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Probabilités · 4 affiches · formule n° 46

L’espérance mathématique

L’espérance d’une variable aléatoire est la moyenne de ses valeurs possibles, chacune pondérée par sa probabilité. C’est la valeur moyenne vers laquelle tend le résultat quand on répète l’expérience un très grand nombre de fois.

Voir les 4 affiches 8 contrôles par le calcul

Pour une variable aléatoire XX prenant un nombre fini de valeurs xix_i avec les probabilités pip_i. Dessin : six séries de 2 000 lancers de deux dés ; la moyenne des sommes se rapproche de E(X)=7E(X) = 7 (lancers en échelle logarithmique ; à droite, les pip_i).

Quatre styles

Les affiches

La même formule, le même dessin calculé, en Papier, Nuit, Bauhaus ou Tableau noir. En affiche, toile, plexiglas ou aluminium.

Ce que dit la formule

Soit XX une variable aléatoire qui prend un nombre fini de valeurs x1,x2,…,xnx_1, x_2, \ldots, x_n, avec les probabilités p1,p2,…,pnp_1, p_2, \ldots, p_n : chaque pip_i est compris entre 0 et 1 et leur somme vaut 1. L’espérance de XX est le nombre

E(X)=∑ixipiE(X) = \sum_{i} x_i\, p_i
  • XX : la variable aléatoire, c’est-à-dire un nombre qui dépend du hasard (le résultat d’un dé, un gain à un jeu, un nombre de succès…).
  • xix_i : l’une des valeurs que XX peut prendre.
  • pi=P(X=xi)p_i = P(X = x_i) : la probabilité que XX prenne la valeur xix_i.
  • ∑i\sum_{i} : la somme portant sur toutes les valeurs possibles. Concrètement, E(X)=x1p1+x2p2+⋯+xnpnE(X) = x_1 p_1 + x_2 p_2 + \cdots + x_n p_n.

L’espérance est donc une moyenne pondérée : les valeurs probables pèsent beaucoup, les valeurs rares pèsent peu. Ce n’est pas forcément une valeur que XX peut prendre : l’espérance d’un dé vaut 3,5.

Au-delà du cas fini. Si XX prend une infinité dénombrable de valeurs, la même formule s’applique à condition que la série ∑i|xi|pi\sum_i |x_i|\, p_i converge ; si XX a une densité ff, on remplace la somme par une intégrale, E(X)=∫−∞+∞xf(x)dxE(X) = \int_{-\infty}^{+\infty} x\, f(x)\, \mathrm{d}x, à condition que ∫−∞+∞|x|f(x)dx\int_{-\infty}^{+\infty} |x|\, f(x)\, \mathrm{d}x soit finie. Sans cette condition, l’espérance peut ne pas exister : c’est le cas du jeu où l’on gagne 2k2^k euros avec la probabilité 2−k2^{-k} (k=1,2,3…k = 1, 2, 3\ldots), car chaque terme 2k×2−k2^k \times 2^{-k} vaut 1 et la somme est infinie.

Linéarité. Pour toutes variables XX et YY qui ont une espérance et tous nombres aa, bb, cc :

E(aX+bY+c)=aE(X)+bE(Y)+c.E(aX + bY + c) = a\,E(X) + b\,E(Y) + c.

Cette règle vaut même si XX et YY ne sont pas indépendantes. En revanche, E(XY)=E(X)E(Y)E(XY) = E(X)\,E(Y) n’est garanti que pour des variables indépendantes.

Un exemple

Un dé équilibré. Les valeurs 1 à 6 ont chacune la probabilité 16\frac{1}{6} :

E(X)=1+2+3+4+5+66=216=3,5.E(X) = \frac{1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6}{6} = \frac{21}{6} = 3{,}5.

La somme de deux dés. Sur les 36 issues équiprobables, la somme 2 apparaît 1 fois, 3 apparaît 2 fois, 4 apparaît 3 fois, 5 apparaît 4 fois, 6 apparaît 5 fois, 7 apparaît 6 fois, puis 8, 9, 10, 11 et 12 apparaissent 5, 4, 3, 2 et 1 fois.

