Leçons de niveau 16

Probabilités et analyse combinatoire/Loi de Student

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Loi de Student
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Chapitre no 1
Leçon : Probabilités et analyse combinatoire
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Loi de Student
Densité de probabilité / Fonction de masse
Student densite best.JPG
Fonction de répartition
T distributionCDF.png
Paramètres k ≥ 1 degrés de liberté,
Support
Densité de probabilité (fonction de masse)
Fonction de répartition 1-γ = ƒ(tγk), voir tableau en fin d'article
Espérance si k = 1 : non définie

si k > 1 : 0

Médiane (centre) 0
Mode 0
Variance si k ≤ 2 :

si k > 2 :

Asymétrie (skewness) pour
Kurtosis (non-normalisé)
Entropie
Fonction génératrice des moments
Fonction caractéristique


La loi de Student est une loi de probabilité, faisant intervenir le quotient entre une variable suivant une loi normale centrée réduite et la racine carrée d’une variable distribuée suivant la loi du χ².

Soient Z une variable aléatoire de loi normale centrée et réduite et U une variable indépendante de Z et distribuée suivant la loi la loi du χ² à k degrés de liberté. Par définition la variable

suit une loi de Student à k degrés de liberté.

La densité de T notée ƒT est :

pour k ≥ 1.

où Γ est la fonction Gamma d'Euler.

La densité ƒT associée à la variable T est symétrique, centrée sur 0, en forme de cloche.

Son espérance ne peut pas être définie pour k = 1, et est nulle pour k > 1.

Sa variance est infinie pour k ≤ 2 et vaut pour k > 2.

Comportement limite[modifier | modifier le wikicode]

Lorsque k est grand, la loi de Student peut être approchée par la loi normale centrée réduite.

Application : détermination rigoureuse de l’intervalle de confiance associé à l’espérance d’une variable de loi normale de variance inconnue[modifier | modifier le wikicode]

Ce chapitre présente une méthode faisant appel à la loi de Student afin d’estimer l’espérance μ d’une loi normale dont la variance σ² est supposée inconnue.

Soient x₁…, xn n variables indépendantes distribuées suivant une même loi normale d’espérance μ (à déterminer) et de variance σ² (inconnue).

Afin de parvenir au résultat, il est nécessaire d’introduire les variables et s.

Soit

La variable suit la loi normale d’espérance μ et de variance .

Soit

La variable aléatoire s suit la loi du χ² à n - 1 degrés de liberté.

Remarque : ce résultat utile se démontre à partir de la propriété définissant la loi du χ² en tant que somme des carrés de variables normales centrées et réduites indépendantes 2 à 2, mais il n’en est pas pour autant la conséquence directe : en particulier les variables ne sont pas indépendantes entre elles.

Pour n grand, la variance de tend vers 0, et la valeur d’une réalisation de constitue ainsi une estimation de l’espérance μ, qui est également l’espérance de la loi normale suivie par les variables x₁…, xn. Néanmoins, seule la connaissance préalable de la variance σ² de cette loi permet de caractériser un intervalle de confiance pour la variable .

Par contre, il est possible de caractériser un intervalle de confiance rigoureux pour la variable suivante :

avec

En effet, moyennant quelques simplifications, la variable T₀ peut se réécrire comme

avec

.

la variable Z suit la loi normale centrée et réduite, et nous avons vu ci-dessus que la variable s suit la loi du χ² à n - 1 degrés de liberté. De plus, il est possible de démontrer que Z et s sont indépendantes. Par définition, T₀ suit donc la loi de Student à k = n - 1 degrés de liberté.

La distribution de la variable T₀ est donc connue indépendamment de σ², et par conséquent les intervalles de confiance qui lui sont associés sont également connus. Ainsi, il est possible d’obtenir un intervalle de confiance pour μ à partir d’une réalisation des variables x₁…, xn, de laquelle on déduit des valeurs de et S. La suite de ce chapitre détaille la procédure permettant la détermination de cet intervalle de confiance.

