Définir une variable aléatoire, sa loi, son espérance et sa variance.
MathématiquesTerminaleChapitre 14 / 19⏱ 10 h
Ce que tu sauras faire à la fin
Déterminer la loi d'une variable aléatoire
Calculer espérance et variance
Reconnaître et exploiter une loi binomiale
Tu as déjà rencontré le hasard en calculant des probabilités : la probabilité qu'un dé tombe sur un six, qu'une carte tirée soit un roi, qu'une pièce de contrôle soit défectueuse. Mais dans la vraie vie, ce qui t'intéresse rarement, c'est l'issue elle-même — c'est plutôt le nombre qui lui est associé : le gain d'un jeu, le nombre de pièces défectueuses dans un lot, le nombre de tentatives avant un premier succès, le nombre de patients positifs à un test de dépistage du paludisme. Ce chapitre te donne les outils pour transformer une expérience aléatoire en un objet mathématique manipulable : la variable aléatoire.
Tu savais calculer P(A) pour un évènement A. Tu vas maintenant apprendre à décrire, d'un seul coup, toutes les valeurs numériques possibles d'une expérience et leurs probabilités respectives : c'est la loi de probabilité d'une variable aléatoire. Tu sauras ensuite en résumer l'essentiel par deux nombres : l'espéranceE(X), qui donne la valeur moyenne obtenue sur un très grand nombre de répétitions, et la varianceV(X), qui mesure la dispersion des valeurs autour de cette moyenne.
Le cœur du chapitre est un schéma qui revient sans cesse dans la vie réelle et au baccalauréat : répéter plusieurs fois, de façon identique et indépendante, une même épreuve à deux issues (succès/échec). C'est le schéma de Bernoulli, et la variable aléatoire « nombre de succès » qu'il engendre suit une loi binomiale — une des lois les plus utiles de toutes les mathématiques appliquées, du contrôle qualité en usine aux sondages, en passant par les tests médicaux.
Chaque notion sera justifiée pas à pas — la formule de la variance, dite de König-Huygens, sera démontrée ; la formule de la loi binomiale sera justifiée par un arbre — et illustrée par des situations concrètes : jeux de hasard, contrôle qualité, dépistage médical, transports urbains à Dakar. Prends le temps de construire chaque arbre toi-même sur ton brouillon : c'est le meilleur moyen de rendre ces formules évidentes plutôt qu'à apprendre par cœur.
1Variable aléatoire et loi de probabilité
Définition — Variable aléatoire
Soit une expérience aléatoire dont l'univers des issues est Ω. Une variable aléatoireX est une fonction qui, à chaque issue ω de Ω, associe un nombre réelX(ω).
Lorsque l'ensemble des valeurs prises par X, noté X(Ω), est fini, on dit que X est une variable aléatoire discrète — c'est le seul type étudié dans ce chapitre.
On note (X=xi) l'évènement « X prend la valeur xi », c'est-à-dire l'ensemble des issues ω telles que X(ω)=xi.
Définition — Loi de probabilité
La loi de probabilité de X est la donnée, pour chaque valeur xi de X(Ω)={x1,x2,…,xn}, de la probabilité pi=P(X=xi). On la présente sous forme d'un tableau :
xi
x1
x2
⋯
xn
P(X=xi)
p1
p2
⋯
pn
Propriété
Les évènements (X=x1),(X=x2),…,(X=xn) forment une partition de l'univers : deux à deux incompatibles, de réunion Ω. Il en résulte :
i=1∑npi=p1+p2+⋯+pn=1
Cette égalité est le meilleur moyen de vérifier une loi de probabilité que tu viens de calculer.
Méthode — Déterminer la loi de probabilité d'une variable aléatoire
1. Décrire précisément l'expérience et lister toutes les valeurs possibles de X (l'univers image X(Ω)), sans en oublier ni en répéter.
2. Pour chaque valeur xi, revenir à l'expérience et calculer P(X=xi) (dénombrement, arbre, propriétés des probabilités).
3. Présenter le résultat dans un tableau, et toujours vérifier que la somme des probabilités vaut 1.
Exemple — Loi de probabilité d'un gain
Une urne contient 10 boules indiscernables au toucher : 5 rouges, 3 vertes et 2 jaunes. On tire une boule au hasard. Une boule rouge fait perdre 2000 F CFA, une boule verte fait gagner 1000 F CFA, une boule jaune fait gagner 4000 F CFA. Soit X le gain algébrique du joueur.
L'univers image est X(Ω)={−2000;1000;4000}. L'équiprobabilité des boules donne :
P(X=−2000)=105=0,55 boules rouges sur 10
P(X=1000)=103=0,33 boules vertes sur 10
P(X=4000)=102=0,22 boules jaunes sur 10
xi
−2000
1000
4000
P(X=xi)
0,5
0,3
0,2
Vérification : 0,5+0,3+0,2=1. La loi est correcte.
Figure 1 — Diagramme en bâtons de la loi de probabilité de X, le gain algébrique (en F CFA) d'un tirage dans l'urne : un bâton par valeur prise, de hauteur égale à la probabilité.
Cet exemple de l'urne va nous accompagner dans les deux premières sections : nous y calculerons l'espérance, la variance, puis nous nous demanderons à quel prix de participation ce jeu deviendrait équitable.
1.1 Fonction de répartition
Définition — Fonction de répartition
La fonction de répartition de X est la fonction F définie sur R par :
F(x)=P(X⩽x)
Pour l'obtenir en un réel x, on additionne les probabilités pi de toutes les valeurs xi⩽x.
Propriété
constante par morceaux, en forme d'« escalier » : elle ne change de valeur qu'aux points xi, où elle « saute » de pi ;
croissante au sens large sur R ;
nulle pour x strictement inférieur à la plus petite valeur de X, et égale à 1 dès que x est supérieur ou égal à la plus grande valeur.
