Fonction de masse (probabilités)

En théorie des probabilités, la fonction de masse^[1] est la fonction qui donne la probabilité d'un résultat élémentaire d'une expérience. C'est souvent ainsi que l'on définit une loi de probabilité discrète. Elle se distingue de la densité de probabilité en ceci que les densités de probabilité ne sont définies que pour des variables aléatoires absolument continues, et que c'est leur intégrale sur un domaine qui a valeur de probabilité (et non leurs valeurs elles-mêmes).

ExempleModifier

Un dé à six faces.

Considérons un dé non pipé avec 6 faces. Lançons ce dé. Comme le dé n'est pas pipé, la fonction de masse est donnée par :

la probabilité d'obtenir un 1 vaut 1/6 ;
la probabilité d'obtenir un 2 vaut 1/6 ;
la probabilité d'obtenir un 3 vaut 1/6 ;
la probabilité d'obtenir un 4 vaut 1/6 ;
la probabilité d'obtenir un 5 vaut 1/6 ;
la probabilité d'obtenir un 6 vaut 1/6.

Description mathématiqueModifier

La loi de probabilité d'une variable aléatoire discrète. Le support est composé des singletons {1}, {3} et {7} et les probabilités associées sont respectivement 0,20, 0,50 et 0,30. Un ensemble ne contenant pas ces points se voit attribuer une probabilité nulle.

Soit $(\Omega ,{\mathcal {A}},\mathbb {P} )$ un espace probabilisé.

On appelle fonction masse de $\mathbb {P}$ , et on note $p$ , la fonction de $\Omega$ dans $\mathbb {R} _{+}$ définie par :

\forall \omega \in \Omega ,\ p(\omega )={\begin{cases}\mathbb {P} (\{\omega \})&{\text{si}}\ \{\omega \}\in {\mathcal {A}}\\0&{\text{si}}\ \{\omega \}\notin {\mathcal {A}}.\end{cases}}

Lorsque $\mathbb {P}$ est discrète, pour tout $A\in {\mathcal {A}}$ :

\mathbb {P} (A)=\sum _{\omega \in A\cap \Omega _{a}}p(\omega )=\sum _{\omega \in \Omega _{a}}p(\omega )\delta _{\omega }(A)

où $\Omega _{a}\subset \Omega$ est l'ensemble des atomes de $\mathbb {P}$ et $\delta _{\omega }$ la mesure de Dirac au point $\omega$ .

Soit $(\Omega ,{\mathcal {A}},\mathbb {P} )$ un espace probabilisé, $(Y,{\mathcal {B}})$ un espace probabilisable et $X:\Omega \longrightarrow Y$ une variable aléatoire.

On appelle fonction masse de $\mathbb {P} _{X}$ , et on note $p_{X}$ , la fonction de $Y$ dans $\mathbb {R} _{+}$ définie par :

{\begin{aligned}\forall x\in Y,\ p_{X}(x)&={\begin{cases}\mathbb {P} _{X}(\{x\})&{\text{si}}\ \{x\}\in {\mathcal {B}}\\0&{\text{si}}\ \{x\}\notin {\mathcal {B}}\end{cases}}\\&={\begin{cases}\mathbb {P} _{X}(\{x\})&{\text{si}}\ x\in X(\Omega )\\0&{\text{si}}\ x\notin X(\Omega ).\end{cases}}\end{aligned}}

Lorsque $X$ est discrète, pour tout $B\in {\mathcal {B}}$ :

\mathbb {P} _{X}(B)=\sum _{x\in B\cap Y_{a}}p_{X}(x)=\sum _{x\in Y_{a}}p_{X}(x)\delta _{x}(A)

où $Y_{a}\subset Y$ est l'ensemble des atomes de $X$ et $\delta _{x}$ la mesure de Dirac au point $\scriptstyle x$ .

Le théorème de transfert donne, pour toute fonction $\varphi :Y\longrightarrow \mathbb {R}$ :

\mathbb {E} \left(\varphi (X)\right)=\sum _{x\in Y_{a}}\varphi (x)p_{X}(x).

Pour une loi continue, la fonction de masse est la fonction nulle donc elle n'est pas pertinente. Si une loi continue n'est pas singulière (c'est-à-dire si elle est absolument continue) on utilise sa densité de probabilité.

ExempleModifier

Soit $X$ une variable aléatoire identifiant le résultat d'un pile ou face à 0 pour pile et 1 pour face. On a :

$\Omega =\{\mathrm {pile} ,\mathrm {face} \}$ ,
$Y=\mathbb {R}$ (par exemple, l'important est que $Y\supset X(\Omega )=\{0,1\}$ puisque $X:\Omega \longrightarrow Y$ ),
${\mathcal {A}}={\mathcal {P}}(\Omega )$ (par exemple, l'important est que ${\mathcal {A}}$ soit une tribu sur $\Omega$ qui contienne au moins les événements physiquement possibles de l'expérience),
${\mathcal {B}}={\mathcal {P}}(Y)$ (par exemple, l'important est que ${\mathcal {B}}$ soit une tribu sur $Y$ qui contienne au moins l'image directe par $X$ des événements physiquement possibles).

Si on suppose que les événements $\{\mathrm {pile} \}$ et $\{\mathrm {face} \}$ ont la même probabilité, alors $\mathbb {P} (\{\mathrm {pile} \})=\mathbb {P} (\{\mathrm {face} \})=0,5$ (car $\mathbb {P} (\Omega )=1$ ) et par conséquent $\mathbb {P} _{X}(\{x\})=0,5$ pour tout $x\in X(\Omega )$ .