PrécédentCh. 22 — Probabilités — lois et probabilités conditio… 📚 Tous les chapitres SuivantCh. 24 — Nombres complexes — formes algébrique et tri…

1. VA discrète

Espérance et variance

E(X)=Σxᵢpᵢ. V(X)=E(X²)−[E(X)]² (König-Huygens).

cov(X,Y)=E(XY)−E(X)E(Y). X,Y indép. → V(X+Y)=V(X)+V(Y).

2. VA continue

Densité et répartition

f densité : f≥0, ∫f=1. P(a≤X≤b)=∫_a^b f(x)dx. F'=f.

E(X)=∫xf(x)dx. Médiane : F(m)=1/2.

3. Lois continues

LoiEV U[a;b](a+b)/2(b−a)²/12 Exp(λ)1/λ1/λ² N(μ,σ²)μσ²
Normale et TCL

Z=(X−μ)/σ~N(0,1). Règle 68-95-99,7%.

TCL : S=X₁+...+Xₙ≈N(nμ,nσ²) pour n grand.

À retenir

  • V(X)=E(X²)−[E(X)]² ; X,Y indép. → V(X+Y)=V(X)+V(Y)
  • Exp(λ) sans mémoire : P(X>s+t|X>s)=P(X>t)
  • Normale : Z=(X−μ)/σ ; règle 68-95-99,7%
1

VA discrète

● Facile

X: P(X=0)=1/4, P(X=1)=1/2, P(X=4)=1/4. E(X), V(X), E(3X−2).

Correction

E=3/2. V=9/4. E(3X−2)=5/2.

2

VA continue

● Moyen

f(x)=3x² sur [0;1]. F(x). E(X). Médiane.

Correction

F(x)=x³. E=3/4. m=2^(−1/3)≈0,794.

3

Loi exponentielle

● Moyen

X~Exp(2). P(X>1). P(1<X<3). P(X>3|X>1).

Correction

e⁻²≈0,135. e⁻²−e⁻⁶≈0,133. P(X>2)=e⁻⁴≈0,018 (sans mémoire).

4

Loi normale

● Moyen

X~N(100;225). P(85<X<115). P(X>130). c tel que P(X<c)=0,975.

Correction

68%. 2,5%. c≈129,4.

5

Somme de VA — TCL

● Difficile

X₁,...,X₁₀₀ i.i.d., E=2, V=4. S=ΣXᵢ. E(S), V(S). P(180<S<220) par TCL.

Correction

E=200, V=400, σ=20. P(−1<Z<1)≈68%.

Problème de synthèse

● Niveau Bac

X~Exp(λ) (λ>0).

  1. Vérifier que f est une densité.
  2. Calculer F(x) pour x≥0.
  3. Prouver E(X)=1/λ par IPP.
  4. Calculer E(X²)=2/λ² et V(X)=1/λ².
  5. Propriété sans mémoire : P(X>s+t|X>s)=P(X>t).
  6. X~Exp(1/5). P(X>8|X>5). Interpréter.
Correction
  1. ∫₀^∞λe^(−λx)dx=1, f≥0 ✓.
  2. F(x)=1−e^(−λx).
  3. IPP: E=∫₀^∞xλe^(−λx)dx=1/λ.
  4. IPP: E(X²)=2/λ². V=1/λ².
  5. P(X>s+t)/P(X>s)=e^(−λt)=P(X>t) ✓.
  6. P(X>3)=e^(−3/5)≈55%. Le passé n'affecte pas l'avenir.

QCM

10 questions

0Score
0/10Repondues
Q1/10

V(X)=E(X²)−[E(X)]² s'appelle

Q2/10

X,Y indép. → V(X+Y)=

Q3/10

F'(x)=

Q4/10

U[a;b] : E(X)=

Q5/10

Exp(λ) sans mémoire : P(X>s+t|X>s)=

Q6/10

Normale N(μ,σ²) : Z=

Q7/10

Règle 95% : P(μ−2σ≤X≤μ+2σ)≈

Q8/10

Médiane m : F(m)=

Q9/10

P(X=a) pour X continue=

Q10/10

TCL : pour n grand, S≈

1

Écart d'un double lancer de dé

● Moyen

On lance deux dés non pipés dont les faces sont numérotées de 1 à 6. On note X la variable aléatoire égale à la valeur absolue de la différence des deux nombres obtenus.