  1. On multiplie chaque somme par son nombre d’apparitions : 2×1+3×2+4×3+⋯+12×1=2522 \times 1 + 3 \times 2 + 4 \times 3 + \cdots + 12 \times 1 = 252.
  2. On divise par 36 : E(X)=25236=7E(X) = \frac{252}{36} = 7.
  3. Vérification par la linéarité : la somme de deux dés a pour espérance 3,5+3,5=73{,}5 + 3{,}5 = 7. Le résultat est le même, sans aucun tableau.

Un jeu est-il équitable ? On lance un dé : avec un 6 on gagne 10 €, avec un 5 on gagne 2 €, sinon on perd 3 €. Le gain XX a pour espérance

E(X)=10×16+2×16+(−3)×46=10+2−126=0.E(X) = 10 \times \frac{1}{6} + 2 \times \frac{1}{6} + (-3) \times \frac{4}{6} = \frac{10 + 2 - 12}{6} = 0.

L’espérance est nulle : sur un grand nombre de parties, le joueur ne gagne ni ne perd en moyenne. On dit que le jeu est équitable. Une espérance négative signifie qu’à la longue le joueur perd de l’argent.

Pourquoi c’est vrai

La formule est une définition : il n’y a rien à démontrer sur elle-même. Ce qu’il faut justifier, c’est qu’elle mérite son nom de « moyenne à la longue ».

L’idée. Si l’on répète l’expérience NN fois, la valeur xix_i sort environ NpiN p_i fois. La moyenne des résultats vaut alors environ 1N∑ixi×Npi=∑ixipi\frac{1}{N}\sum_i x_i \times N p_i = \sum_i x_i\, p_i. Ce raisonnement n’est pas une démonstration, car « environ NpiN p_i fois » est justement ce qu’il faut établir.

Le résultat rigoureux est la loi des grands nombres : si X1,X2,…X_1, X_2, \ldots sont des variables indépendantes de même loi que XX et si E(X)E(X) existe, la moyenne X1+⋯+XNN\frac{X_1 + \cdots + X_N}{N} tend vers E(X)E(X) quand NN devient grand (la loi faible le dit au sens « avec une probabilité qui tend vers 1 », la loi forte au sens « presque sûrement »). Quand XX a en plus une variance finie, la loi faible se démontre en quelques lignes avec l’inégalité de Bienaymé-Tchebychev ; la démonstration générale dépasse le cadre de cette page.

La linéarité, elle, se démontre facilement dans le cas fini. Notons pijp_{ij} la probabilité que X=xiX = x_i et Y=yjY = y_j en même temps. Alors

E(X+Y)=∑i,j(xi+yj)pij=∑ixi∑jpij+∑jyj∑ipij=E(X)+E(Y),E(X + Y) = \sum_{i,j} (x_i + y_j)\, p_{ij} = \sum_i x_i \sum_j p_{ij} + \sum_j y_j \sum_i p_{ij} = E(X) + E(Y),

car ∑jpij=P(X=xi)\sum_j p_{ij} = P(X = x_i) et ∑ipij=P(Y=yj)\sum_i p_{ij} = P(Y = y_j). Aucune hypothèse d’indépendance n’a servi.

Les programmes de l’atelier vérifient ces propriétés par le calcul : espérances exactes du dé (7/2) et de la somme de deux dés (7) en fractions, linéarité sur 5 000 lois tirées au hasard, espérance npnp de la loi binomiale, et moyenne d’un million de lancers simulés de deux dés à moins de 0,01 de 7.

Un peu d’histoire

La notion naît des jeux de hasard au XVIIe siècle. En 1654, Blaise Pascal et Pierre de Fermat échangent des lettres sur le « problème des partis » : comment partager équitablement les mises d’une partie interrompue avant la fin ? La question avait été soumise à Pascal par le chevalier de Méré, et d’autres l’avaient déjà étudiée avant eux, comme Luca Pacioli à la fin du XVe siècle. Leur solution repose sur le principe que la part de chacun doit être proportionnelle à ses chances de gagner.

En 1657, le savant néerlandais Christiaan Huygens publie un court traité en latin, De ratiociniis in ludo aleae (« Du calcul dans les jeux de hasard »). Il y calcule ce qu’il appelle la valeur de la chance d’un joueur, qui correspond à notre espérance, et en donne les règles de calcul. Jacques Bernoulli démontre la première version de la loi des grands nombres dans Ars Conjectandi, publié en 1713, après sa mort ; Siméon Denis Poisson lui donne ce nom en 1837.