Exemple — Fonction de répartition du gain X
Reprenons la loi de X : P(X=−2000)=0,5, P(X=1000)=0,3, P(X=4000)=0,2.
pour x<−2000 : F(x)=0
pour −2000⩽x<1000 : F(x)=0,5
pour 1000⩽x<4000 : F(x)=0,5+0,3=0,8
pour x⩾4000 : F(x)=0,8+0,2=1
Figure 2 — Fonction de répartition en escalier de X : un point plein marque la valeur incluse (F est continue à droite), un point creux la valeur exclue.
Attention
F(x) est la probabilité de l'évènement X⩽x, pasX=x ! Au bac, on te demandera parfois P(X<x), P(X⩾x) ou P(a<X⩽b) : ramène-toi toujours à F, par exemple P(a<X⩽b)=F(b)−F(a), et méfie-toi des inégalités strictes face à une variable discrète (une inégalité stricte peut « perdre » ou « garder » une valeur entière).
2Espérance, variance, écart type
Définition — Espérance mathématique
Soit X une variable aléatoire discrète de loi P(X=xi)=pi pour i=1,…,n. L'espérance mathématique de X est le nombre :
E(X)=i=1∑npixi=p1x1+p2x2+⋯+pnxn
E(X) s'interprète comme la valeur moyenne que prend X lorsqu'on répète l'expérience un très grand nombre de fois : une moyenne des valeurs xi, pondérée par leurs probabilités.
Exemple — Espérance du gain X
E(X)=(−2000)×0,5+1000×0,3+4000×0,2
=−1000+300+800
=100
En moyenne, sur un très grand nombre de parties, chaque partie rapporte 100 F CFA au joueur : le jeu lui est favorable.
Propriété — Jeu équitable
Si la participation à un jeu coûte c francs et que le gain algébrique est X, le gain net du joueur est X−c. Le jeu est dit équitable lorsque E(X−c)=0, c'est-à-dire lorsque c=E(X) : le prix d'entrée compense exactement le gain moyen.
Exemple — Rendre le jeu équitable
Dans l'exemple de l'urne, E(X)=100. Si l'organisateur fait payer un ticket 100 F CFA, le jeu devient équitable. En dessous de 100 F CFA, le jeu est favorable au joueur ; au-dessus, il lui est défavorable.
Math & Co — La naissance de l'espérance
En 1654, le chevalier de Méré, joueur passionné, soumet à Blaise Pascal un problème de partage des mises lorsqu'une partie de dés est interrompue avant son terme (le « problème des partis »). Pascal en discute par lettres avec Pierre de Fermat : cette correspondance invente la notion de valeur moyenne attendue d'un jeu.
C'est le savant hollandais Christiaan Huygens qui, en 1657, publie le premier traité imprimé sur le sujet, De ratiociniis in ludo aleae (« Du calcul dans les jeux de hasard »), et y définit formellement ce que nous appelons aujourd'hui l'espérance mathématique.
2.1 Variance et écart-type : la formule de König-Huygens
Définition — Variance et écart-type
La variance de X mesure la dispersion des valeurs de X autour de E(X) :
V(X)=i=1∑npi(xi−E(X))2=E[(X−E(X))2]
L'écart-type est σ(X)=V(X) : il se lit dans la même unité que X, contrairement à la variance.
Théorème — Formule de König-Huygens
Pour toute variable aléatoire discrète X :
V(X)=E(X2)−(E(X))2
où E(X2)=i=1∑npixi2.
Démonstration
On part de la définition de la variance et on développe le carré, en utilisant la linéarité de l'espérance — E(aY+b)=aE(Y)+b — et le fait que E(X) est un nombre, donc une constante vis-à-vis de l'espérance.
=E(X2)−2E(X)×E(X)+(E(X))2linéarité de l'espérance ; E(X) est constant
=E(X2)−2(E(X))2+(E(X))2
=E(X2)−(E(X))2
C.Q.F.D. En pratique, cette seconde formule est presque toujours plus rapide : elle évite de recalculer chaque écart xi−E(X).
Exemple — Variance et écart-type du gain X
E(X2)=(−2000)2×0,5+10002×0,3+40002×0,2
=4000000×0,5+1000000×0,3+16000000×0,2
=2000000+300000+3200000
=5500000
V(X)=E(X2)−(E(X))2=5500000−1002
=5500000−10000
=5490000
σ(X)=5490000
≈2343,1 F CFA
Le gain moyen est de 100 F CFA, mais avec un écart-type énorme (2343 F CFA) : ce jeu est très irrégulier, ce que la seule espérance ne montrait pas.
Attention
La variance est toujours positive ou nulle (une somme de carrés pondérée par des probabilités positives). Si un calcul te donne V(X)<0, c'est qu'il y a une erreur — le piège classique est d'oublier le carré sur E(X) dans la formule de König-Huygens.
2.2 Propriétés de l'espérance et de la variance
Propriété — Linéarité de l'espérance, comportement de la variance
Pour toute variable aléatoire discrète X et tous réels a, b :
E(aX+b)=aE(X)+bV(aX+b)=a2V(X)σ(aX+b)=∣a∣σ(X)
Démonstration (première formule)
E(aX+b)=i=1∑npi(axi+b)
=ai=1∑npixi+bi=1∑npi
=aE(X)+b×1∑pi=1
=aE(X)+b
La formule V(aX+b)=a2V(X) se démontre de même à partir de aX+b−(aE(X)+b)=a(X−E(X)) : ajouter une constante b ne change pas la dispersion, et multiplier par a multiplie les écarts par a, donc la variance — un carré — par a2.
Exemple — Changement d'unité
Reprenons X (gain en F CFA), avec E(X)=100 et V(X)=5490000. On note Y=X−100 le gain net si le ticket coûte 100 F CFA.
