Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Les affres des cadeaux communs

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Solution by Ancient Tree · FR

  1. Comme il y a nn appels indépendants, chacun avec une probabilité pp de succès, XX suit une loi binomiale B(n,p)\mathcal{B}(n,p) :
    P(X=i)=(ni)pi(1−p)n−iP(X=i)=\binom{n}{i}p^{i}(1-p)^{n-i}

  2. Lors du deuxième appel, les appels restent indépendants, chacun avec une probabilité pp de succès, mais cette fois, si X=iX=i, il ne reste que n−in-i appels à passer. La probabilité conditionnelle suit donc à nouveau une loi binomiale B(n−i,p)\mathcal{B}(n-i,p) :
    P(Y=k∣X=i)=(n−ik)pk(1−p)n−i−kP(Y=k\mid X=i)=\binom{n-i}{k}p^{k}(1-p)^{n-i-k}

  3. Attention : il y a probablement beaucoup mieux que cette méthode "force brute", mais je n’ai toujours pas trouvé la bonne interprétation : Lorsque X=iX=i, il faut nécessairement que Y=k−iY=k-i. Cela signifie que :
    P(X+Y=k)=∑i=0kP(X=ietY=k−i)P(X+Y=k)=\sum_{i=0}^{k}P(X=i\quad\text{et}\quad Y=k-i)Or ces probabilités jointes peuvent s’exprimer à l’aide des probabilités conditionnelles calculées à la question précédente, ainsi que du résultat de la première question :
    P(X+Y=k)=∑i=0kP(X=i)P(Y=k−i∣X=i)=∑i=0k(ni)pi(1−p)n−i(n−ik−i)pk−i(1−p)n−kP(X+Y=k)=\sum_{i=0}^{k}P(X=i)P(Y=k-i\mid X=i)=\sum_{i=0}^{k}\binom{n}{i}p^{i}(1-p)^{n-i}\binom{n-i}{k-i}p^{k-i}(1-p)^{n-k}et certains termes ne dépendent pas de ii, donc on peut les sortir de la somme :
    P(X+Y=k)=pk(1−p)n−k∑i=0k(ni)(n−ik−i)(1−p)n−iP(X+Y=k)=p^{k}(1-p)^{n-k}\sum_{i=0}^{k}\binom{n}{i}\binom{n-i}{k-i}(1-p)^{n-i}On dispose ici d’une identité combinatoire remarquable :
    (ni)(n−ik−i)=(ki)(nk)\binom{n}{i}\binom{n-i}{k-i}=\binom{k}{i}\binom{n}{k}ce qui donne :
    P(X+Y=k)=pk(1−p)n−k(nk)∑i=0k(ki)(1−p)n−iP(X+Y=k)=p^{k}(1-p)^{n-k}\binom{n}{k}\sum_{i=0}^{k}\binom{k}{i}(1-p)^{n-i}Cette somme fait beaucoup penser à un binôme de Newton, mais la puissance n’est pas la bonne. Faisons apparaître un kk :
    P(X+Y=k)=pk(1−p)n−k(nk)∑i=0k(ki)(1−p)n−k(1−p)k−i=pk((1−p)n−k)2(nk)∑i=0k(ki)(1−p)k−iP(X+Y=k)=p^{k}(1-p)^{n-k}\binom{n}{k}\sum_{i=0}^{k}\binom{k}{i}(1-p)^{n-k}(1-p)^{k-i}=p^{k}\left((1-p)^{n-k}\right)^{2}\binom{n}{k}\sum_{i=0}^{k}\binom{k}{i}(1-p)^{k-i}=pk((1−p)n−k)2(nk)(1−p+1)k=pk((1−p)n−k)2(nk)(2−p)k=p^{k}\left((1-p)^{n-k}\right)^{2}\binom{n}{k}(1-p+1)^{k}=p^{k}\left((1-p)^{n-k}\right)^{2}\binom{n}{k}(2-p)^{k}En posant q=p(2−p)=2p−p2q=p(2-p)=2p-p^{2}, on a 1−q=1−2p+p2=(1−p)21-q=1-2p+p^{2}=(1-p)^{2}, d’où l’on obtient :
    P(X+Y=k)=(nk)qk(1−q)n−kP(X+Y=k)=\binom{n}{k}q^{k}(1-q)^{n-k}Il s’agit à nouveau d’une loi binomiale B(n,q)\mathcal{B}(n,q).

  4. L’espérance de Z=X+YZ=X+Y vaut nqnq, tandis que la variance vaut nq(1−q)nq(1-q).

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