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1. Probabilités conditionnelles et Bayes

Formules fondamentales

P(A|B)=P(A∩B)/P(B). Prob. totales : P(A)=ΣP(A|Bᵢ)P(Bᵢ).

Bayes : P(Bᵢ|A)=P(A|Bᵢ)P(Bᵢ)/P(A). Indépendance : P(A∩B)=P(A)·P(B).

2. Lois de probabilité

LoiP(X=k)EV Binomiale B(n,p)Cₙᵏpᵏ(1−p)ⁿ⁻ᵏnpnp(1−p) Géométrique G(p)(1−p)ᵏ⁻¹p1/p(1−p)/p² Poisson Po(λ)e^(−λ)λᵏ/k!λλ

3. Inégalités de concentration

Markov et Bienaymé-Tchebychev

Markov (X≥0) : P(X≥a)≤E(X)/a.

Bienaymé-Tchebychev : P(|X−μ|≥kσ)≤1/k².

Loi des grands nombres : x̄ₙ→μ en probabilité.

À retenir

  • P(A|B)=P(A∩B)/P(B) ; Bayes
  • Géométrique : E=1/p ; Poisson : E=V=λ
  • Bienaymé-Tcheb. : P(|X−μ|≥kσ)≤1/k²
1

Probabilités conditionnelles

● Facile

Dé à 6 faces. A={pair}, B={>3}. P(A|B). A,B indépendants ?

Correction

P(A|B)=2/3. P(A)=1/2. Non indépendants.

2

Probabilités totales et Bayes

● Moyen

3 urnes U₁(3R,2B), U₂(1R,4B), U₃(2R,2B). Urne au hasard puis une boule. P(rouge). P(U₁|rouge).

Correction

P(R)=13/30. P(U₁|R)=6/13.

3

Loi géométrique

● Moyen

X=rang 1er as dans un jeu (p=1/13). P(X=1), E(X), P(X≤5).

Correction

P(X=1)=1/13. E=13. P(X≤5)=1−(12/13)⁵≈32,5%.

4

Bienaymé-Tchebychev

● Moyen

X~B(100,0,5). Majorer P(|X−50|≥10).

Correction

k=2. P≤1/4=0,25. Valeur réelle≈0,03.

5

Loi de Poisson

● Difficile

X~Po(3). P(X=0), P(X=2). E(X). Mode.

Correction

P(0)=e⁻³≈0,05. P(2)=4,5e⁻³≈0,22. E=3. Mode=3.

★

Problème de synthèse

● Niveau Bac

Test médical. Prévalence M : 2%. P(T⁺|M)=0,95. P(T⁻|M̄)=0,90.

  1. P(T⁺) par prob. totales.
  2. P(M|T⁺) par Bayes.
  3. P(M̄|T⁻).
  4. Proportion faux positifs.
  5. Recalculer P(M|T⁺) si prévalence=20%.
  6. Test répété 2 fois indépendamment. P(M|T₁⁺∩T₂⁺).
Correction
  1. P(T⁺)=0,95×0,02+0,10×0,98=0,117.
  2. P(M|T⁺)=0,019/0,117≈16,2%.
  3. P(T⁻)=0,883. P(M̄|T⁻)=0,90×0,98/0,883≈99,9%.
  4. Faux positifs=83,8%.
  5. P(T⁺)=0,27. P(M|T⁺)=0,19/0,27≈70,4%.
  6. P(T₁⁺∩T₂⁺)=0,9025×0,02+0,01×0,98=0,02785. P(M|...)≈64,8%.

QCM

10 questions

0Score
0/10Repondues
Q1/10

P(A|B)=

Q2/10

Bayes: P(B|A)=

Q3/10

Binomiale B(n,p) : E(X)=

Q4/10

Bienaymé-Tcheb.: P(|X−μ|≥kσ)≤

Q5/10

Géométrique G(p) : E(X)=

Q6/10

Poisson Po(λ) : E=V=

Q7/10

P(A∪B)=

Q8/10

Loi des grands nombres : x̄ₙ→

Q9/10

Mode de Poisson(3)=

Q10/10

A,B indépendants ⟺

1

Au moins un 6 en deux lancers

● Facile

On lance deux fois de suite un dé non pipé, dont les faces sont numérotées de 1 à 6. On gagne lorsqu'on fait apparaître au moins un 6. Calculer la probabilité de gagner.

Correction

P(gagner) = 1 − P(aucun 6) = 1 − (5/6)² = 1 − 25/36 = 11/36 ≈ 0,306.