E(Y)=E(X)−100=100−100
=0le jeu est bien équitable
V(Y)=V(X−100)=12×V(X)
=5490000une translation ne change pas la dispersion
3Schéma de Bernoulli et loi binomiale
Définition — Épreuve de Bernoulli
Une épreuve de Bernoulli de paramètre p est une expérience à deux issues seulement : succès (probabilité p) et échec (probabilité 1−p, souvent notée q).
La variable X qui vaut 1 en cas de succès et 0 en cas d'échec suit la loi de BernoulliB(p) : P(X=1)=p, P(X=0)=1−p. On vérifie que E(X)=p et V(X)=p(1−p).
Définition — Schéma de Bernoulli
Un schéma de Bernoulli de paramètres n et p consiste à répéter n fois, de façon identique et indépendante, une même épreuve de Bernoulli de paramètre p.
La variable aléatoire X égale au nombre de succès obtenus sur les n répétitions suit la loi binomiale de paramètres n et p, notée X∼B(n;p), et X(Ω)={0,1,2,…,n}.
Méthode — Reconnaître un schéma de Bernoulli
Vérifie les quatre conditions : 1. deux issues seulement (succès/échec) ; 2. un nombre fixen de répétitions ; 3. des répétitions indépendantes ; 4. une probabilité de succès pconstante.
Un tirage avec remise, ou sans remise dans une population très grande (assimilable à un tirage avec remise), vérifie ces conditions.
Math & Co — Jacques Bernoulli et la loi des grands nombres
Le mathématicien suisse Jacques Bernoulli (1654-1705), de la célèbre famille de savants bâlois, travaille près de vingt ans sur un traité resté inachevé à sa mort : l'Ars Conjectandi (« L'art de conjecturer »), publié par son neveu Nicolas en 1713. Il y étudie systématiquement les répétitions d'épreuves à deux issues — le schéma qui porte aujourd'hui son nom — et y démontre la première version de la loi des grands nombres : plus on répète une épreuve, plus la fréquence des succès se rapproche de p.
3.1 L'arbre pondéré et la formule de la loi binomiale
Pour comprendre d'où vient la formule de la loi binomiale, construisons l'arbre pondéré complet d'un schéma de Bernoulli à n=3 épreuves. Un basketteur tente 3 lancers francs indépendants ; il réussit chaque tir avec la probabilité p=0,4. Soit X le nombre de paniers réussis.
Figure 3 — Arbre pondéré complet du schéma de Bernoulli à 3 épreuves indépendantes (p=0,4) : les 8 chemins se regroupent en 4 valeurs de X, ce qui justifie la formule de la loi binomiale.
Démonstration — Formule générale de la loi binomiale
Sur l'arbre, chaque chemin de la racine à une feuille correspond à une issue précise (par exemple S, S, E). Le long d'un chemin, on multiplie les probabilités rencontrées (indépendance des épreuves) : un chemin comportant exactement k succès et n−k échecs a pour probabilité :
k foisp×⋯×p×n−k fois(1−p)×⋯×(1−p)=pk(1−p)n−k
Tous les chemins ayant k succès ont la même probabilité pk(1−p)n−k, quel que soit l'ordre des succès. Pour obtenir P(X=k), il faut additionner les probabilités de tous ces chemins — donc compter combien il y en a. Choisir un chemin à k succès parmi n épreuves revient à choisir les k rangs, parmi les n, où placer les succès : il y a exactement (kn) façons de le faire. D'où :
P(X=k)=(kn)pk(1−p)n−k
Théorème — Loi binomiale
Si X∼B(n;p), alors pour tout entier k tel que 0⩽k⩽n :
P(X=k)=(kn)pk(1−p)n−kavec(kn)=k!(n−k)!n!
Le nombre (kn) (« k parmi n », aussi noté Cnk) se lit directement à la calculatrice ou au triangle de Pascal.
Exemple — Retrouver la loi de X sur l'arbre
Vérifions la formule pour k=2 (exactement 2 paniers sur 3) : les chemins SSE, SES, ESS ont chacun pour probabilité 0,42×0,6=0,096, et il y en a (23)=3.
P(X=2)=(23)×0,42×0,61
=3×0,16×0,6
=0,288
On obtient de même toute la loi de X :
k
0
1
2
3
P(X=k)
0,216
0,432
0,288
0,064
Vérification : 0,216+0,432+0,288+0,064=1.
4Espérance et variance de la loi binomiale
Théorème
Si X∼B(n;p), alors :
E(X)=npV(X)=np(1−p)σ(X)=np(1−p)
Démonstration
L'idée clé est d'écrire X comme une somme de variables de Bernoulli. Notons Xi la variable qui vaut 1 si la i-ième épreuve est un succès, 0 sinon : chaque Xi suit la loi B(p), et X=X1+X2+⋯+Xn (le nombre total de succès est la somme des succès à chaque épreuve).
E(X)=E(X1)+E(X2)+⋯+E(Xn)linéarité de l'espérance — vraie même sans indépendance
=n termesp+p+⋯+pE(Xi)=p pour chaque i
=np
Pour la variance, on admet la propriété suivante (vue en cours) : si des variables aléatoires sont indépendantes, la variance de leur somme est la somme de leurs variances — les fluctuations indépendantes ne se compensent pas, elles s'accumulent.
V(X)=V(X1)+V(X2)+⋯+V(Xn)indépendance des épreuves (propriété admise)
=n termesp(1−p)+⋯+p(1−p)V(Xi)=p(1−p) pour la loi de Bernoulli
=np(1−p)
Figure 4 — Diagrammes en bâtons de B(10;0,2), B(10;0,5) et B(10;0,8) : la loi est centrée en np (2, 5 et 8), symétrique seulement pour p=0,5.
Méthode — Utiliser la calculatrice pour une loi binomiale
Pour X∼B(n;p) : sur Casio (menu STAT ou DIST), BinomialPD(k, n, p) donne P(X=k) et BinomialCD(k, n, p) donne P(X⩽k) ; sur TI (menu DISTR), ce sont binomFdp(n,p,k) et binomFRép(n,p,k). Toujours vérifier que le résultat est cohérent avec E(X)=np avant de le recopier.