  1. Déterminer la loi de probabilité de X.
  2. Définir la fonction de répartition F de X.
  3. Calculer l'espérance mathématique E(X) et l'écart type σ(X) de X.
Correction

1. Loi de X. X prend les valeurs 0, 1, 2, 3, 4, 5 (36 issues équiprobables) : P(X=0)=6/36=1/6 ; P(X=1)=10/36=5/18 ; P(X=2)=8/36=2/9 ; P(X=3)=6/36=1/6 ; P(X=4)=4/36=1/9 ; P(X=5)=2/36=1/18.

2. Fonction de répartition. F(x)=0 si x<0 ; F(x)=1/6 si 0≤x<1 ; F(x)=4/9 si 1≤x<2 ; F(x)=2/3 si 2≤x<3 ; F(x)=5/6 si 3≤x<4 ; F(x)=17/18 si 4≤x<5 ; F(x)=1 si x≥5 (courbe en escalier).

3. E(X)=Σxᵢpᵢ=35/18≈1,94. E(X²)=35/6. V(X)=E(X²)−[E(X)]²=35/6−(35/18)²=665/324≈2,05. σ(X)=√(665/324)=√665/18≈1,43.

2

Loterie et équité du jeu

● Facile

Une loterie consiste à lâcher une bille dans un appareil à six portes de sortie numérotées de 1 à 6, avec P(porte 1)=P(porte 6)=1/32 ; P(porte 2)=P(porte 5)=5/32 ; P(porte 3)=P(porte 4)=10/32. Un joueur mise 100 F. Il reçoit 600 F si la bille sort par la porte 1 ou 6, 200 F si elle sort par la porte 3 ou 4, rien par la porte 2 ou 5. Soit Y le gain algébrique du joueur (somme reçue moins la mise).

  1. Déterminer les valeurs possibles de Y et sa loi de probabilité.
  2. Le jeu est-il équitable (E(Y)=0) ?
Correction

1. Y=500 F (portes 1 ou 6) avec P=2/32=1/16 ; Y=100 F (portes 3 ou 4) avec P=20/32=5/8 ; Y=−100 F (portes 2 ou 5) avec P=10/32=5/16 (somme des probabilités : 1).

2. E(Y)=500×1/16+100×5/8+(−100)×5/16=31,25+62,5−31,25=62,5 F. Comme E(Y)≠0, le jeu n'est pas équitable : il est favorable au joueur, qui gagne en moyenne 62,50 F par partie.

3

Tireur et loi binomiale

● Facile

Un tireur vise une cible. La probabilité qu'il touche la cible à chaque tir est 0,7. Il tire 3 fois de suite, les tirs étant indépendants. On note X le nombre de fois où il touche la cible.

  1. Justifier que X suit une loi binomiale et préciser ses paramètres.
  2. Déterminer la loi de probabilité de X.
  3. Calculer E(X), V(X) et σ(X).
Correction

1. Les 3 tirs sont indépendants et de même probabilité de succès 0,7 : X~B(3 ; 0,7).

2. P(X=k)=C(3,k)×0,7^k×0,3^(3−k) : P(X=0)=0,027 ; P(X=1)=0,189 ; P(X=2)=0,441 ; P(X=3)=0,343 (somme=1).

3. E(X)=np=3×0,7=2,1. V(X)=np(1−p)=3×0,7×0,3=0,63. σ(X)=√0,63≈0,79.

4

Urne tricolore et système de points

● Moyen

Une urne contient 3 boules vertes, 4 boules rouges et 5 boules bleues. On tire au hasard et simultanément 2 boules de l'urne.

  1. a) Calculer la probabilité de tirer deux boules vertes. b) Calculer la probabilité de tirer deux boules de couleurs différentes.
  2. Une boule bleue rapporte 1 point, une boule rouge fait perdre 1 point, une boule verte ne rapporte aucun point. Soit X le nombre total de points marqués sur le tirage. Déterminer la loi de probabilité de X, puis calculer E(X) et V(X).
Correction

1a. P(2 vertes)=C(3,2)/C(12,2)=3/66=1/22.

