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Leçon 1

Expériences aléatoires et probabilités

Le cours écrit

1.1 Expérience aléatoire et univers

Une expérience aléatoire est une expérience dont on connaît tous les résultats possibles, mais dont on ne peut pas prévoir le résultat avant de la réaliser : lancer un dé, tirer une boule dans une urne, choisir un élève au hasard dans une classe.

  • Chaque résultat possible est une éventualité (on dit aussi une issue).
  • L'ensemble de toutes les éventualités est l'univers, noté Ω\Omega (« oméga »). Dans ce chapitre, Ω\Omega est fini.

Exemple 1. On lance un dé cubique dont les faces sont numérotées de 11 à 66, et on lit le numéro de la face du dessus : Ω={1 ;2 ;3 ;4 ;5 ;6}\Omega = \{1\,;2\,;3\,;4\,;5\,;6\} et card Ω=6\mathrm{card}\,\Omega = 6.

Exemple 2. On lance deux fois une pièce de monnaie, et on note P pour pile, F pour face : Ω={PP ;PF ;FP ;FF}\Omega = \{PP\,;PF\,;FP\,;FF\}. Les éventualités PFPF et FPFP sont différentes : l'ordre compte.

1.2 Événements

Un événement est une partie de l'univers Ω\Omega. On le décrit par une phrase ou par la liste de ses éventualités. Un événement est réalisé si le résultat de l'expérience est l'une de ses éventualités.

Vocabulaire Sens Exemple avec le dé
événement élémentaire une seule éventualité {ω}\{\omega\} « obtenir 66 » ={6}= \{6\}
événement certain Ω\Omega, toujours réalisé « obtenir un numéro entre 11 et 66 »
événement impossible ∅\varnothing, jamais réalisé « obtenir 77 »

1.3 Opérations sur les événements

Soit AA et BB deux événements.

Événement Notation Il est réalisé quand…
contraire de AA A‾\overline{A} (« A barre ») AA n'est pas réalisé
AA et BB (intersection) A∩BA \cap B (« A inter B ») AA et BB sont réalisés tous les deux
AA ou BB (réunion) A∪BA \cup B (« A union B ») au moins l'un des deux est réalisé

Deux événements AA et BB sont incompatibles (ou disjoints) si A∩B=∅A \cap B = \varnothing : ils ne peuvent pas être réalisés en même temps. Un événement et son contraire sont incompatibles, et leur réunion est Ω\Omega.

Exemple 3. On lance le dé. Soit AA « obtenir un nombre pair » et BB « obtenir au moins 55 ».

  • A={2 ;4 ;6}A = \{2\,;4\,;6\}, B={5 ;6}B = \{5\,;6\}, A‾={1 ;3 ;5}\overline{A} = \{1\,;3\,;5\} ;
  • A∩B={6}A \cap B = \{6\} : « obtenir un nombre pair supérieur ou égal à 55 » ;
  • A∪B={2 ;4 ;5 ;6}A \cup B = \{2\,;4\,;5\,;6\} ;
  • CC « obtenir 11 » : A∩C=∅A \cap C = \varnothing, donc AA et CC sont incompatibles.

1.4 Probabilité sur un univers fini

Soit Ω={ω1 ;ω2 ;… ;ωn}\Omega = \{\omega_1\,;\omega_2\,;\dots\,;\omega_n\} un univers fini.

Définition. Définir une probabilité sur Ω\Omega, c'est associer à chaque éventualité ωi\omega_i un nombre pip_i tel que :

  • 0≤pi≤10 \leq p_i \leq 1 pour tout ii ;
  • p1+p2+⋯+pn=1p_1 + p_2 + \dots + p_n = 1.

La probabilité d'un événement AA, notée P(A)P(A), est la somme des probabilités des éventualités qui le composent. On pose P(∅)=0P(\varnothing) = 0.

Conséquences immédiates. P(Ω)=1P(\Omega) = 1, P(∅)=0P(\varnothing) = 0, et pour tout événement AA : 0≤P(A)≤10 \leq P(A) \leq 1.

On présente souvent la probabilité dans un tableau, appelé loi de probabilité sur Ω\Omega.

