sont souvent introduites pour les lois usuelles (uniforme, exponentielle, normale) mais la formule générale peut être demandée.

Soit $X$ une variable aléatoire dont la fonction de densité $f$ est définie par :
$$f(x) = \begin{cases} kx & \text{si } 0 \leq x \leq 2 \\ 0 & \text{sinon} \end{cases}$$
où $k$ est une constante réelle.

1
Déterminer la valeur de la constante $k$ pour que $f$ soit une fonction de densité.
Pour que $f$ soit une fonction de densité, elle doit être positive et son intégrale sur $\mathbb{R}$ doit être égale à 1.
1. $f(x) \geq 0$: Puisque $x \geq 0$ sur l'intervalle $[0, 2]$, il faut que $k \geq 0$.
2. $\int_{-\infty}^{+\infty} f(t)\,dt = 1$: Comme $f(x)=0$ en dehors de $[0, 2]$, on a :
$$\int_0^2 kx\,dx = 1$$
$$k \left[ \frac{x^2}{2} \right]_0^2 = 1$$
$$k \left( \frac{2^2}{2} - \frac{0^2}{2} \right) = 1$$
$$k \left( \frac{4}{2} - 0 \right) = 1$$
$$2k = 1$$
$$k = \frac{1}{2}$$
La valeur de la constante est $k = \frac{1}{2}$.
2
Calculer $P(1 \leq X \leq 1.5)$.
On utilise la fonction de densité $f(x) = \frac{1}{2}x$ pour $0 \leq x \leq 2$.
$$P(1 \leq X \leq 1.5) = \int_1^{1.5} \frac{1}{2}t\,dt$$
$$= \frac{1}{2} \left[ \frac{t^2}{2} \right]_1^{1.5}$$
$$= \frac{1}{2} \left( \frac{(1.5)^2}{2} - \frac{1^2}{2} \right)$$
$$= \frac{1}{2} \left( \frac{2.25}{2} - \frac{1}{2} \right)$$
$$= \frac{1}{2} \left( \frac{1.25}{2} \right)$$
$$= \frac{1.25}{4} = 0.3125$$
La probabilité $P(1 \leq X \leq 1.5)$ est $0.3125$.
3
Déterminer la fonction de répartition $F_X(x)$ de $X$.
La fonction de répartition $F_X(x)$ est définie par $F_X(x) = P(X \leq x) = \int_{-\infty}^x f(t)\,dt$.
1. Si $x < 0$, alors $F_X(x) = \int_{-\infty}^x 0\,dt = 0$.
2. Si $0 \leq x \leq 2$, alors $F_X(x) = \int_0^x \frac{1}{2}t\,dt = \frac{1}{2} \left[ \frac{t^2}{2} \right]_0^x = \frac{1}{2} \left( \frac{x^2}{2} - 0 \right) = \frac{x^2}{4}$.
3. Si $x > 2$, alors $F_X(x) = \int_0^2 \frac{1}{2}t\,dt + \int_2^x 0\,dt = 1 + 0 = 1$.
En résumé, la fonction de répartition est :
$$F_X(x) = \begin{cases} 0 & \text{si } x < 0 \\ \frac{x^2}{4} & \text{si } 0 \leq x \leq 2 \\ 1 & \text{si } x > 2 \end{cases}$$

La constante $k$ est $\frac{1}{2}$. La probabilité $P(1 \leq X \leq 1.5)$ est $0.3125$. La fonction de répartition $F_X(x)$ a été déterminée pour tous les réels $x$.

  1. Ne pas oublier que pour une variable aléatoire à densité, $P(X=a)=0$. L'égalité stricte ou large n'a pas d'importance pour les bornes des intervalles de probabilité.
  2. Oublier de vérifier la condition $f(x) \geq 0$ pour la fonction de densité. Une densité doit toujours être positive ou nulle.
  3. Erreur de bornes d'intégration : bien identifier l'intervalle où la densité est non nulle pour calculer les intégrales correctement.
  4. Confondre la fonction de densité $f_X$ et la fonction de répartition $F_X$. La première est une dérivée (presque partout) de la seconde, et la seconde est une primitive de la première.

Une entreprise fabrique des composants électroniques. La durée de vie, en années, d'un composant est modélisée par une variable aléatoire $X$ dont la fonction de densité $f$ est définie par :

$$f(x) = \begin{cases} \lambda e^{-\lambda x} & \text{si } x \geq 0 \\ 0 & \text{si } x < 0 \end{cases}$$

où $\lambda$ est une constante réelle strictement positive.

  1. Vérifier que $f$ est bien une fonction de densité de probabilité.

  2. Déterminer la fonction de répartition $F_X(x)$ de la variable aléatoire $X$.

  3. Sachant que la probabilité qu'un composant ait une durée de vie inférieure à 2 ans est $P(X < 2) = 0.393$, déterminer la valeur de $\lambda$ arrondie au centième.