2

Statistiques d'absences

● Facile

Dans une classe, on a noté que pendant le trimestre : 25% des élèves ont été absents au moins un jour ; 12% au moins deux jours ; 8% au moins trois jours ; 6% au moins quatre jours ; 5% au moins cinq jours. On choisit au hasard un élève. Calculer la probabilité de chacun des événements suivants.

  1. « L'élève n'a jamais été absent ».
  2. « L'élève a été absent au moins un jour ».
  3. « L'élève a été absent exactement deux jours ».
  4. « L'élève a été absent moins de quatre jours ».
Correction
  1. P(jamais absent) = 1 − 0,25 = 0,75.
  2. P(au moins un jour) = 0,25 (donnée directement).
  3. Les événements « ≥k jours » étant emboîtés, P(exactement 2 jours) = P(≥2j) − P(≥3j) = 0,12 − 0,08 = 0,04.
  4. P(moins de 4 jours) = 1 − P(≥4j) = 1 − 0,06 = 0,94.
3

Urne à 36 boules — blanche, rouge, vertes

● Moyen

Une urne contient 36 boules indiscernables au toucher, dont une est blanche, une est rouge et les 34 autres sont vertes. On tire au hasard et simultanément trois boules de l'urne.

  1. Quelle est la probabilité de tirer une boule de chaque couleur ?
  2. Quelle est la probabilité de tirer trois boules vertes ?
Correction
  1. Nombre de tirages possibles : C₃₆³ = 7140.
  2. Une boule de chaque couleur : il faut la blanche, la rouge et une verte parmi 34, soit 1×1×34 = 34 tirages favorables. P = 34/7140 = 1/210.
  3. Trois boules vertes : C₃₄³/C₃₆³ = 5984/7140 = 88/105 ≈ 0,838.
4

Urne à 10 boules — tirages successif et simultané

● Facile

Une urne contient 10 boules, dont 3 sont rouges et les autres bleues.

  1. Quelle est la probabilité pour qu'une boule prise au hasard soit rouge ?
  2. On prend successivement et avec remise 3 boules au hasard. Quelle est la probabilité pour que les 3 boules soient rouges ?
  3. On prend simultanément 3 boules au hasard. Quelle est la probabilité pour que les 3 boules soient rouges ?
Correction
  1. P(rouge) = 3/10.
  2. Avec remise, les 3 tirages sont indépendants : P = (3/10)³ = 27/1000 = 0,027.
  3. Tirage simultané (sans remise) : P = C₃³/C₁₀³ = 1/120 ≈ 0,0083.
5

Pannes dans un atelier à trois machines

● Moyen

Un atelier est constitué de trois machines A, B et C utilisées pour la même production. Le taux de panne de chacune, en jours d'arrêt sur 200 jours ouvrables, est : 5 pour A ; 3 pour B ; 10 pour C. Pour un jour ouvrable donné, calculer la probabilité de chacun des événements suivants.

  1. « La machine A est en état de marche ».
  2. « La machine A est en panne ».
  3. « La machine B ou la machine C sont en panne ».
  4. « Aucune machine n'est en panne ».
Correction

On suppose les pannes des trois machines indépendantes.

  1. P(A en panne) = 5/200 = 1/40 = 0,025, donc P(A en état de marche) = 39/40 = 0,975.
  2. P(A en panne) = 0,025 (voir ci-dessus).
  3. P(B) = 3/200 = 0,015 ; P(C) = 10/200 = 0,05. P(B∪C) = P(B) + P(C) − P(B)×P(C) = 0,015 + 0,05 − 0,00075 = 0,06425.
  4. P(aucune en panne) = 0,975 × 0,985 × 0,95 ≈ 0,9124 (91,24%).
1

Jeu de 32 cartes — tirage de 4 cartes

● Difficile

Dans un jeu de 32 cartes, on tire simultanément et au hasard 4 cartes. Calculer la probabilité de chacun des événements suivants.