1b. P(même couleur)=[C(3,2)+C(4,2)+C(5,2)]/66=(3+6+10)/66=19/66, donc P(couleurs différentes)=1−19/66=47/66.

2. Sur les 66 tirages : VV→X=0 (3) ; VR→X=−1 (12) ; VB→X=1 (15) ; RR→X=−2 (6) ; RB→X=0 (20) ; BB→X=2 (10). D'où P(X=−2)=6/66=1/11 ; P(X=−1)=12/66=2/11 ; P(X=0)=23/66 ; P(X=1)=15/66=5/22 ; P(X=2)=10/66=5/33.

E(X)=(−12−12+0+15+20)/66=11/66=1/6. E(X²)=(24+12+0+15+40)/66=91/66. V(X)=91/66−(1/6)²=91/66−1/36=535/396≈1,35.

5

Somme de deux dés et répétition d'épreuves

● Moyen

On lance deux dés non pipés et on note X la somme des deux nombres obtenus.

  1. a) Déterminer la loi de probabilité de X. b) Calculer P(X>2).
  2. On appelle succès la réalisation de (X>2) et on répète l'épreuve 6 fois de suite, indépendamment. a) Calculer la probabilité d'obtenir exactement 2 succès. b) Calculer la probabilité d'obtenir au plus 2 succès.
Correction

1a. P(X=2)=1/36, P(X=3)=2/36, P(X=4)=3/36, P(X=5)=4/36, P(X=6)=5/36, P(X=7)=6/36, P(X=8)=5/36, P(X=9)=4/36, P(X=10)=3/36, P(X=11)=2/36, P(X=12)=1/36.

1b. P(X>2)=1−P(X=2)=1−1/36=35/36.

2. Soit p=35/36 ; le nombre de succès Z sur 6 répétitions suit B(6 ; 35/36).

a) P(Z=2)=C(6,2)×(35/36)²×(1/36)⁴=15×1225/36⁶=18375/2176782336≈8,4×10⁻⁶.

b) P(Z≤2)=P(Z=0)+P(Z=1)+P(Z=2)=(1+210+18375)/36⁶=18586/2176782336≈8,5×10⁻⁶. Ces valeurs infimes sont cohérentes : le succès (X>2) est presque certain à chaque épreuve (p≈0,972), donc obtenir 2 succès ou moins sur 6 est extrêmement rare.

1

Deux urnes et somme paramétrée

● Difficile

Une urne U contient une boule portant le numéro 1 et deux boules portant le numéro 2. Une urne V contient une boule portant le numéro 4 et n boules portant le numéro 3 (n entier naturel non nul). On tire au hasard une boule de U et une boule de V, indépendamment, et on note X la somme des deux numéros obtenus.

  1. Déterminer, en fonction de n, la loi de probabilité de X.
  2. Calculer, en fonction de n, l'espérance mathématique E(X).
  3. Déterminer n pour que E(X)=59/12.
  4. Déterminer la plus petite valeur de n pour laquelle E(X)<4,8.
Correction

1. P(U=1)=1/3, P(U=2)=2/3 ; P(V=4)=1/(n+1), P(V=3)=n/(n+1). X=U+V∈{4;5;6} : P(X=4)=n/[3(n+1)] ; P(X=6)=2/[3(n+1)] ; P(X=5)=(1+2n)/[3(n+1)].

2. E(X)=[4n+5(1+2n)+12]/[3(n+1)]=(14n+17)/[3(n+1)].

3. (14n+17)/[3(n+1)]=59/12 ⟺ 168n+204=177n+177 ⟺ 27=9n ⟺ n=3.

4. (14n+17)/[3(n+1)]<24/5 ⟺ 70n+85<72n+72 ⟺ 13<2n ⟺ n>6,5. E(n) étant décroissante, la plus petite valeur entière est n=7 (E(6)=101/21≈4,81>4,8 ; E(7)=115/24≈4,79<4,8).

2

Rang de la boule noire

● Difficile

Une urne contient n−1 boules blanches et une boule noire. On tire au hasard, successivement et sans remise, toutes les boules de l'urne. On note X le rang du tirage auquel la boule noire est obtenue (1≤X≤n).

