Oui, “l’espérance est un opérateur linéaire”. On n’arrête pas d’insister sur cette propriété dans la plupart des cours de probabilité. En fait, je pense que cette propriété a deux implications importantes. La première est que l’on interprète souvent cette phrase en disant que si  intégrable, alors pour tout  et , . La conséquence de cette propriété (qui est juste) est que  dès lors que la transformation n’est pas linéaire (ou au moins, il n’y a aucune raison pour qu’il y ait égalité).

Mais cette linéarité dit davantage. Elle dit que pour toutes variables aléatoires et  (définies sur le même espace), , pour tout  et . Et ça c’est fort. En particulier, on ne dit pas qu’il faut que  et  sont des variables indépendantes. Car cette propriété est valide quelle que soit la dépendance qui pourrait exister entre  et .

Pourtant @Arnaud (qui passe souvent à l’occasion sur le blog) m’a laissé un couple de questions par courriel: “la dépendance modifie-t-elle la moyenne ?[…] sur des exemples simples en R, la moyenne est toujours perturbée”. L’idée était que les espérances étaient approchées numériquement par simulation. Or les méthodes de Monte Carlo reposent sur la loi des grands nombres et sur le théorème central limite. En particulier, si , et que l’on simule les couples , alors

i.e. la vitesse de convergence est affectée par la dépendance, pas la valeur vers laquelle on va tendre (car la moyenne tend vers l’espérance, qui est linéaire). En particulier, la convergence sera d’autant plus lente que  sera grande. Donc effectivement, l’approximation pourrait être relativement mauvaise si on est sur des couples présentant une forte dépendance.

Par exemple, si on s’amuse à simuler 100 couples  Gaussiens, avec

on a les valeurs suivantes pour la moyenne de ce couple (obtenu en générant 10,000 échantillons de 100 paires), avec en abscisse la corrélation entre les deuxvariables

le trait rouge est la moyenne empirique des moyennes obtenues, et les régions sont délimitées par les quantiles à 5% (et 95%), 10% (et 90%) et 25% (et 75%). En moyenne, les simulations donnent la même chose, peu importe la dépendance. Mais plus la dépendance est forte, plus la variance sera grande, et plus la convergence sera lente (et les simulations auront d’autant plus tendance à s’éloigner – ou se disperser autour – de la vraie valeur). Mais cette réponse est partielle, car on a supposé que la variance était finie. Or cette hypothèse n’est pas nécessaire pour assurer la convergence de la moyenne vers l’espérance (et donc pour utiliser des méthodes de simulations). Que se passerait-il avec des lois de variance infinie ?

Pour autre chose que les vecteurs Gaussiens (par exemple des variables de variance infinie, comme des lois de Pareto) on peut utiliser le code suivant (on continue pour l’instant à utiliser une copule Gaussienne),

library(mnormt)
library(copula)
library(evir)
set.seed(1)
ns=100
R=seq(-.95,.95,by=.05)
M=BINF1=BSUP1=rep(NA,length(R))
for(i in 1:length(R)){
r=R[i]
norm.cop = normalCopula(r, dim = 2)
S=rep(NA,20000)
for(j in 1:20000){
U=rcopula(norm.cop,ns)
X=cbind(qgpd(U[,1], .7 ,1),qgpd(U[,2], .5 ,1))
S[j]=mean(X[,1]+X[,2])}
BINF1[i]=quantile(S,.05)
BSUP1[i]=quantile(S,.95)
M[i]=mean(S)
}
plot(R,M,col="white",ylim=range(c(BINF1,BSUP1)))
polygon(c(R,rev(R)),c(BINF1,rev(BSUP1)),
col="light yellow",border=NA)
lines(R,BINF1,lty=2)
lines(R,BSUP1,lty=2)
lines(R,M,lwd=2,col="red")
esperance=1+1/(1-.7)+1+1/(1-.5)
segments(min(R),esperance,max(R),esperance,col="blue")

Sur cette somme de deux lois de Pareto (comme dans le code ci-dessus), on obtient numériquement

Autrement dit, ici, l’effet dépendance semble avoir un impact plus faible sur l’approximation de la moyenne. On peut aussi essayer de changer la copule, par exemple mettre une copule de type Clayton (avec en abscisse cette fois le tau de Kendall),

(qui présente de la dépendance dans la queue inférieure) ou la copule duale (qui présente de la dépendance dans la queue supérieure)

Bref, la structure de la dépendance ne semble pas trop changer l’estimation de la moyenne (ou plutôt la vitesse de la convergence). On peut aussi se demander s’il y a un effet dimension. Par exemple, si au lieu de simuler des couples, on simule des vecteurs de plus grande taille. Par exemple, un vecteur échangeable en dimension 10, avec des marges normales centrées réduites,

norm.cop =normalCopula(r, dim = 10,dispstr="ex")

Moralité ? effectivement, la dépendance a un impact sur la vitesse de convergence quand on travaille sur des vecteurs aléatoires. Mais de manière assez surprenante, c’est surtout le cas pour la loi normale. Et étrangement, cet impact ne semble pas lié à de la dépendance extrême, ou à la dimension…