  1. « Obtenir une carte de chaque couleur ».
  2. « Obtenir exactement un as ».
  3. « Obtenir aucun as ».
  4. « Obtenir au moins un as ».
  5. « Obtenir deux cœurs et deux piques ».
  6. « Obtenir deux cœurs et un as exactement ».
Correction
  1. Nombre de tirages possibles : C₃₂⁴ = 35960.
  2. Une carte de chaque couleur (1 parmi 8 dans chacune des 4 couleurs) : 8⁴ = 4096 ; P = 4096/35960 = 512/4495 ≈ 0,1139.
  3. Exactement un as : C₄¹×C₂₈³ = 4×3276 = 13104 ; P = 13104/35960 = 1638/4495 ≈ 0,3644.
  4. Aucun as : C₂₈⁴/C₃₂⁴ = 20475/35960 = 4095/7192 ≈ 0,5695.
  5. Au moins un as : 1 − 4095/7192 = 3097/7192 ≈ 0,4306.
  6. Deux cœurs et deux piques : C₈²×C₈² = 28×28 = 784 ; P = 784/35960 = 98/4495 ≈ 0,0218.
  7. Deux cœurs et un as exactement : soit l'as est l'as de cœur (le 2ᵉ cœur est non-as : C₇¹ choix, et les 2 autres cartes sont non-cœurs et non-as parmi 21 : C₂₁²) → 7×210 = 1470 tirages ; soit les 2 cœurs sont non-as (C₇² = 21 choix) et l'as est l'une des 3 autres couleurs, la 4ᵉ carte étant non-as parmi 21 → 21×(3×21) = 1323 tirages. Total = 2793 ; P = 2793/35960 ≈ 0,0777.
2

Points consécutifs sur un cercle et sur une droite

● Moyen
  1. On marque n points sur un cercle (n≥3). On en choisit 2 au hasard. Quelle est la probabilité pour qu'ils soient consécutifs ?
  2. Même question lorsque les n points sont sur une droite.
Correction
  1. Nombre de paires possibles : Cₙ² = n(n−1)/2. Sur le cercle, chaque point a exactement un voisin « suivant » : il y a donc n paires de points consécutifs. P = n / [n(n−1)/2] = 2/(n−1).
  2. Sur une droite, seuls les couples de points adjacents comptent, et il n'y en a que n−1 (le premier et le dernier point n'ont qu'un seul voisin). P = (n−1) / [n(n−1)/2] = 2/n.
3

Indépendance : de A et B à Ā et B̄

● Difficile

Soient A et B deux événements indépendants.

  1. Démontrer que : P(A) = P(A∩B̄) + P(A)×P(B).
  2. En déduire que A et B̄ sont des événements indépendants.
  3. Démontrer que Ā et B̄ sont aussi des événements indépendants.
Correction
  1. {B,B̄} forme une partition de l'univers, donc P(A) = P(A∩B) + P(A∩B̄). Comme A et B sont indépendants, P(A∩B) = P(A)×P(B), d'où P(A) = P(A)×P(B) + P(A∩B̄).
  2. De l'égalité précédente : P(A∩B̄) = P(A) − P(A)×P(B) = P(A)×(1−P(B)) = P(A)×P(B̄), ce qui est exactement la condition d'indépendance de A et B̄.
  3. B̄ = (A∩B̄) ∪ (Ā∩B̄), réunion disjointe, donc P(Ā∩B̄) = P(B̄) − P(A∩B̄) = P(B̄) − P(A)×P(B̄) = P(B̄)×(1−P(A)) = P(B̄)×P(Ā). Donc Ā et B̄ sont indépendants.
4

Six couples à la vaisselle

● Difficile

Six couples, dont le couple Traoré, dînent ensemble. À la fin du repas, on tire au sort 4 personnes parmi les 12 pour faire la vaisselle. On considère les événements : A : « aucun homme n'est désigné » ; B : « Monsieur Traoré est désigné » ; C : « deux couples sont désignés ».

  1. Les événements A et B sont-ils incompatibles ? indépendants ?
  2. Les événements A et C sont-ils incompatibles ? indépendants ?
Correction
  1. Nombre de tirages possibles : C₁₂⁴ = 495. P(A) = C₆⁴/495 = 15/495 = 1/33 ; P(B) = C₁₁³/495 = 165/495 = 1/3 ; P(C) = C₆²/495 = 15/495 = 1/33 (choisir les 2 couples entiers désignés).
  2. Si B est réalisé, M. Traoré (un homme) figure parmi les 4 personnes, donc A ne peut pas être réalisé : A∩B = ∅, A et B sont incompatibles. Or P(A)×P(B) = 1/99 ≠ 0 = P(A∩B) : deux événements incompatibles de probabilités non nulles ne sont jamais indépendants, donc A et B ne sont pas indépendants.
  3. Si C est réalisé, 2 couples complets (donc 2 hommes) sont désignés, ce qui contredit A : A∩C = ∅, A et C sont incompatibles. De même P(A)×P(C) = 1/1089 ≠ 0, donc A et C ne sont pas indépendants.
5

Trois médecins, quatre patients

● Moyen

Dans une ville, il y a trois médecins. Quatre habitants de cette ville, malades le même jour, appellent au hasard (choix indépendants et équiprobables) l'un de ces trois médecins.