  1. Vérifier que $f$ est bien une fonction de densité de probabilité.

    Pour que $f$ soit une fonction de densité, deux conditions doivent être vérifiées :

    a) $f(x) \geq 0$ pour tout $x \in \mathbb{R}$.
    Pour $x < 0$, $f(x) = 0$, donc $f(x) \geq 0$.
    Pour $x \geq 0$, $f(x) = \lambda e^{-\lambda x}$. Puisque $\lambda > 0$ et $e^{-\lambda x} > 0$ pour tout $x$, on a $f(x) > 0$.
    Donc, $f(x) \geq 0$ pour tout $x \in \mathbb{R}$.

    b) $\int_{-\infty}^{+\infty} f(t)\,dt = 1$.
    $$\int_{-\infty}^{+\infty} f(t)\,dt = \int_{-\infty}^0 0\,dt + \int_0^{+\infty} \lambda e^{-\lambda t}\,dt$$
    $$= 0 + \lim_{A \to +\infty} \int_0^A \lambda e^{-\lambda t}\,dt$$
    Une primitive de $\lambda e^{-\lambda t}$ est $-e^{-\lambda t}$.
    $$= \lim_{A \to +\infty} \left[ -e^{-\lambda t} \right]_0^A$$
    $$= \lim_{A \to +\infty} (-e^{-\lambda A} - (-e^{-\lambda \times 0}))$$
    $$= \lim_{A \to +\infty} (-e^{-\lambda A} + 1)$$
    Puisque $\lambda > 0$, $\lim_{A \to +\infty} -\lambda A = -\infty$, donc $\lim_{A \to +\infty} e^{-\lambda A} = 0$.
    $$= 0 + 1 = 1$$
    Les deux conditions sont vérifiées, donc $f$ est bien une fonction de densité de probabilité.

  2. Déterminer la fonction de répartition $F_X(x)$ de la variable aléatoire $X$.

    La fonction de répartition $F_X(x)$ est définie par $F_X(x) = P(X \leq x) = \int_{-\infty}^x f(t)\,dt$.

    a) Si $x < 0$ :
    $$F_X(x) = \int_{-\infty}^x 0\,dt = 0$$

    b) Si $x \geq 0$ :
    $$F_X(x) = \int_{-\infty}^0 0\,dt + \int_0^x \lambda e^{-\lambda t}\,dt$$
    $$= 0 + \left[ -e^{-\lambda t} \right]_0^x$$
    $$= -e^{-\lambda x} - (-e^{-\lambda \times 0})$$
    $$= -e^{-\lambda x} + 1$$
    $$= 1 - e^{-\lambda x}$$

    En résumé, la fonction de répartition est :
    $$F_X(x) = \begin{cases} 0 & \text{si } x < 0 \\ 1 - e^{-\lambda x} & \text{si } x \geq 0 \end{cases}$$

  3. Sachant que la probabilité qu'un composant ait une durée de vie inférieure à 2 ans est $P(X < 2) = 0.393$, déterminer la valeur de $\lambda$ arrondie au centième.

    On sait que $P(X < 2) = F_X(2)$. Puisque $2 \geq 0$, on utilise la formule $F_X(x) = 1 - e^{-\lambda x}$.
    $$P(X < 2) = 1 - e^{-\lambda \times 2}$$
    On nous donne $P(X < 2) = 0.393$.
    $$1 - e^{-2\lambda} = 0.393$$
    $$e^{-2\lambda} = 1 - 0.393$$
    $$e^{-2\lambda} = 0.607$$
    Pour isoler $\lambda$, on applique la fonction logarithme népérien des deux côtés :
    $$\ln(e^{-2\lambda}) = \ln(0.607)$$
    $$-2\lambda = \ln(0.607)$$
    $$\lambda = -\frac{\ln(0.607)}{2}$$
    À l'aide d'une calculatrice :
    $$\lambda \approx -\frac{-0.4993}{2} \approx 0.24965$$
    Arrondie au centième, la valeur de $\lambda$ est $0.25$.

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre une variable aléatoire discrète et une variable aléatoire à densité ?
Une variable aléatoire discrète prend un nombre fini ou dénombrable de valeurs (par exemple, le nombre de faces obtenues en lançant une pièce). Sa loi est définie par une fonction de probabilité $P(X=k)$. Une variable aléatoire à densité (ou continue) peut prendre n'importe quelle valeur dans un intervalle de réels (par exemple, la durée de vie d'un appareil). Sa loi est définie par une fonction de densité $f_X$, et $P(X=a)=0$ pour toute valeur $a$.
Pourquoi $P(X=a)=0$ pour une variable aléatoire à densité ?
Pour une variable aléatoire à densité, la probabilité d'un événement est donnée par l'intégrale de la fonction de densité sur un intervalle. La probabilité que $X$ prenne une valeur exacte $a$ serait $P(X=a) = \int_a^a f_X(t)\,dt$. Or, l'intégrale d'une fonction sur un intervalle de longueur nulle est toujours nulle. C'est une conséquence du fait que la probabilité est répartie sur un continuum de valeurs.
Comment interpréter la fonction de densité $f_X(x)$ ?
La fonction de densité $f_X(x)$ n'est pas une probabilité. Sa valeur en un point $x$ n'a pas de signification directe en termes de probabilité. Cependant, elle indique la 'densité' de probabilité autour de $x$. Plus $f_X(x)$ est élevée, plus il est 'probable' que la variable aléatoire prenne une valeur proche de $x$. La probabilité est donnée par l'aire sous la courbe de $f_X$ sur un intervalle.
La fonction de répartition $F_X(x)$ est-elle toujours croissante ?
Oui, la fonction de répartition $F_X(x) = P(X \leq x)$ est toujours croissante (au sens large). Si $x_1 < x_2$, alors l'événement $(X \leq x_1)$ est inclus dans l'événement $(X \leq x_2)$, donc $P(X \leq x_1) \leq P(X \leq x_2)$, ce qui signifie $F_X(x_1) \leq F_X(x_2)$. De plus, $F_X(x)$ tend vers 0 quand $x \to -\infty$ et vers 1 quand $x \to +\infty$.

Vous bloquez sur ce chapitre ?

Adil accompagne les lycéens en Terminale Spécialité, en ligne ou à domicile dans le Val d'Oise. Résultats en 1 séance.

📞 Appeler Cours Terminale →