Exemple — Contrôle qualité
Dans un atelier, 20% des pièces produites sont défectueuses. On prélève 10 pièces au hasard dans une très grande production (schéma de Bernoulli, n=10, p=0,2). Soit X le nombre de pièces défectueuses.
E(X)=np=10×0,2=2
V(X)=np(1−p)=10×0,2×0,8=1,6
σ(X)=1,6≈1,26
On s'attend donc, en moyenne, à 2 pièces défectueuses sur 10, avec une dispersion typique d'environ 1,3 pièce. Cet exemple sera repris et approfondi en section 6.
5Loi uniforme discrète
Définition — Loi uniforme discrète
Une variable aléatoire X à valeurs dans {1,2,…,n} suit la loi uniforme discrète sur {1,…,n} lorsque toutes les valeurs sont équiprobables :
P(X=k)=n1pour tout k∈{1,…,n}
C'est la loi du résultat d'un dé équilibré, d'un tirage au sort équitable parmi n personnes, d'un numéro pris au hasard dans une liste.
Démonstration — Espérance et variance
On utilise la formule connue 12+22+⋯+n2=6n(n+1)(2n+1).
E(X)=n1(1+2+⋯+n)=n1×2n(n+1)
=2n+1
E(X2)=n1(12+⋯+n2)=n1×6n(n+1)(2n+1)
=6(n+1)(2n+1)
V(X)=E(X2)−(E(X))2=6(n+1)(2n+1)−4(n+1)2
=(n+1)[122(2n+1)−3(n+1)]mise au même dénominateur 12
=(n+1)×12n−1
=12n2−1
Exemple — Dé cubique équilibré
X = numéro obtenu, n=6.
E(X)=26+1=3,5
V(X)=1262−1=1235≈2,92
σ(X)≈1,71
5.1 Loi géométrique : le temps d'attente du premier succès
Définition — Loi géométrique
Dans une répétition indéfinie et indépendante d'épreuves de Bernoulli de paramètre p, soit X le rang de la première épreuve où survient un succès. X suit la loi géométrique de paramètre p, et X(Ω)={1,2,3,…} :
P(X=k)=(1−p)k−1ppour tout entier k⩾1
Justification : (X=k) signifie « échec, échec, …, échec (k−1 fois), puis succès » ; par indépendance, on multiplie les probabilités : (1−p)k−1×p.
Attention
Contrairement à la loi binomiale, la loi géométrique commence à k=1, jamais à k=0 (il faut au moins une épreuve pour espérer un succès). Un oubli fréquent au bac.
Démonstration — E(X)=p1
On raisonne sur la première épreuve. Avec probabilité p, elle est un succès et X=1. Avec probabilité 1−p, elle est un échec : tout se passe alors comme si l'on repartait de zéro, et il faudra en moyenne1+E(X) épreuves en tout (l'épreuve ratée, plus une nouvelle attente de même espérance E(X), par indépendance).
E(X)=p×1+(1−p)×(1+E(X))
=p+(1−p)+(1−p)E(X)
=1+(1−p)E(X)
⇒E(X)−(1−p)E(X)=1
⇒pE(X)=1
⇒E(X)=p1
On admet de même que V(X)=p21−p.
Exemple — Attendre un premier six
On lance un dé équilibré jusqu'à obtenir un 6 (p=61). Soit X le rang du premier 6.
P(X=1)=61≈0,167
P(X=2)=65×61=365≈0,139
P(X=3)=(65)2×61=21625≈0,116
E(X)=1/61=6
Il faut attendre, en moyenne, 6 lancers pour voir apparaître un premier 6 — un résultat qui coïncide avec l'intuition (« un six sur six lancers »), mais que seule la formule démontre rigoureusement.
6Applications aux jeux et aux contrôles de qualité
Cette dernière section de cours rassemble, sur des situations complètement traitées, les trois lois du chapitre : loi quelconque, loi binomiale, loi géométrique. Elles sont représentatives des problèmes que tu rencontreras en exercice et au baccalauréat.
Exemple — Un jeu de fléchettes
Un joueur, dont la probabilité de toucher la cible à chaque lancer est p=0,3, tire 5 fléchettes indépendantes. Il gagne 1000 F CFA par fléchette touchée. Soit X le nombre de fléchettes touchées et G=1000X le gain.
X∼B(5;0,3)4 conditions du schéma de Bernoulli vérifiées
E(X)=5×0,3=1,5
E(G)=1000×E(X)=1000×1,5E(aX)=aE(X)
=1500 F CFA
Si l'entrée au jeu coûte 1500 F CFA, il est équitable.
Exemple — Acceptation d'un lot en contrôle qualité
On reprend l'atelier où 20% des pièces sont défectueuses (X∼B(10;0,2)). Le lot de 10 pièces est accepté si X⩽1, et refusé sinon.
P(lot accepteˊ)=P(X=0)+P(X=1)
=(010)0,200,810+(110)0,210,89
=0,1074+0,2684
=0,3758
Un peu plus d'un lot sur trois est accepté par ce plan de contrôle (37,6%) : c'est cette probabilité qu'un contrôleur qualité doit ajuster en modifiant le seuil d'acceptation ou la taille de l'échantillon.
Attention — L'astuce du complémentaire
Pour calculer P(X⩾1) (« au moins un succès »), ne calcule jamaisP(X=1)+P(X=2)+⋯+P(X=n) terme à terme : passe systématiquement par le complémentaire, P(X⩾1)=1−P(X=0), beaucoup plus rapide et beaucoup plus sûr.
Exemple — Dépistage du paludisme
Dans une zone où 10% de la population est porteuse du paludisme, un agent de santé teste 8 personnes prises au hasard dans cette population (assez grande pour un schéma de Bernoulli). Soit X le nombre de personnes infectées parmi les 8 : X∼B(8;0,1).