  1. Déterminer la loi de probabilité de X.
  2. Calculer l'espérance mathématique E(X) et l'écart type σ(X) de X.
Correction

1. Par symétrie, sur les n! tirages ordonnés équiprobables, (n−1)! placent la boule noire à un rang k donné : P(X=k)=(n−1)!/n!=1/n pour k=1,...,n. X suit la loi uniforme sur {1,...,n}.

2. E(X)=(1/n)Σk=(1/n)×n(n+1)/2=(n+1)/2. E(X²)=(1/n)Σk²=(n+1)(2n+1)/6. V(X)=(n+1)(2n+1)/6−(n+1)²/4=(n+1)[2(2n+1)−3(n+1)]/12=(n+1)(n−1)/12=(n²−1)/12. σ(X)=√[(n²−1)/12].

3

Multiples de 3 en huit lancers

● Moyen

On lance huit fois un dé non pipé dont les faces sont numérotées de 1 à 6, et on note X le nombre de multiples de 3 obtenus (c'est-à-dire le nombre de 3 ou de 6) au cours de ces huit lancers.

  1. Déterminer la loi de probabilité de X.
  2. Calculer l'espérance mathématique et l'écart type de X.
Correction

1. À chaque lancer, P(multiple de 3)=2/6=1/3, indépendamment des autres lancers : X~B(8 ; 1/3). P(X=k)=C(8,k)(1/3)^k(2/3)^(8−k) : k=0→256/6561≈0,039 ; 1→1024/6561≈0,156 ; 2→1792/6561≈0,273 ; 3→1792/6561≈0,273 ; 4→1120/6561≈0,171 ; 5→448/6561≈0,068 ; 6→112/6561≈0,017 ; 7→16/6561≈0,0024 ; 8→1/6561≈0,0002.

2. E(X)=np=8/3≈2,67. V(X)=np(1−p)=8×1/3×2/3=16/9≈1,78. σ(X)=√(16/9)=4/3≈1,33.

4

Temps d'attente à un arrêt de bus (loi uniforme)

● Moyen

Un bus passe à un arrêt à intervalles réguliers de 20 minutes. Un usager arrive à cet arrêt à un instant aléatoire. On note T le temps d'attente, en minutes, avant l'arrivée du prochain bus. On admet que T suit la loi uniforme sur [0 ; 20].

  1. Rappeler la densité f de T et vérifier qu'il s'agit bien d'une densité de probabilité.
  2. Calculer P(T≤5) puis P(5≤T≤15).
  3. Calculer E(T) et interpréter. Calculer V(T) et σ(T).
  4. Sachant que l'usager a déjà attendu plus de 8 minutes, calculer P(T<12 | T>8).
Correction

1. f(t)=1/20 pour t∈[0;20], f(t)=0 sinon. f≥0 et ∫₀²⁰(1/20)dt=1 : f est bien une densité.

2. P(T≤5)=5/20=1/4. P(5≤T≤15)=10/20=1/2.

3. E(T)=(0+20)/2=10 min : en moyenne, l'usager attend la moitié de l'intervalle entre deux bus. V(T)=(20−0)²/12=100/3≈33,3. σ(T)=10/√3=10√3/3≈5,77 min.

4. P(T<12|T>8)=P(8<T<12)/P(T>8)=[4/20]/[12/20]=4/12=1/3.

5

Densité parabolique et symétrie

● Difficile

Soit f la fonction définie sur ℝ par f(x)=k(4−x²) si x∈[−2 ; 2], f(x)=0 sinon, où k est un réel strictement positif.

  1. Déterminer k pour que f soit une densité de probabilité.
  2. Soit X une variable aléatoire de densité f. Déterminer la fonction de répartition F de X sur [−2 ; 2].
  3. Calculer P(−1≤X≤1).
  4. Justifier par symétrie que E(X)=0, puis le vérifier par le calcul.
  5. Calculer V(X).
Correction

1. ∫₋₂²k(4−x²)dx=k[4x−x³/3]₋₂²=k×32/3=1, donc k=3/32.