Exemple 4 (un dé pipé). Un dé est truqué : les faces 11 à 55 ont la même probabilité xx, et la face 66 a une probabilité trois fois plus grande.

Face 11 22 33 44 55 66
Probabilité xx xx xx xx xx 3x3x

La somme vaut 11 : 5x+3x=8x=15x + 3x = 8x = 1, donc x=18x = \dfrac18 et P({6})=38P(\{6\}) = \dfrac38.

Pour AA « obtenir un nombre pair » : P(A)=18+18+38=58P(A) = \dfrac18 + \dfrac18 + \dfrac38 = \dfrac58.

1.5 Propriétés

Pour tous événements AA et BB :

Propriété Formule
Événement contraire P(A‾)=1−P(A)P(\overline{A}) = 1 - P(A)
AA et BB incompatibles P(A∪B)=P(A)+P(B)P(A \cup B) = P(A) + P(B)
Cas général P(A∪B)=P(A)+P(B)−P(A∩B)P(A \cup B) = P(A) + P(B) - P(A \cap B)
Si A⊂BA \subset B P(A)≤P(B)P(A) \leq P(B)

Démonstration.

  • AA et A‾\overline{A} se partagent les éventualités de Ω\Omega : en ajoutant leurs probabilités, on obtient la somme de toutes les pip_i, donc P(A)+P(A‾)=1P(A) + P(\overline{A}) = 1.
  • Si A∩B=∅A \cap B = \varnothing, chaque éventualité de A∪BA \cup B est comptée une seule fois dans P(A)+P(B)P(A) + P(B).
  • Dans le cas général, les éventualités de A∩BA \cap B sont comptées deux fois dans P(A)+P(B)P(A) + P(B) : on les retire une fois.
  • Si A⊂BA \subset B, la somme qui donne P(B)P(B) contient tous les termes de celle qui donne P(A)P(A), plus des termes positifs.

Exemple 5. Avec le dé pipé de l'exemple 4, AA « pair » et BB « au moins 55 » : P(B)=18+38=12P(B) = \dfrac18 + \dfrac38 = \dfrac12, P(A∩B)=P({6})=38P(A \cap B) = P(\{6\}) = \dfrac38, donc P(A∪B)=58+12−38=34.P(A \cup B) = \frac58 + \frac12 - \frac38 = \frac34. Vérification directe : A∪B={2 ;4 ;5 ;6}A \cup B = \{2\,;4\,;5\,;6\} et 18+18+18+38=68=34\dfrac18 + \dfrac18 + \dfrac18 + \dfrac38 = \dfrac68 = \dfrac34. Enfin P(A‾)=1−58=38P(\overline{A}) = 1 - \dfrac58 = \dfrac38.

1.6 Fréquences et probabilités

Quand on répète un grand nombre de fois la même expérience aléatoire, dans les mêmes conditions, la fréquence d'apparition d'un événement se stabilise autour de sa probabilité. C'est une observation (on l'admet).

Exemple 6 (simulation). Un ordinateur a simulé 1 0001\,000 lancers d'un dé équilibré. Le 66 est sorti 11 fois sur les 1010 premiers lancers (fréquence 0,10{,}1), 1818 fois sur les 100100 premiers (0,180{,}18), 8080 fois sur les 500500 premiers (0,160{,}16) et 166166 fois sur les 1 0001\,000 (0,1660{,}166). La fréquence fluctue beaucoup au début, puis se rapproche de 16≈0,167\dfrac16 \approx 0{,}167.

Ce lien a deux usages :

  • la probabilité donne la fréquence à laquelle on peut s'attendre : avec le dé pipé, sur 800800 lancers, on s'attend à environ 800×38=300800 \times \dfrac38 = 300 six ;
  • quand on ne connaît pas une probabilité (dé truqué, objet défectueux…), on l'estime par une fréquence observée sur un grand nombre d'essais.

C'est le lien naturel entre la statistique et les probabilités : une fréquence observée est l'image statistique d'une probabilité.

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 1 et 2

  • Exercice 1 : un dé pipé
  • Exercice 2 : utiliser les formules (situation simplifiée)

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Corrigés

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