La même année 1713, Nicolas Bernoulli énonce le paradoxe de Saint-Pétersbourg, ce jeu dont l’espérance de gain est infinie alors que personne ne paierait une grosse somme pour y jouer.

Ce que montre l’affiche

Le dessin est calculé à partir de la formule. À droite, des barres horizontales donnent la loi de la somme de deux dés : leur longueur est la probabilité pip_i de chaque somme xix_i, de 2 à 12. À gauche, le programme simule six séries de 2 000 lancers de deux dés (tirages pseudo-aléatoires reproductibles) et trace, pour chacune, la moyenne des sommes obtenues après 1, 2, 3… lancers, avec le nombre de lancers en échelle logarithmique. Les courbes partent de valeurs dispersées et se resserrent autour de la droite E(X)=7E(X) = 7. L’affiche existe en quatre styles : Papier, Nuit, Bauhaus et Tableau noir.

Pour aller plus loin

Sources : Espérance mathématique (Wikipédia) (nouvel onglet), Expected value (Wikipedia) (nouvel onglet), Expectation Value (MathWorld) (nouvel onglet), Loi des grands nombres (Wikipédia) (nouvel onglet), Problem of points (Wikipedia) (nouvel onglet), Paradoxe de Saint-Pétersbourg (Wikipédia) (nouvel onglet).

Vérifiée par le calcul

Les contrôles de cette formule

Avant d'imprimer l'affiche, un programme met la formule à l'épreuve. Voici ce qu'il a calculé (dernier passage le 11 octobre 2026) ; si un seul de ces contrôles échouait, l'affiche ne serait pas produite. Notre méthode

  • un dé : E(X) = (1 + 2 + … + 6)/6 = 7/2 (calcul exact en fractions)7/2
  • somme de deux dés (36 issues énumérées) : probabilités de somme 1 et E(X) = 77
  • linéarité : E(somme de deux dés) = E(dé) + E(dé)
  • loi binomiale B(n, p) : Σ k P(X = k) = np (5 couples n, p)écart relatif maximal 1.55e-15
  • linéarité E(aX + bY + c) = aE(X) + bE(Y) + c sur 5 000 lois jointes tirées au hasardécart maximal 5.33e-15
  • les six séries du dessin : moyenne après 2000 lancers à moins de 4σ/√n = 0.216 de 76.976 ; 6.971 ; 7.029 ; 6.971 ; 7.051 ; 6.991
  • 1 000 000 de lancers : moyenne à moins de 0.0097 de 7moyenne 6.99783
  • contre-exemple : P(X = 2^k) = 2^(−k), k ≥ 1 ; la somme Σ x_i p_i diverge (sommes partielles = K)

Sources

Questions fréquentes

Comment calculer une espérance ?

On multiplie chaque valeur possible par sa probabilité, puis on additionne : E(X)=x1p1+x2p2+⋯+xnpnE(X) = x_1 p_1 + x_2 p_2 + \cdots + x_n p_n. Les probabilités doivent avoir une somme égale à 1.

Quelle est l’espérance d’un dé ?

Pour un dé équilibré à six faces, E(X)=1+2+⋯+66=3,5E(X) = \frac{1 + 2 + \cdots + 6}{6} = 3{,}5. Pour la somme de deux dés, elle vaut 7.

Quelle différence entre espérance et moyenne ?

La moyenne se calcule sur des résultats déjà observés ; l’espérance se calcule à partir des probabilités, avant toute expérience. La loi des grands nombres dit que la moyenne observée se rapproche de l’espérance quand le nombre d’essais augmente.

Que veut dire une espérance nulle ?

Pour un gain à un jeu, une espérance nulle signifie que le jeu est équitable : à la longue, le joueur ne gagne ni ne perd en moyenne. Une espérance négative signifie qu’il perd en moyenne.

L’espérance existe-t-elle toujours ?

Oui pour une variable qui prend un nombre fini de valeurs. Avec une infinité de valeurs possibles, la somme (ou l’intégrale) peut être infinie : c’est le cas du paradoxe de Saint-Pétersbourg ou de la loi de Cauchy.