P(X=0)=0,98
=0,4305
P(X⩾1)=1−P(X=0)
=1−0,4305
=0,5695
Il y a donc environ 57% de chances qu'au moins une personne infectée figure dans cet échantillon de 8 — une information essentielle pour dimensionner une campagne de dépistage.
Exemple — Bus à l'heure à Dakar
Sur une ligne de bus très fréquentée à Dakar, un bus donné arrive à l'heure avec une probabilité p=0,7, indépendamment d'un jour à l'autre. Fatou observe la ligne chaque matin jusqu'au premier jour où le bus est à l'heure. Soit X le rang de ce premier jour : X suit la loi géométrique de paramètre p=0,7.
P(X=1)=0,7
P(X=2)=0,3×0,7=0,21
E(X)=0,71≈1,43
Fatou attend, en moyenne, moins de deux jours avant de tomber sur un bus ponctuel.
Math & Co — Le contrôle qualité par les probabilités
En 1924, l'ingénieur américain Walter Shewhart, employé des laboratoires Bell, invente la carte de contrôle : au lieu de vérifier chaque pièce produite une par une, on prélève des échantillons et l'on utilise les lois de probabilité — dont la loi binomiale — pour décider statistiquement si une chaîne de production dérive. Cette idée fonde l'industrie moderne du contrôle qualité, aujourd'hui utilisée de l'aéronautique à l'agroalimentaire, y compris dans de nombreuses usines et coopératives d'Afrique de l'Ouest.
Fiche mémo
Loi de probabilité : ∑pi=1 ; fonction de répartition F(x)=P(X⩽x), en escalier, continue à droite.
Espérance : E(X)=∑pixi (valeur moyenne). Jeu équitable ⟺ prix c=E(X).
Schéma de Bernoulli : 2 issues, n fixe, répétitions indépendantes, p constant.
Loi binomiale B(n;p) : P(X=k)=(kn)pk(1−p)n−k, pour 0⩽k⩽n.
E(X)=np ; V(X)=np(1−p) pour X∼B(n;p).
Loi uniforme sur {1,…,n} : P(X=k)=n1 ; E(X)=2n+1 ; V(X)=12n2−1.
Loi géométrique de paramètre p : P(X=k)=(1−p)k−1p pour k⩾1 ; E(X)=p1.
Astuce incontournable : P(X⩾1)=1−P(X=0) (passage au complémentaire).
À la calculatrice : BinomialPD/binomFdp pour P(X=k), BinomialCD/binomFRép pour P(X⩽k).
7Exercices corrigés
Niveau 1 — Application directe
1
Une variable aléatoire X a pour loi de probabilité : P(X=−1)=0,2 ; P(X=0)=0,35 ; P(X=1)=a ; P(X=2)=0,15. Détermine a.
Voir le corrigé détaillé
0,2+0,35+a+0,15=1somme des probabilités égale à 1
⇒0,7+a=1
⇒a=0,3
2
X a pour loi : P(X=0)=0,4 ; P(X=1)=0,4 ; P(X=2)=0,2. Calcule E(X), puis V(X) par la formule de König-Huygens.
Voir le corrigé détaillé
E(X)=0×0,4+1×0,4+2×0,2
=0,8
E(X2)=02×0,4+12×0,4+22×0,2
=0,4+0,8
=1,2
V(X)=E(X2)−(E(X))2=1,2−0,82
=1,2−0,64
=0,56
3
On reprend la loi de X de l'exercice précédent. Calcule F(0,5), F(1), F(1,9) et F(3), où F est la fonction de répartition de X.
Voir le corrigé détaillé
F(0,5)=P(X⩽0,5)=P(X=0)
=0,4
F(1)=P(X=0)+P(X=1)=0,4+0,4
=0,8
F(1,9)=P(X⩽1,9)=P(X=0)+P(X=1)2>1,9 donc X=2 n'est pas comptée
=0,8
F(3)=P(X⩽3)=13 est supérieur à la plus grande valeur de X
4
On lance 6 fois une pièce équilibrée. X = nombre de « Pile » obtenus. a) Justifie que X suit une loi binomiale et donne ses paramètres. b) Calcule P(X=4).
Voir le corrigé détaillé
a) Les 6 lancers sont identiques et indépendants, à deux issues (Pile/Face) de probabilité constante p=0,5 : c'est un schéma de Bernoulli, donc X∼B(6;0,5).
b)
P(X=4)=(46)×0,54×0,52
=15×0,560,54×0,52=0,56
=6415
≈0,2344
5
Y∼B(20;0,25). Calcule E(Y), V(Y) et σ(Y).
Voir le corrigé détaillé
E(Y)=20×0,25
=5
V(Y)=20×0,25×0,75
=3,75
σ(Y)=3,75
≈1,94
6
On répète une épreuve de Bernoulli de paramètre p=0,2 jusqu'au premier succès. Soit T son rang. Calcule P(T=3) et E(T).
Voir le corrigé détaillé
P(T=3)=(1−0,2)2×0,2=0,82×0,2
=0,64×0,2
=0,128
E(T)=0,21
=5
Niveau 2 — Approfondissement
7
Un jeu : on lance un dé équilibré. Si le résultat est pair, on gagne 500 F CFA par point marqué sur le dé (donc 2→1000, 4→2000, 6→3000) ; si le résultat est impair, on perd 300 F CFA quel que soit le chiffre. Soit X le gain algébrique. a) Donne la loi de X. b) Calcule E(X) et interprète. c) Le ticket coûte 100 F CFA ; soit Y=X−100 le gain net. Calcule E(Y) sans reconstruire toute la loi.
