Le bruit gaussien


Observer

Conséquence du théorème de la limite centrale

La superposition de plusieurs variables aléatoires indépendantes les unes des autres conduit à une loi normale. C'est l'une des conséquences du théorème de la limite centrale. L'animation ci-jointe en montre un exemple.

centralimite.gif
Addition de N\ (=\ 1,\ 2,\ 3 ,\ 10\mathrm{\ ou\ } 100) variables indépendantes, obéissant à une loi de distribution uniforme (entre 0 et 1). Lorsque N augmente, la distribution tend vers une loi gaussienne de moyenne N/2 et écart type \sqrt{N/2} (courbe rouge). Pour N=1, la distribution reste bien sûr uniforme, pour N=2 elle garde une allure triangulaire.
Crédit : ASM

Distribution gaussienne

Exemples de distributions gaussiennes.

courbegauss.png
Distributions de Gauss. Moyennes toutes nulles et écarts-types de 1 à 4.
Crédit : ASM

Bruit gaussien

Si un bruit est gaussien, la probabilité qu'il s'écarte de plus ou moins 3\sigma de la valeur moyenne est très faible. Cette propriété est mise à profit pour identifier le signal du bruit, mais ne marche que si le bruit est vraiment gaussien.

gauss.png
Bruit gaussien de moyenne nulle et d'écart-type 1. Peu de valeurs s'écartent de plus que \pm 3\ \sigma de la moyenne.
Crédit : ASM

Apprendre

prerequisPrérequis

Loi de probabilité ; éléments de statistique

Définition

Le théorème de la limite central implique qu'un bruit résultant de l'action indépendante de différents facteurs physiquesobéit à la loi de probabilité, dite loi normale :

f(x) \ = \ {1\over \sqrt{2\pi}\sigma}\ \exp \left[ -{(x-\mu)^2\over 2 \sigma^2} \right]

avec \mu la moyenne et \sigma l'écart-type. Un tel bruit est dit gaussien.

Écart à la moyenne

Pour une loi gaussienne, la probabilité d'observer un signal s'écartant de \pm n\ \sigma par rapport à la valeur moyenne décroît rapidement avec n ; 99.7 % des réalisations du signal s'écartent de moins de 3\ \sigma de la moyenne.

n 1 2 3 4
% 69.295.499.799.99

Probabilité d'avoir une valeur dans l'intervalle [-n\ \sigma, \ n \ \sigma] pour un bruit gaussien.

Détection d'un signal ?

De ce qui précède, peut-on dire qu'un événement qui s'écarte de plus de 3\ \sigma de la moyenne est sûrement dû à un signal et non à un bruit, et l'identifier comme tel ?

On considère une détection sûre lorsqu'elle dépasse un seuil de 4 ou 5 fois l'écart-type. Mais, la difficulté réside souvent dans le fait que la nature d'un bruit n'est pas exactement gaussienne, ou que des signaux parasites non identifiés compliquent l'interprétation d'un signal.

Analyse en fréquence d'un bruit gaussien

L'analyse fréquentielle d'un bruit gaussien ne montre aucune composante privilégiée. Pour cette raison, on parle d'un bruit blanc.

bruit1fspectre.png
Les spectres de puissance de différents types de bruits : bruit instrumental en bleu foncé, bruit gaussienn en bleu clair. Le spectre du bruit gaussien ne présente pas de fréquence privilégiée, contrairement au bruit instrumental.
Crédit : ASM

Simuler

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Marche au hasard à partir d'un point fixe. Le cercle mesure l'évolution moyenne, qui varie comme la racine carrée du nombre de pas effectués. La couleur code l'évolution temporelle.
Crédit : ASM

Marche au hasard

L'ivrogne et son lampadaire sont des acolytes précieux du physicien statisticien. L'ivrogne est supposé partir du lampadaire et accomplir un certain nombre de pas par unité de temps, mais dans n'importe quelle direction.

Au bout de N pas, il se sera éloigné du lampadaire d'une distance moyenne de \sqrt{N}.

application.png

Identification d'un niveau de bruit

A l'aide de l'appliquette, estimer le niveau de bruit affectant cette image de Jupiter dans l'infrarouge thermique. L'exprimer en fonction du niveau maximal du signal (conseil : faire une coupe non sur la planète mais sur le fond de ciel).

solutionbruit.png
Une coupe sur le ciel seul montre un niveau d'offset aux alentours de 18 à 20, et un niveau de bruit entre 10 et 26. En supposant que le bruit est gaussien, on voit ses variations essentiellement à \pm 3\ \sigma. On en déduit un niveau de bruit de l'ordre de 16/6=2.7. Le signal moyen étant d'environ 200, le rapport signal à bruit est voisin de 75.
Crédit : ASM

Solution


S'exercer

quelbruit.png
Quatre signaux : bruits gaussiens ou non ?
Crédit : ASM

qcmQCM

1)  Parmi les figures ci-jointes, laquelle peut correspondre à un bruit purement gaussien ?




2)  Un bruit gaussien de moyenne 0 et écart-type 1 est-il uniformément distribué en -1 et 1 ?



Réponses aux QCM

pages_bruit-gaussien/bruit-gaussien-sexercer.html

QCM