# PRST - Feuille 2, suite
# Exercice 14
Considerons une variable aleatoire $X$ suivant une normale centree reduite et une variable aleatoire $\varepsilon$ independante de la variable aleatoire $X$ telle:
$$
P(\varepsilon=-1)=P(\varepsilon=1)=\frac{1}{2}
$$
Considerons la variable aleatoire $Y := \varepsilon X$.
1. Montrer que la variable aleatoire $Y$ suit une loi normale centree reduite
2. Calculer $Cov(X,Y)$
3. Determiner la loi de la v.a. $X+Y$
- Si c'est trop difficile, calculer $P(X+Y=0)$
4. En deduire que le vecteur aleatoire $(X,Y)^T$ nβest pas un vecteur gaussien.
5. **Bonus**: determiner la fonction de repartition de $X+Y$
:::spoiler Solution
1.
:::info
Pour $Y\sim\mathcal N(0,1)$, il faut montrer que $Y$ suit la meme loi que $X$
:::
Soit $a$ et $b$ deux reels tels que $a\le b$
$$
\begin{aligned}
P(Y\in[a;b]) &= P(\{Y\in[a;b]\}\cap\{\varepsilon=-1\}) + P(\{Y\in[a;b]\}\cap\{\varepsilon=1\})\\
&= P(\{-X\in[a;b]\}\cap\{\varepsilon=-1\}) + P(\{X\in[a;b]\}\cap\{\varepsilon=1\})
\end{aligned}
$$
Or les v.a. $\varepsilon$ et $X$ sont independantes
$$
\begin{aligned}
P(Y\in[a;b]) &= P(-X\in[a;b])\times P(\varepsilon=-1) + P(X\in[a;b])\times P(\varepsilon=1)\\
&= \frac{1}{2}P(-X\in[a;b]) + \frac{1}{2}P(X\in[a;b])\\
X&\sim\mathcal N(0,1)\\
\alpha X&\sim\mathcal N(\alpha m,\alpha\sigma^2)\\
&= \frac{1}{2}P(X\in[a;b]) + \frac{1}{2}P(X\in[a;b])\\
&= P(X\in[a;b])
\end{aligned}
$$
:::success
Y suit la meme loi que $X$ donc $Y\sim\mathcal N(0,1)$
:::
Avec la fonction caracterisitique:
$$
\begin{aligned}
\phi_Y(X) &= E(e^{it\psi})\\
&= E(e^{-it\psi}\underbrace{π_{\varepsilon=-1}}_{\text{fonction indicatrice}} + e^{it\psi}π_{\varepsilon=1})\\
&= E(e^{-itX}π_{\varepsilon=-1} + e^{itX}π_{\varepsilon=1})\\
&= E(e^{-itX} ) E(π_{\varepsilon=-1}) + E(e^{itX})E(π_{\varepsilon=1})\\
\end{aligned}
$$
2.
$$
\begin{aligned}
Cov(X,Y)&=E(XY)-\underbrace{E(X)}_{=0}\underbrace{E(Y)}_{=0}\\
&=E(XY)=E(\varepsilon X^2)
\end{aligned}
$$
Les v.a. $\varepsilon$ et $X$ sont independnates donc $\varepsilon$ et $X^2$ aussi.
$$
Cov(X,Y)=E(\varepsilon)E(X^2)\\
E(\varepsilon)=\frac{1}{1}\times-1+\frac{1}{1}\times1 =0
$$
3.
$$
P(X+Y=0)=P(X=-Y)=P(\varepsilon=-1)=\frac{1}{2}\\
P(X+Y=2X)=\color{red}{P(Y=X)}=P(\varepsilon =1)=\frac{1}{2}
$$
Ecrit "savamment":
$$
\delta_{a}(A)=
\begin{cases}
0 &\text{si } a\not\in A\\
1 &\text{si } a\in A
\end{cases}
$$
:::danger
$$
\mu_Y=\frac{1}{2}\delta_0+\frac{1}{2}\mu_X
$$
:::
> Mais c'est pas ce qui nous interesse lul
4.
Deux types de v.a.: discrete et continue
:::danger
Y n'est pas continue car la probabilite d'etre egale a un certain nombre et toujours egal a $0$. On cherche pas un nombre mais un intervalle.
:::
- Si $X+Y$ etait gaussienne $P(X+Y=0)=0$
- D'apres la question precedente, $P(X+Y=0)=\frac{1}{2}$
- la combinaison lineaire $X+Y$ n'est pas guassienne donc le vecteur n'est pas gaussien
Bonus:
On pose $Z=X+Y$.
$$
\begin{aligned}
P(Z\le z)&= P(\{Z\le z\}\cap\{\varepsilon=-1\})+P(\{Z\le z\}\cap\{\varepsilon=1\})\\
&= P(\{0\le z\}\cap\{\varepsilon=-1\})+P(\{2X\le z\}\cap\{\varepsilon=1\})\text{ les v.a. sont independantes}
\end{aligned}
$$
- Si $z=0$, $F_Z(z)=\frac{1}{2}\times F_X(\frac{z}{2})$
- Si $z\ge0$, $F_Z(z)=\frac{1}{2}+\frac{1}{2}F_X(\frac{z}{2})$
$$
F_Z(z)=
\begin{cases}
\frac{1}{2}F_X(\frac{z}{2}) &\text{si }z\lt0\\
\frac{1}{2}+\frac{1}{2}F_X(\frac{z}{2}) &\text{si } z\ge0
\end{cases}
$$
:::