  1. Quelle est la probabilité pour qu'un seul médecin soit appelé ?
  2. Quelle est la probabilité pour que les trois médecins soient appelés ?
Correction
  1. Nombre total de répartitions des 4 appels : 3⁴ = 81. Un seul médecin appelé par tous : 3 cas (les 4 patients appellent tous le même médecin). P = 3/81 = 1/27.
  2. Les trois médecins appelés (aucun oublié) : par la formule du crible, le nombre de répartitions surjectives vaut 3⁴ − C₃¹×2⁴ + C₃²×1⁴ = 81 − 48 + 3 = 36. P = 36/81 = 4/9.
1

Disque de fléchettes à n cercles concentriques

● Difficile

Un disque en bois porte n cercles concentriques C₁, C₂, ..., Cₙ de rayons respectifs 1, 2, ..., n. Entre Cₖ et Cₖ₊₁ se trouve une couronne Γₖ₊₁ ; on note Γ₁ le disque intérieur de rayon 1 : il y a donc n couronnes Γ₁, Γ₂, ..., Γₙ. On suppose que la probabilité d'atteindre Γₖ est proportionnelle à l'aire de Γₖ, et que la probabilité d'atteindre le bord des couronnes ou de sortir du disque est nulle.

  1. a) Calculer, pour tout k∈{1,...,n}, la probabilité pₖ qu'une fléchette atteigne Γₖ. b) La situation sur Ω = {Γ₁,...,Γₙ} est-elle équiprobable ?
  2. On veut modifier les rayons des cercles Cₖ (le rayon de C₁ restant égal à 1) pour obtenir l'équiprobabilité sur Ω. Quels doivent être ces rayons ?
Correction
  1. L'aire de Γₖ vaut π(k² − (k−1)²) = π(2k−1). La somme des aires pour k=1,...,n vaut π×Σ(2k−1) = πn² (aire du disque de rayon n). Comme pₖ est proportionnelle à l'aire de Γₖ : pₖ = (2k−1)/n².
  2. pₖ dépend de k (p₁ = 1/n² ≠ pₙ = (2n−1)/n² dès que n>1) : la situation n'est pas équiprobable.
  3. Pour l'équiprobabilité, chaque couronne doit avoir la même aire que Γ₁, soit π (car le rayon de C₁ vaut 1). Il faut donc π(rₖ² − rₖ₋₁²) = π pour tout k, soit rₖ² = rₖ₋₁² + 1, avec r₀ = 0. Par récurrence : rₖ² = k, donc rₖ = √k pour k = 1, ..., n.
2

Gauchers et droitiers dans un atelier

● Difficile

Une population est constituée à 10% de gauchers et à 90% de droitiers.

  1. Calculer la probabilité pour qu'un groupe de huit personnes de cette population soit constitué : a) d'un seul gaucher ; b) d'au moins un gaucher ; c) d'exactement trois gauchers.
  2. Un atelier de couture, employant huit personnes issues de cette population, est équipé de sept paires de ciseaux pour droitiers et de trois pour gauchers. Quelle est la probabilité pour que les huit membres du personnel trouvent chacun une paire de ciseaux à leur convenance ?
  3. On note G le nombre de gauchers parmi les huit, et X le nombre de personnes ayant trouvé une paire à leur convenance. Dresser un tableau donnant X en fonction de G, puis calculer les probabilités des différentes valeurs de X.
Correction
  1. G, le nombre de gauchers parmi 8 personnes, suit la loi binomiale B(8 ; 0,1). a) P(G=1) = C₈¹×0,1×0,9⁷ ≈ 0,3826. b) P(G≥1) = 1 − 0,9⁸ ≈ 0,5695. c) P(G=3) = C₈³×0,1³×0,9⁵ ≈ 0,0331.
  2. Tout le monde est satisfait si et seulement si 1≤G≤3 (si G=0, un droitier n'a pas de ciseaux, il n'y en a que 7 ; si G≥4, un gaucher n'a pas de ciseaux, il n'y en a que 3). P(1≤G≤3) = P(G=1)+P(G=2)+P(G=3) ≈ 0,3826+0,1488+0,0331 ≈ 0,5645 (56,45%).
  3. X = min(G,3) + min(8−G,7) (gauchers servis + droitiers servis). Tableau : G=0→X=7 ; G=1→X=8 ; G=2→X=8 ; G=3→X=8 ; G=4→X=7 ; G=5→X=6 ; G=6→X=5 ; G=7→X=4 ; G=8→X=3. En regroupant : P(X=8) = P(G=1)+P(G=2)+P(G=3) ≈ 0,5645 ; P(X=7) = P(G=0)+P(G=4) ≈ 0,4305+0,0046 ≈ 0,4351 ; P(X=6) = P(G=5) ≈ 0,0004 ; P(X=5) = P(G=6) ≈ 0,00002 ; P(X=4) = P(G=7) ≈ 0,0000007 ; P(X=3) = P(G=8) ≈ 0,00000001 (négligeables). La somme des probabilités vaut bien 1.
3