2. Pour x∈[−2;2] : F(x)=(3/32)[4t−t³/3]₋₂ˣ=−x³/32+3x/8+1/2 (F(x)=0 si x<−2, F(x)=1 si x>2).

3. F(1)=27/32 ; F(−1)=5/32. P(−1≤X≤1)=27/32−5/32=22/32=11/16.

4. f est paire donc x·f(x) est impaire : son intégrale sur [−2;2] est nulle, d'où E(X)=0. Calcul direct : E(X)=(3/32)∫₋₂²(4x−x³)dx=0 car 4x−x³ est une fonction impaire.

5. V(X)=E(X²)=(3/32)∫₋₂²(4x²−x⁴)dx=(3/32)(64/3−64/5)=(3/32)×128/15=4/5=0,8. σ(X)=√(4/5)=2√5/5≈0,89.

1

Deux urnes, somme conditionnelle et répétition binomiale

● Niveau Bac

Une première urne contient huit boules vertes, dont une porte le chiffre 1, trois portent le chiffre 2 et quatre portent le chiffre 4. Une deuxième urne contient six boules rouges, dont une porte le chiffre 3, deux portent le chiffre 5 et trois portent le chiffre 6.

  1. On tire au hasard une boule de chaque urne. On note X le chiffre porté par la boule verte et Y le chiffre porté par la boule rouge. a) Calculer P(X=2 et Y=6). b) Démontrer que P(X+Y≥8)=29/48.
  2. On note A l'événement {X+Y≥8}. On répète dix fois de suite ce double tirage, en remettant à chaque fois les boules dans leurs urnes respectives (tirages indépendants). On note Z le nombre de réalisations de A. Calculer P(Z=5) et E(Z).
Correction

1a. P(X=2)=3/8, P(Y=6)=3/6=1/2 (tirages indépendants) : P(X=2 et Y=6)=3/8×1/2=3/16.

1b. P(X=1)=1/8, P(X=2)=3/8, P(X=4)=1/2 ; P(Y=3)=1/6, P(Y=5)=1/3, P(Y=6)=1/2. Les couples (X,Y) tels que X+Y≥8 sont (2,6) somme 8, (4,5) somme 9, (4,6) somme 10. P(X+Y≥8)=3/16+1/6+1/4=9/48+8/48+12/48=29/48. ✓

2. Z~B(10 ; 29/48). P(Z=5)=C(10,5)×(29/48)⁵×(19/48)⁵=252×(29/48)⁵×(19/48)⁵≈0,197. E(Z)=10×29/48=145/24≈6,04.

2

Loi du premier succès (loi géométrique)

● Moyen

On répète une épreuve de Bernoulli dont la probabilité de succès est p (p∈]0;1[), les répétitions étant indépendantes. On note X le nombre d'épreuves nécessaires pour obtenir le premier succès.

  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 « échec aux k−1 premières épreuves, puis succès à la k-ième » : par indépendance, P(X=k)=(1−p)^(k−1)×p, pour k=1,2,3,... (loi géométrique de paramètre p).

2. Σ(k=1 à n)(1−p)^(k−1)p=p×[1−(1−p)ⁿ]/[1−(1−p)]=1−(1−p)ⁿ (somme géométrique de raison 1−p). Comme 0<1−p<1, (1−p)ⁿ→0 quand n→+∞, donc la somme tend vers 1. ✓

3

Densité xe⁻ˣ et calcul de moments

● Difficile

Soit f la fonction définie sur [0 ; +∞[ par f(x)=k·x·e⁻ˣ (et f(x)=0 pour x<0), où k est une constante réelle. On admet que ∫₀^(+∞) x e⁻ˣ dx=1, ∫₀^(+∞) x² e⁻ˣ dx=2 et ∫₀^(+∞) x³ e⁻ˣ dx=6 (obtenues par intégrations par parties successives).

  1. Déterminer k pour que f soit une densité de probabilité.
  2. X étant de densité f, calculer P(X≤1) et P(X≥2) (valeurs exactes puis approchées à 10⁻³ près).
  3. Calculer E(X).
  4. Calculer V(X).
Correction

1. ∫₀^(+∞) k·x·e⁻ˣ dx=k×1=1, donc k=1. f(x)=xe⁻ˣ sur [0;+∞[.