Voir le corrigé détaillé
a)X(Ω)={−300;1000;2000;3000}. Les résultats impairs (1,3,5) donnent tous −300 : P(X=−300)=63=0,5. Chaque résultat pair est unique : P(X=1000)=P(X=2000)=P(X=3000)=61.
b)
E(X)=(−300)×0,5+1000×61+2000×61+3000×61
=−150+61000+2000+3000
=−150+1000
=850
Le jeu rapporte en moyenne 850 F CFA au joueur (avant paiement du ticket) : il lui est très favorable.
c)
E(Y)=E(X−100)=E(X)−100
=850−100
=750
8
Une usine produit des ampoules dont 5% sont défectueuses. On prélève un échantillon de 15 ampoules dans une très grande production. Soit X le nombre d'ampoules défectueuses. a) Donne la loi de X (nom et paramètres). b) Calcule P(X=0) puis P(X⩾1). c) Calcule E(X) et interprète.
Voir le corrigé détaillé
a) Prélèvement dans une grande population, deux issues (défectueuse/non), probabilité constante 0,05 : X∼B(15;0,05).
b)
P(X=0)=0,9515
≈0,4633à la calculatrice
P(X⩾1)=1−P(X=0)
≈1−0,4633
≈0,5367
c)E(X)=15×0,05=0,75 : on s'attend, en moyenne, à un peu moins d'une ampoule défectueuse par échantillon de 15.
9
Un tireur atteint sa cible avec la probabilité p=0,25 à chaque tir, tirs indépendants. Soit T le rang du premier tir réussi. a) Donne la loi de T, en justifiant. b) Calcule P(T⩽3) en passant par l'évènement contraire « 3 échecs consécutifs ». c) Calcule E(T).
Voir le corrigé détaillé
a) Répétition indépendante d'une épreuve de Bernoulli de paramètre p=0,25 jusqu'au premier succès : T suit la loi géométrique de paramètre 0,25.
b) L'évènement contraire de (T⩽3) est (T>3), c'est-à-dire « les tirs 1, 2 et 3 sont tous des échecs ».
P(T>3)=(1−0,25)3=0,753
=0,421875
P(T⩽3)=1−P(T>3)
=1−0,421875
=0,578125
c)E(T)=0,251=4.
10
Dans une classe de Terminale de Yaoundé, 40% des élèves pratiquent un sport régulièrement. On interroge 6 élèves au hasard dans un grand effectif. Soit X le nombre d'élèves sportifs parmi les 6. a) Donne la loi de X (nom, paramètres, tableau de P(X=k) pour k=0,…,6, à la calculatrice). b) Calcule P(2⩽X⩽4). c) Calcule V(X) et σ(X).
Voir le corrigé détaillé
a)X∼B(6;0,4).
k
0
1
2
3
4
5
6
P(X=k)
0,0467
0,1866
0,3110
0,2765
0,1382
0,0369
0,0041
b)
P(2⩽X⩽4)=P(X=2)+P(X=3)+P(X=4)
=0,3110+0,2765+0,1382
=0,7258
c)
V(X)=6×0,4×0,6
=1,44
σ(X)=1,44
=1,2
Niveau 3 — Type bac
11
Démontrer que pour toute variable aléatoire discrète X, V(X)=E(X2)−(E(X))2.
Une variable aléatoire X a pour loi P(X=1)=0,1 ; P(X=3)=0,5 ; P(X=6)=0,4. Calculer E(X) et V(X).
Voir le corrigé détaillé
1. Restitution de cours (voir section 2.1) : on développe V(X)=E[(X−E(X))2] grâce à la linéarité de l'espérance et au fait que E(X) est une constante, ce qui donne E(X2)−2(E(X))2+(E(X))2=E(X2)−(E(X))2.
2.
E(X)=1×0,1+3×0,5+6×0,4
=0,1+1,5+2,4
=4
E(X2)=12×0,1+32×0,5+62×0,4
=0,1+4,5+14,4
=19
V(X)=19−42
=3
12
Un QCM comporte 8 questions indépendantes, chacune avec 4 réponses proposées dont une seule est correcte. Un candidat répond entièrement au hasard. Soit X le nombre de bonnes réponses.
Justifier que X suit une loi binomiale et donner ses paramètres.
Calculer P(X=0), puis la probabilité que le candidat ait au moins une bonne réponse.
Calculer E(X) et σ(X), et interpréter E(X).
Le barème attribue 2 points par bonne réponse et retire 0,5 point par mauvaise réponse. Soit N la note obtenue. Exprimer N en fonction de X, puis calculer E(N).
Voir le corrigé détaillé
1.8 réponses identiques et indépendantes, deux issues (correcte/incorrecte) de probabilité constante p=41 : X∼B(8;0,25).
2.
P(X=0)=0,758
≈0,1001
P(X⩾1)=1−P(X=0)
≈0,8999
3.
E(X)=8×0,25=2
V(X)=8×0,25×0,75=1,5
σ(X)=1,5≈1,225
En répondant totalement au hasard, un candidat obtient en moyenne 2 bonnes réponses sur 8.
4. Il y a X bonnes réponses et 8−X mauvaises réponses (le candidat répond à tout).
N=2X−0,5(8−X)
=2X−4+0,5X
=2,5X−4
E(N)=2,5E(X)−4=2,5×2−4
=5−4
=1
Répondre au hasard rapporte en moyenne seulement 1 point sur 16 : ce barème pénalise efficacement le hasard.
13
Une entreprise de transport de Ndjamena teste ses candidats chauffeurs : la probabilité de réussir l'examen de conduite est p=0,6 à chaque tentative, tentatives indépendantes.
Soit T le rang de la tentative où un chauffeur réussit pour la première fois. Quelle est la loi de T ? Justifier.
Calculer la probabilité de réussir dès le premier essai, puis la probabilité qu'il faille au plus 2 essais.
L'entreprise n'autorise que 3 tentatives au maximum ; au-delà, le chauffeur est définitivement recalé. Soit R l'évènement « le chauffeur est recalé ». Exprimer P(R) et la calculer.
