Déterminer une taille d'échantillon en fonction de la précision et du risque - Exercice 1

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Soit XX une variable aléatoire d'espérance E(X)=10E\left(X\right)=10 et de variance V(X)=4V\left(X\right)=4. On note MnM_n la variable aléatoire moyenne d'un échantillon de taille nn de la loi de XX.
Question 1

Déterminer la plus petite taille nn pour laquelle l'inégalité de concentration permet d'affirmer que P(∣Mn−10∣⩾0,5)⩽0,01P\left(\left|M_n-10\right|\geqslant 0{,}5\right)\leqslant 0{,}01.

Correction
Ici, E(X)=10E\left(X\right)=10 et V(X)=4V\left(X\right)=4.
    L’ineˊgaliteˊ de concentration\red{\text{L'inégalité de concentration}}
Soit XX la variable aléatoire d'espérance E(X)E\left(X\right) et de variance V(X)V\left(X\right).
Soit MnM_n la variable aléatoire moyenne d'un échantillon de taille nn de la variable aléatoire XX.
Pour tout réel strictement positif α\alpha , on a :
P(∣Mn−E(X)∣≥α)≤V(X)nα2P\left(\left|M_n-E\left(X\right)\right|\ge \alpha \right)\le \dfrac{V\left(X\right)}{n{\alpha }^2}
Si α=0,5\alpha =0{,}5 et en utilisant l'inégalité de concentration, on a :
P(∣Mn−10∣≥0,5)≤4n×0,52P\left(\left|M_n-10\right|\ge 0{,}5\right)\le \dfrac{4}{n\times 0{,}5^2}
Il faut donc ici que le majorant 4n×0,52\dfrac{4}{n\times 0{,}5^2} soit lui-même inférieur ou égal à 0,010{,}01 car nous souhaitons résoudre P(∣Mn−10∣≥0,5)≤0,01P\left(\left|M_n-10\right|\ge 0{,}5\right)\le 0{,}01
Il vient donc que :
P(∣Mn−10∣≥0,5)≤4n×0,52≤0,01P\left(\left|M_n-10\right|\ge 0{,}5\right)\le \dfrac{4}{n\times 0{,}5^2}\le 0{,}01
Il nous faut donc résoudre :
4n×0,52≤0,01\dfrac{4}{n\times 0{,}5^2}\le 0{,}01
4≤0,01×n×0,524\le 0{,}01\times n\times 0{,}5^2
40,01×0,52≤n\dfrac{4}{0{,}01\times 0{,}5^2}\le n
Ainsi : 1600≤n1600\le n
La plus petite taille nn pour laquelle l'inégalité de concentration permet d'affirmer que P(∣Mn−10∣⩾0,5)⩽0,01P\left(\left|M_n-10\right|\geqslant 0{,}5\right)\leqslant 0{,}01 est donc :
n=1600n=1600

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