2. Par IPP, ∫xe⁻ˣdx=−(x+1)e⁻ˣ+C. P(X≤1)=[−(x+1)e⁻ˣ]₀¹=1−2e⁻¹≈0,264. P(X≥2)=[−(x+1)e⁻ˣ]₂^(+∞)=3e⁻²≈0,406.

3. E(X)=∫₀^(+∞)x·f(x)dx=∫₀^(+∞)x²e⁻ˣdx=2.

4. E(X²)=∫₀^(+∞)x²·f(x)dx=∫₀^(+∞)x³e⁻ˣdx=6. V(X)=E(X²)−[E(X)]²=6−4=2. σ(X)=√2≈1,41.

4

Durée de vie d'un composant électronique

● Difficile

La durée de vie, en années, d'un composant électronique est modélisée par une variable aléatoire T suivant la loi exponentielle de paramètre λ=0,2.

  1. Rappeler la densité de T. Calculer la probabilité que le composant tombe en panne avant 5 ans.
  2. Calculer la probabilité que le composant fonctionne encore après 10 ans.
  3. Sachant que le composant a déjà fonctionné 5 ans sans panne, quelle est la probabilité qu'il fonctionne encore au moins 10 années supplémentaires ? Quelle propriété utilise-t-on ?
  4. Calculer la durée de vie moyenne E(T) et l'écart type σ(T).
  5. Le fabricant garantit le composant pendant une durée t₀ telle que la probabilité de panne avant t₀ soit inférieure ou égale à 5 %. Déterminer, en mois (1 an = 12 mois), la plus grande valeur entière possible de t₀.
Correction

1. f(t)=0,2 e^(−0,2t) pour t≥0. P(T<5)=F(5)=1−e^(−1)≈0,632.

2. P(T>10)=e^(−0,2×10)=e⁻²≈0,135.

3. Par la propriété d'absence de mémoire de la loi exponentielle, P(T>15|T>5)=P(T>10)=e⁻²≈0,135 : le passé n'affecte pas la probabilité de tenir 10 ans de plus.

4. E(T)=1/λ=5 ans. σ(T)=1/λ=5 ans (V(T)=1/λ²=25).

5. On veut F(t₀)≤0,05, soit 1−e^(−0,2t₀)≤0,05, donc e^(−0,2t₀)≥0,95, soit t₀≤−ln(0,95)/0,2≈0,2565 an≈3,08 mois. La plus grande durée entière en mois respectant la contrainte est t₀=3 mois (à 4 mois, F≈0,0645>5 %, la contrainte n'est plus respectée).

5

Fonction de répartition définie par morceaux

● Moyen

On considère une variable aléatoire continue X dont la fonction de répartition F est définie par : F(x)=0 si x<0 ; F(x)=x²/4 si 0≤x<2 ; F(x)=1 si x≥2.

  1. Vérifier que F est bien une fonction de répartition valide (continuité, croissance, limites).
  2. En déduire la densité f de X.
  3. Calculer P(1≤X≤1,5).
  4. Calculer E(X) et V(X).
  5. Déterminer la médiane m de X.
Correction

1. F(0)=0 et F(2⁻)=4/4=1=F(2) : F est continue en 0 et en 2, croissante sur [0;2] (x↦x²/4 croissante sur ℝ₊), constante ailleurs, de limite 0 en −∞ et 1 en +∞ : F est une fonction de répartition valide.

2. f(x)=F'(x)=x/2 pour x∈]0;2[, f(x)=0 ailleurs. Vérification : ∫₀²(x/2)dx=[x²/4]₀²=1. ✓

3. P(1≤X≤1,5)=F(1,5)−F(1)=1,5²/4−1²/4=0,5625−0,25=0,3125=5/16.

4. E(X)=∫₀²x·(x/2)dx=[x³/6]₀²=8/6=4/3≈1,33. E(X²)=∫₀²x²·(x/2)dx=[x⁴/8]₀²=2. V(X)=2−(4/3)²=2−16/9=2/9≈0,22.

5. F(m)=0,5 ⟺ m²/4=0,5 ⟺ m²=2 ⟺ m=√2≈1,414 (racine positive dans [0;2]).