Sur un groupe de 5 chauffeurs indépendants, soit Y le nombre de chauffeurs recalés au sens de la question 3. Quelle est la loi de Y ? Calculer P(Y=0).
Voir le corrigé détaillé
1. Répétition indépendante d'une épreuve de Bernoulli de paramètre 0,6 jusqu'au premier succès : T suit la loi géométrique de paramètre 0,6.
2.
P(T=1)=0,6
P(T⩽2)=P(T=1)+P(T=2)=0,6+0,4×0,6
=0,6+0,24
=0,84
3.R=(T>3) : les tentatives 1, 2 et 3 sont toutes des échecs.
P(R)=P(T>3)=0,43
=0,064
4. Chaque chauffeur est recalé, indépendamment des autres, avec la probabilité 0,064 : Y∼B(5;0,064).
P(Y=0)=(1−0,064)5=0,9365
≈0,7185
14
Deux jeux sont proposés à la kermesse du lycée d'Abéché. Jeu A : on lance un dé équilibré ; on gagne 1000 F CFA si le résultat est 6, rien sinon. Jeu B : on tire une boule dans un sac de 10 boules (3 rouges, 7 blanches) ; on gagne 300 F CFA si elle est rouge, rien sinon. Chaque jeu coûte 150 F CFA.
Pour chaque jeu, donner la loi du gain net (gain moins prix du ticket), puis calculer son espérance.
Lequel des deux jeux est le plus avantageux pour le joueur ? Justifier.
On joue 4 fois de suite, avec remise, au jeu B. Soit Z le nombre de fois où l'on gagne. Donner la loi de Z puis calculer P(Z⩾1).
Voir le corrigé détaillé
1. Jeu A : gain net 850 F CFA avec probabilité 61, −150 F CFA avec probabilité 65.
E(GA)=850×61+(−150)×65
=6850−750
=6100≈16,67 F CFA
Jeu B : gain net 150 F CFA avec probabilité 0,3, −150 F CFA avec probabilité 0,7.
E(GB)=150×0,3+(−150)×0,7
=45−105
=−60 F CFA
2.E(GA)≈16,67>0>−60=E(GB) : le jeu A est en moyenne favorable au joueur, le jeu B lui est défavorable. Le jeu A est donc le plus avantageux.
3. À chaque tirage, gagner au jeu B a la probabilité 0,3 ; les 4 tirages sont indépendants (avec remise) : Z∼B(4;0,3).
P(Z⩾1)=1−P(Z=0)=1−0,74
=1−0,2401
=0,7599
Niveau 4 — Problèmes de vie courante
15
Les mangues de Bamako. Un producteur estime que 8% de ses mangues présentent une tache d'insecte et sont invendables à l'export. Il prépare des cageots de 25 mangues prélevées dans une très grande récolte. Soit X le nombre de mangues invendables par cageot.
Justifier que X suit une loi binomiale et préciser ses paramètres.
À la calculatrice, calculer P(X=0) puis P(X⩽2).
Calculer E(X) et interpréter.
Le producteur affirme : « en moyenne, moins de 3 mangues par cageot sont invendables ». A-t-il raison ?
Voir le corrigé détaillé
1. Prélèvement dans une très grande récolte, deux issues (invendable/vendable), probabilité constante 0,08 : X∼B(25;0,08).
2.
P(X=0)=0,9225
≈0,1244
P(X⩽2)=P(X=0)+P(X=1)+P(X=2)
≈0,1244+0,2704+0,2821
≈0,6769
3.E(X)=25×0,08=2 : le producteur doit s'attendre, en moyenne, à 2 mangues invendables par cageot de 25.
4. Comme E(X)=2<3, l'affirmation du producteur est vraie en moyenne — même si, sur un cageot particulier, X peut dépasser 3.
16
Les bus de Douala. Sur une ligne très fréquentée, un bus tombe en panne avec la probabilité 0,02 à chaque trajet, indépendamment des autres trajets. Un bus donné effectue 40 trajets par semaine.
Soit X le nombre de pannes sur la semaine. Quelle loi suit X ? Préciser ses paramètres.
Calculer E(X) et σ(X).
Calculer P(X=0) (aucune panne), arrondi à 10−3.
Une semaine est dite « à risque » si X⩾2. Calculer la probabilité qu'une semaine soit à risque, arrondie à 10−3.
Voir le corrigé détaillé
1.40 trajets identiques et indépendants, deux issues (panne/pas de panne), probabilité constante 0,02 : X∼B(40;0,02).
2.
E(X)=40×0,02=0,8
V(X)=40×0,02×0,98=0,784
σ(X)=0,784≈0,885
3.
P(X=0)=0,9840
≈0,446
4.
P(X⩾2)=1−P(X=0)−P(X=1)
≈1−0,446−0,364
≈0,190
Environ 19% des semaines sont « à risque » pour ce bus.
17
La tombola d'Awa (Abidjan). Awa tient un stand de tombola au grand marché d'Abidjan. Elle vend des tickets à 200 F CFA. Sur un carnet de 500 tickets, 15 rapportent 500 F CFA, 4 rapportent 2000 F CFA, 1 (le gros lot) rapporte 20000 F CFA, et les 480 autres ne rapportent rien.
Soit G le gain brut d'un joueur qui achète un ticket au hasard. Donne la loi de G.
Calcule E(G).
Awa gagne-t-elle de l'argent en moyenne sur chaque ticket vendu 200 F CFA ? Calcule son bénéfice moyen par ticket.
Un client achète 3 tickets, assimilés à un tirage avec remise vu le grand nombre de tickets. Soit N le nombre de tickets gagnants parmi les 3. Quelle loi suit N ? Calcule P(N⩾1).
Voir le corrigé détaillé
1.P(G=0)=500480=0,96 ; P(G=500)=50015=0,03 ; P(G=2000)=5004=0,008 ; P(G=20000)=5001=0,002. Somme : 0,96+0,03+0,008+0,002=1, la loi est correcte.
2.
