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Problèmes : marche aléatoire sur un graphe et modèle d'Ehrenfest - Exercice 1
25 min
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Un robot se déplace sur les sommets d'un triangle ABC . À chaque étape, il quitte le sommet où il se trouve et rejoint l'un des deux autres sommets, choisi au hasard. Le robot part du sommet A . Pour tout entier naturel n , on note πn=(anbncn) la distribution après n étapes : an est la probabilité que le robot soit en A après n étapes.
Question 1
Représenter la situation par un graphe probabiliste et donner sa matrice de transition P (états rangés dans l'ordre A , B , C).
Correction
Depuis chaque sommet, le robot rejoint chacun des deux autres sommets avec une probabilité de 0,5 et ne reste jamais sur place. On obtient le graphe probabiliste suivant :
Finalement :
P=⎝⎛00,50,50,500,50,50,50⎠⎞
Question 2
Démontrer que la distribution π=(313131) est invariante.
Correction
Une distribution π (matrice ligne dont les coefficients sont positifs ou nuls et de somme égale à 1) est dite invariante si : π×P=π
Chaque colonne de P contient deux coefficients égaux à 0,5 et un coefficient nul. Chaque coefficient de π×P vaut donc : 31×0+31×0,5+31×0,5=31 Ainsi :
π×P=π
La distribution π est donc invariante.
Question 3
Démontrer que, pour tout entier naturel n , an+1=0,5(1−an) .
Correction
Pour tout entier naturel n , πn+1=πn×P . Le premier coefficient de πn+1 est donc : an+1=an×0+bn×0,5+cn×0,5 an+1=0,5(bn+cn) Or an+bn+cn=1 , donc bn+cn=1−an . Finalement :
an+1=0,5(1−an)
Autrement dit : pour être en A à l'étape n+1 , le robot doit être en B ou en C à l'étape n , puis choisir A .
Question 4
Pour tout entier naturel n , on pose vn=an−31 . Démontrer que la suite (vn) est géométrique de raison −0,5 , puis exprimer an en fonction de n .
Correction
1eˋreeˊtape : exprimons vn+1 en fonction de vn . vn+1=an+1−31 vn+1=0,5−0,5an−31 vn+1=−0,5an+61 vn+1=−0,5(an−31) vn+1=−0,5vn La suite (vn) est donc geˊomeˊtrique de raison −0,5 , de premier terme v0=a0−31=1−31=32 . 2eˋmeeˊtape : l'expression de an .
Soit (un) une suite géométrique de raison q et de premier terme u0 . Alors, pour tout entier naturel n , on a : un=u0×qn
Pour tout entier naturel n , vn=32×(−0,5)n et an=vn+31 . Finalement :
an=31+32×(−0,5)n
Question 5
Déterminer la limite de la suite (an) et interpréter ce résultat.
Correction
Si −1<q<1 alors n→+∞limqn=0.
Si q>1 alors n→+∞limqn=+∞.
Comme −1<−0,5<1 alors n→+∞lim(−0,5)n=0 , d'où :
n→+∞liman=31
À long terme, le robot se trouve en A avec une probabilité proche de 31 (et de même en B et en C) : la distribution πn se rapproche de la distribution invariante π .
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