Pour une variable T suivant la loi de Student à k degrés de liberté, on définit tγk comme

la quantité telle que la probabilité d’obtenir T > tγk soit égale à γ.

Ceci revient à imposer que 1-γ soit l'image de tγk par la fonction de répartition de la loi de Student. La quantité tγk est également appelé le quantile d’ordre 1-γ de la loi de Student à k degrés de liberté (voir tableau des valeurs de tγk ci-dessous).

Dans ce cadre, si tγk > 0, alors la probabilité d’obtenir -tγk < T₀ < tγk est égale à 1-2γ.

Or on a

.

La probabilité d’obtenir est elle aussi égale à 1-2γ. Le niveau de confiance α associé à cet intervalle est donc α = 1-2γ.

Le niveau de confiance α correspond à la probabilité que l’espérance μ de la loi normale se trouve à l’intérieur de l’intervalle de confiance. Par exemple pour α = 0,95, on a un niveau de confiance de 95 %, correspondant à γ = (1-α)/2 = 0,025.

Niveau de confiance α et γ
Intervalle de confiance α γ
68 %[1] 0,16
76 %[2] 0,12
90 % 0,05
95 % 0,025
99 % 0,005
99,7 %[3] 0,001 5
99,9 % 0,000 5
99,999 999 8 %[4] 0,000 000 001

La courbe ci-dessous illustre la notion de niveau de confiance en représentant celui-ci comme une intégrale (aire de la zone en bleu). Student pedagogie best.JPG

Dans la courbe ci-dessus, les frontières entre la zone centrale et les deux zone latérales identiques correspondent à t = tγk et t = -tγk.

En résumé, l’intervalle de confiance de l’espérance μ d’une loi normale de variance quelconque inconnue peut être déterminé à partir des valeurs de n variables indépendantes x₁…, xn suivant toutes cette même loi. Pour un niveau de confiance donné α, cet intervalle est le suivant :

,

avec

,
,

et

tγk le quantile d’ordre 1-γ de la loi de Student à k degrés de liberté (dont la définition exacte est donnée ci-dessus).

Tableau des valeurs du quantile[modifier | modifier le wikicode]

Un tableau des valeurs du quantile en fonction de γ et k est fourni ci-dessous.