E(G)=0×0,96+500×0,03+2000×0,008+20000×0,002
=15+16+40
=71 F CFA
3. Le gain net moyen d'un joueur est E(G)−200=71−200=−129 F CFA : le joueur perd, en moyenne, 129 F CFA par ticket. Awa gagne donc en moyenne 129 F CFA de bénéfice par ticket vendu.
4. Un ticket est gagnant avec la probabilité P(G>0)=0,03+0,008+0,002=0,04. Les 3 achats étant indépendants (assimilation à un tirage avec remise) : N∼B(3;0,04).
P(N⩾1)=1−P(N=0)=1−0,963
=1−0,884736
=0,115264
≈0,1153
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Une variable aléatoire X sur un univers Ω est :
Explication : Par définition, une variable aléatoire X est une fonction qui, à chaque issue ω de Ω, associe un nombre réel X(ω).
Si X(Ω)={x1,x2,…,xn} et pi=P(X=xi), alors on a toujours :
Explication : Les évènements (X=xi) forment une partition de l'univers, donc la somme de leurs probabilités vaut 1. C'est le meilleur moyen de vérifier une loi de probabilité calculée.
Une urne contient 5 boules rouges, 3 vertes, 2 jaunes (10 au total). Une rouge fait perdre 2000 F, une verte fait gagner 1000 F, une jaune fait gagner 4000 F. Quelle est P(X=1000) ?
Explication : Il y a 3 boules vertes sur 10, donc P(X=1000)=103=0,3.
La fonction de répartition F d'une variable aléatoire X est définie par :
Explication :F(x)=P(X⩽x), et non P(X=x) : c'est le piège classique du chapitre. F est une fonction en escalier, croissante, continue à droite.
L'espérance mathématique E(X) d'une variable aléatoire discrète se calcule par :
Explication : L'espérance est la moyenne des valeurs xi, pondérée par leurs probabilités pi : E(X)=∑pixi.
Reprenons le jeu de l'urne : P(X=−2000)=0,5, P(X=1000)=0,3, P(X=4000)=0,2. Que vaut E(X) ?
Un jeu de gain X coûte c francs à jouer. Le jeu est dit équitable lorsque :
Explication : Le gain net est X−c ; le jeu est équitable lorsque E(X−c)=0, c'est-à-dire lorsque le prix d'entrée c est exactement égal à l'espérance de gain E(X).
La formule de König-Huygens pour la variance s'écrit :
Explication :V(X)=E(X2)−(E(X))2 : en pratique, cette formule est presque toujours plus rapide que la définition, car elle évite de recalculer chaque écart xi−E(X).
Pour tous réels a,b et toute variable aléatoire X, on a toujours :
Explication : Ajouter une constante b ne change pas la dispersion ; multiplier par a multiplie les écarts par a, donc la variance (un carré) par a2 : V(aX+b)=a2V(X).
Un calcul de variance donne un résultat négatif. Que peut-on en conclure ?
Explication : La variance est toujours positive ou nulle, comme somme de carrés pondérée par des probabilités positives. Un résultat négatif signale une erreur — souvent l'oubli du carré sur E(X) dans la formule de König-Huygens.
Une épreuve de Bernoulli de paramètre p est une expérience :
Explication : C'est la brique de base : une expérience à deux issues seulement, succès de probabilité p et échec de probabilité 1−p.
Parmi les quatre conditions d'un schéma de Bernoulli, laquelle n'en fait PAS partie ?
Explication : Un schéma de Bernoulli exige au contraire une probabilité de succès p constante à chaque répétition, en plus des trois autres conditions (deux issues, n fixe, indépendance).
Si X suit la loi binomiale B(n;p), la formule de P(X=k) est justifiée sur l'arbre pondéré par le fait que :
Explication : Le long d'un chemin on multiplie les probabilités (indépendance) ; tous les chemins à k succès ont la même probabilité pk(1−p)n−k, et il y en a (kn), d'où P(X=k)=(kn)pk(1−p)n−k.
Un basketteur réussit chaque lancer franc avec probabilité p=0,4, sur 3 lancers indépendants. Quelle est la probabilité d'exactement 2 réussites ?
Si X∼B(n;p), alors l'espérance et la variance de X valent :
Explication : En écrivant X comme somme de n variables de Bernoulli indépendantes, on obtient E(X)=np (linéarité de l'espérance) et V(X)=np(1−p) (somme des variances, indépendance).
Dans un atelier, 20% des pièces sont défectueuses. On prélève 10 pièces (schéma de Bernoulli, n=10, p=0,2). Quelle est l'espérance du nombre de pièces défectueuses ?
Explication :E(X)=np=10×0,2=2 : on s'attend en moyenne à 2 pièces défectueuses sur 10.
Pour calculer P(X⩾1) (« au moins un succès ») efficacement, la méthode recommandée est :
Explication : L'astuce incontournable du chapitre : passer systématiquement par le complémentaire P(X⩾1)=1−P(X=0), beaucoup plus rapide et plus sûr que d'additionner tous les termes.
Une variable aléatoire X suit la loi géométrique de paramètre p lorsqu'elle représente :
Explication : Dans une répétition indéfinie et indépendante d'épreuves de Bernoulli, X est le rang du premier succès : P(X=k)=(1−p)k−1p pour k⩾1.
On lance un dé équilibré jusqu'à obtenir un premier 6 (p=61). Quelle est l'espérance du rang X du premier 6 ?
Explication : Pour une loi géométrique de paramètre p, E(X)=p1. Ici E(X)=1/61=6 : il faut en moyenne 6 lancers pour voir apparaître un premier 6.
Contrairement à la loi binomiale, la loi géométrique de paramètre p est définie pour :
Explication : La loi géométrique commence toujours à k=1 (il faut au moins une épreuve pour espérer un succès), et n'a pas de borne supérieure : c'est un oubli fréquent au bac de la confondre avec la loi binomiale, bornée par n.