Énoncé, prérequis et démonstration étape par étape
1. Énoncé du Théorème
Soit X une variable aléatoire réelle admettant une espérance μ = E[X] et une variance σ² = Var(X).
Inégalité de Bienaymé-Tchebychev :
Pour tout réel ε > 0 :
$$\mathbb{P}(|X - \mu| \ge \varepsilon) \le \frac{\mathbb{V}(X)}{\varepsilon^2}$$
Interprétation : L'inégalité de Bienaymé-Tchebychev est un résultat fondamental en théorie des probabilités. Elle permet de mesurer à quel point une variable aléatoire risque de « s'écarter » de sa valeur moyenne (son espérance).
Cette inégalité donne une borne supérieure à la probabilité qu'une variable aléatoire s'écarte de son espérance de plus d'une certaine valeur ε, en fonction de sa variance.
Sa force principale réside dans sa généralité : elle s'applique à n'importe quelle loi de probabilité (continue ou discrète), du moment que la variable possède une espérance et une variance finies.
2. Le Lemme Clé : L'Inégalité de Markov
Rappel (Inégalité de Markov) :
Soit Y une variable aléatoire positive ou nulle (P(Y ≥ 0) = 1) admettant une espérance. Alors pour tout réel a > 0 :
$$\mathbb{P}(Y \ge a) \le \frac{\mathbb{E}[Y]}{a}$$
3. Démonstration du Théorème
La démonstration repose sur un changement de variable judicieux permettant d'appliquer directement l'inégalité de Markov.
Étape 1 : Poser une variable aléatoire positive
Considérons la variable aléatoire :
$$Y = (X - \mu)^2$$
Par construction (un carré réel est toujours positif ou nul), Y ≥ 0.
Étape 2 : Équivalence des événements
Soit ε > 0. Remarquons que pour tout nombre réel, la valeur absolue est supérieure à ε si et seulement si son carré est supérieur à ε2 :
$$|X - \mu| \ge \varepsilon \iff (X - \mu)^2 \ge \varepsilon^2$$
Par conséquent, les probabilités de ces deux événements sont égales :
$$\mathbb{P}(|X - \mu| \ge \varepsilon) = \mathbb{P}\left((X - \mu)^2 \ge \varepsilon^2\right) = \mathbb{P}(Y \ge \varepsilon^2)$$
Étape 3 : Application de l'inégalité de Markov
Puisque Y ≥ 0 et ε² > 0, nous appliquons l'inégalité de Markov à la variable Y avec la constante a = ε2 :
$$\mathbb{P}(Y \ge \varepsilon^2) \le \frac{\mathbb{E}[Y]}{\varepsilon^2}$$
Étape 4 : Utilisation de la définition de la variance
Rappelons par définition que l'espérance du carré de l'écart à la moyenne est précisément la variance de X :
$$\mathbb{E}[Y] = \mathbb{E}\left[(X - \mu)^2\right] = \mathbb{V}(X)$$
Étape 5 : Conclusion
En réinjectant E[Y] = Var(X) dans l'inégalité obtenue à l'étape 3, on conclut :
$$\mathbb{P}(|X - \mu| \ge \varepsilon) \le \frac{\mathbb{V}(X)}{\varepsilon^2}$$
C.Q.F.D. (Ce qu'il fallait démontrer)
4. Forme Alternative (Écart-type)
Si l'on exprime la distance à la moyenne en nombre d'écarts-types, en posant ε = kσ avec k > 0 (la déformation est proportionnelle à la contrainte) :
Exemple : La probabilité qu'une variable s'écarte de plus de 3 écarts-types de sa moyenne est toujours inférieure ou égale à (1/3)2 11,1% quelle que soit la loi de probabilité sous-jacente.
Conclusion : 1/ Démonstration de la Loi Faible des Grands Nombres : C'est grâce à cette inégalité que l'on prouve formellement que la moyenne empirique d'un échantillon converge vers l'espérance théorique quand la taille de l'échantillon n tend vers l'infini.
2/ Contrôle sans hypothèse de loi : Quand on ne connaît pas la loi exacte d'un phénomène (si elle est normale, binomiale, Poisson, etc.), cette inégalité offre toujours une garantie minimale sur les risques de dérive.