γ
k 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,025 0,010 0,005 0,002 5 0,001 0 0,000 5
1 1,000 1,376 1,963 3,078 6,314 12,71 31,82 63,66 127,3 318,3 636,6
2 0,816 1,061 1,386 1,886 2,920 4,303 6,965 9,925 14,09 22,33 31,60
3 0,765 0,978 1,250 1,638 2,353 3,182 4,541 5,841 7,453 10,21 12,92
4 0,741 0,941 1,190 1,533 2,132 2,776 3,747 4,604 5,598 7,173 8,610
5 0,727 0,920 1,156 1,476 2,015 2,571 3,365 4,032 4,773 5,893 6,869
6 0,718 0,906 1,134 1,440 1,943 2,447 3,143 3,707 4,317 5,208 5,959
7 0,711 0,896 1,119 1,415 1,895 2,365 2,998 3,499 4,029 4,785 5,408
8 0,706 0,889 1,108 1,397 1,860 2,306 2,896 3,355 3,833 4,501 5,041
9 0,703 0,883 1,100 1,383 1,833 2,262 2,821 3,250 3,690 4,297 4,781
10 0,700 0,879 1,093 1,372 1,812 2,228 2,764 3,169 3,581 4,144 4,587
11 0,697 0,876 1,088 1,363 1,796 2,201 2,718 3,106 3,497 4,025 4,437
12 0,695 0,873 1,083 1,356 1,782 2,179 2,681 3,055 3,428 3,930 4,318
13 0,694 0,870 1,079 1,350 1,771 2,160 2,650 3,012 3,372 3,852 4,221
14 0,692 0,868 1,076 1,345 1,761 2,145 2,624 2,977 3,326 3,787 4,140
15 0,691 0,866 1,074 1,341 1,753 2,131 2,602 2,947 3,286 3,733 4,073
16 0,690 0,865 1,071 1,337 1,746 2,120 2,583 2,921 3,252 3,686 4,015
17 0,689 0,863 1,069 1,333 1,740 2,110 2,567 2,898 3,222 3,646 3,965
18 0,688 0,862 1,067 1,330 1,734 2,101 2,552 2,878 3,197 3,610 3,922
19 0,688 0,861 1,066 1,328 1,729 2,093 2,539 2,861 3,174 3,579 3,883
20 0,687 0,860 1,064 1,325 1,725 2,086 2,528 2,845 3,153 3,552 3,850
21 0,686 0,859 1,063 1,323 1,721 2,080 2,518 2,831 3,135 3,527 3,819
22 0,686 0,858 1,061 1,321 1,717 2,074 2,508 2,819 3,119 3,505 3,792
23 0,685 0,858 1,060 1,319 1,714 2,069 2,500 2,807 3,104 3,485 3,767
24 0,685 0,857 1,059 1,318 1,711 2,064 2,492 2,797 3,091 3,467 3,745
25 0,684 0,856 1,058 1,316 1,708 2,060 2,485 2,787 3,078 3,450 3,725
26 0,684 0,856 1,058 1,315 1,706 2,056 2,479 2,779 3,067 3,435 3,707
27 0,684 0,855 1,057 1,314 1,703 2,052 2,473 2,771 3,057 3,421 3,690
28 0,683 0,855 1,056 1,313 1,701 2,048 2,467 2,763 3,047 3,408 3,674
29 0,683 0,854 1,055 1,311 1,699 2,045 2,462 2,756 3,038 3,396 3,659
30 0,683 0,854 1,055 1,310 1,697 2,042 2,457 2,750 3,030 3,385 3,646
40 0,681 0,851 1,050 1,303 1,684 2,021 2,423 2,704 2,971 3,307 3,551
50 0,679 0,849 1,047 1,299 1,676 2,009 2,403 2,678 2,937 3,261 3,496
60 0,679 0,848 1,045 1,296 1,671 2,000 2,390 2,660 2,915 3,232 3,460
80 0,678 0,846 1,043 1,292 1,664 1,990 2,374 2,639 2,887 3,195 3,416
100 0,677 0,845 1,042 1,290 1,660 1,984 2,364 2,626 2,871 3,174 3,390
120 0,677 0,845 1,041 1,289 1,658 1,980 2,358 2,617 2,860 3,160 3,373
0,674 0,842 1,036 1,282 1,645 1,960 2,326 2,576 2,807 3,090 3,291

Remarque : la dernière ligne du tableau ci-dessus correspond aux grandes valeurs de k. Il s’agit d’un cas limite pour lequel la loi de Student est équivalente à la loi normale centrée et réduite.

Notes[modifier | modifier le wikicode]

  1. environ 68 % d’une population suivant une loi normale se trouve dans un intervalle +/-σ autour de la moyenne
  2. environ 76 % d’une population suivant une loi normale se trouve dans un intervalle +/-H autour de la moyenne, où H est la [[w:largeur à mi-hauteur|]]
  3. environ 99,7 % d’une population suivant une loi normale se trouve dans un intervalle +/-3·σ autour de la moyenne
  4. environ 99,999 999 8 % d’une population suivant une loi normale se trouve dans un intervalle +/-6·σ autour de la moyenne

Voir aussi[modifier | modifier le wikicode]

Articles connexes[modifier | modifier le wikicode]

Liens externes[modifier | modifier le wikicode]

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Ce document en français contient en particulier la dérivation de l’expression de la densité de probabilité ƒT, la démonstration de la distribution de la variable s suivant la loi de Student à n-1 degrés de liberté, ainsi que la démonstration de l'indépendance de s et Z.

Probabilités, statistiques et analyses multicritères, M.Rouaud, révision 2017. Expressions et étude des premières Students, démonstration de l'expression de la variance et somme de Students indépendantes. La démonstration pour la variance est assez longue, elle figure pages 278 à 280.