Fonction auxiliaire et urne à boules blanches, rouges, vertes

● Difficile
  1. Étudier les variations de la fonction f:x↦36x²−2x³ sur [0;18] et déterminer la valeur de x pour laquelle f atteint son maximum.
  2. On considère une urne de 36 boules indiscernables au toucher, dont n sont blanches, n sont rouges et les autres vertes (1≤n≤17). On tire au hasard et simultanément 3 boules. a) Démontrer que le nombre de tirages donnant une boule de chaque couleur est égal à f(n). b) Soit P(n) la probabilité de tirer une boule de chaque couleur. Exprimer P(n) à l'aide de f(n) et en déduire la valeur de n pour laquelle P(n) est maximale.
Correction
  1. f'(x) = 72x−6x² = 6x(12−x). Sur [0;18] : f'(x)>0 sur ]0;12[, f'(x)<0 sur ]12;18[. f est donc croissante sur [0;12] puis décroissante sur [12;18] ; elle atteint son maximum en x=12, avec f(12) = 36×144−2×1728 = 5184−3456 = 1728.
  2. a) Il y a n boules blanches, n rouges, (36−2n) vertes. Une boule de chaque couleur : C_n¹×C_n¹×C_{36−2n}¹ = n×n×(36−2n) = 36n²−2n³ = f(n). b) Le nombre total de tirages est C₃₆³ = 7140, donc P(n) = f(n)/7140. Comme f croît puis décroît avec un maximum en x=12 (12 appartient à [1;17]), P(n) est maximale pour n=12 : P(12) = 1728/7140 = 144/595 ≈ 0,242 (24,2%).
4

Le rendez-vous de deux amis

● Moyen

Deux amis se sont donné rendez-vous entre 12h et 13h, mais ont décidé qu'ils ne s'attendraient pas plus de dix minutes. Quelle est la probabilité pour qu'ils se rencontrent ?

Correction

Soient X et Y les instants d'arrivée des deux amis (en minutes après 12h), chacun uniforme sur [0;60], indépendants. Ils se rencontrent si |X−Y|≤10. L'univers est le carré [0;60]×[0;60], d'aire 3600. La zone où ils ne se rencontrent pas (|X−Y|>10) est formée de deux triangles rectangles isocèles de côté 50 (=60−10), d'aire totale 2×(50²/2) = 2500. L'aire favorable vaut donc 3600−2500 = 1100. P = 1100/3600 = 11/36 ≈ 0,306 (30,6%).

5

Loi géométrique — rang du premier succès

● Moyen

On répète une épreuve de Bernoulli dont la probabilité de succès est p (0<p<1). On définit la variable aléatoire X par le nombre d'itérations nécessaires pour obtenir le succès pour la première fois.

  1. Déterminer la loi de probabilité de X.
  2. Vérifier que : lim(n→+∞) Σ(k=1 à n) P(X=k) = 1.
Correction
  1. X=k signifie que les (k−1) premières épreuves sont des échecs (probabilité (1−p) chacune, indépendantes) et que la k-ième est un succès (probabilité p) : P(X=k) = (1−p)^(k−1)×p pour k=1,2,3,... (loi géométrique de paramètre p).
  2. Σ(k=1 à n) P(X=k) = p×Σ(k=1 à n)(1−p)^(k−1) = p×[1−(1−p)ⁿ]/[1−(1−p)] = 1−(1−p)ⁿ. Comme 0<1−p<1, (1−p)ⁿ→0 quand n→+∞, donc la limite vaut 1−0 = 1.