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Leçon 3

Probabilités conditionnelles

Le cours écrit

3.1 Définition

Activité. Une urne contient 1010 boules : 66 rouges, dont 44 portent le numéro 11, et 44 vertes, dont 11 porte le numéro 11. On tire une boule au hasard. Soit RR « la boule est rouge » et UU « la boule porte le numéro 11 ». Alors P(U)=510=12P(U) = \dfrac{5}{10} = \dfrac12.

On apprend que la boule tirée est rouge. Il ne reste que 66 cas possibles, dont 44 favorables : la probabilité que la boule porte le numéro 11 devient 46=23\dfrac46 = \dfrac23. On remarque que 46=4/106/10=P(U∩R)P(R)\dfrac46 = \dfrac{4/10}{6/10} = \dfrac{P(U \cap R)}{P(R)}.

Définition. Soit BB un événement de probabilité non nulle. La probabilité de AA sachant BB est P(A/B)=P(A∩B)P(B).P(A/B) = \frac{P(A \cap B)}{P(B)}. On rencontre aussi les notations PB(A)P_B(A) et P(A∣B)P(A \mid B).

Propriété. Pour BB fixé, A↦P(A/B)A \mapsto P(A/B) est une probabilité sur Ω\Omega : elle est comprise entre 00 et 11, P(Ω/B)=1P(\Omega/B) = 1 et P(A‾/B)=1−P(A/B).P(\overline{A}/B) = 1 - P(A/B).

Attention. En général, P(A/B)≠P(B/A)P(A/B) \neq P(B/A). Dans l'activité, P(U/R)=23P(U/R) = \dfrac23, mais P(R/U)=P(R∩U)P(U)=4/105/10=45P(R/U) = \dfrac{P(R \cap U)}{P(U)} = \dfrac{4/10}{5/10} = \dfrac45.

3.2 Formule des probabilités composées

En multipliant la définition par P(B)P(B) (ou en échangeant les rôles) : si P(A)≠0P(A) \neq 0 et P(B)≠0P(B) \neq 0, P(A∩B)=P(B)×P(A/B)=P(A)×P(B/A).P(A \cap B) = P(B) \times P(A/B) = P(A) \times P(B/A).

Exemple 1. On reprend l'urne de 55 boules rouges et 33 vertes, et on tire successivement sans remise deux boules. Soit R1R_1 « la première est rouge » et R2R_2 « la deuxième est rouge ». Après une rouge, il reste 44 rouges sur 77 boules : P(R1∩R2)=P(R1)×P(R2/R1)=58×47=514.P(R_1 \cap R_2) = P(R_1) \times P(R_2/R_1) = \frac58 \times \frac47 = \frac{5}{14}.

3.3 Arbres pondérés

Une expérience qui se déroule en plusieurs étapes se représente par un arbre pondéré : sur chaque branche, on écrit la probabilité de l'événement au bout de la branche sachant le chemin déjà parcouru.

Règles de l'arbre.

  1. La somme des probabilités des branches issues d'un même nœud vaut 11.
  2. La probabilité d'un chemin est le produit des probabilités de ses branches (formule des probabilités composées).
  3. La probabilité d'un événement est la somme des probabilités des chemins qui le réalisent.

Exemple 2. Même urne, deux tirages sans remise. L'arbre a quatre chemins :

Chemin Probabilité
R1R_1 puis R2R_2 58×47=2056\dfrac58 \times \dfrac47 = \dfrac{20}{56}
R1R_1 puis R2‾\overline{R_2} 58×37=1556\dfrac58 \times \dfrac37 = \dfrac{15}{56}
R1‾\overline{R_1} puis R2R_2 38×57=1556\dfrac38 \times \dfrac57 = \dfrac{15}{56}
R1‾\overline{R_1} puis R2‾\overline{R_2} 38×27=656\dfrac38 \times \dfrac27 = \dfrac{6}{56}

La somme des quatre chemins vaut 5656=1\dfrac{56}{56} = 1. La deuxième boule est rouge sur deux chemins : P(R2)=2056+1556=3556=58.P(R_2) = \frac{20}{56} + \frac{15}{56} = \frac{35}{56} = \frac58. C'est la même probabilité que pour la première boule : sans information sur le premier tirage, le deuxième n'est ni favorisé ni défavorisé.

3.4 Formule des probabilités totales

Définition. Des événements B1B_1, B2B_2, …, BnB_n forment une partition de Ω\Omega s'ils sont deux à deux incompatibles, de probabilités non nulles, et si leur réunion est Ω\Omega. Exemple le plus courant : BB et B‾\overline{B}.

Théorème (formule des probabilités totales). Si B1B_1, …, BnB_n forment une partition de Ω\Omega, alors pour tout événement AA : P(A)=∑i=1nP(A∩Bi)=P(B1) P(A/B1)+P(B2) P(A/B2)+⋯+P(Bn) P(A/Bn).P(A) = \sum_{i=1}^{n} P(A \cap B_i) = P(B_1)\,P(A/B_1) + P(B_2)\,P(A/B_2) + \dots + P(B_n)\,P(A/B_n).

Démonstration. Les événements A∩BiA \cap B_i sont deux à deux incompatibles et leur réunion est AA. On ajoute leurs probabilités, puis on écrit chacune avec la formule des probabilités composées.

Sur un arbre, c'est la règle 3 : on ajoute les chemins qui mènent à AA.

Exemple 3 (situation simplifiée). Un élève se rend au lycée en car rapide avec la probabilité 0,70{,}7, sinon à pied. En car rapide, il arrive en retard avec la probabilité 0,20{,}2 ; à pied, avec la probabilité 0,10{,}1. Soit CC « il prend le car rapide » et RR « il est en retard ».

CC et C‾\overline{C} forment une partition de Ω\Omega : P(R)=P(C) P(R/C)+P(C‾) P(R/C‾)=0,7×0,2+0,3×0,1=0,14+0,03=0,17.P(R) = P(C)\,P(R/C) + P(\overline{C})\,P(R/\overline{C}) = 0{,}7 \times 0{,}2 + 0{,}3 \times 0{,}1 = 0{,}14 + 0{,}03 = 0{,}17. Il est en retard. Quelle est la probabilité qu'il ait pris le car rapide ? P(C/R)=P(C∩R)P(R)=0,140,17=1417≈0,82.P(C/R) = \frac{P(C \cap R)}{P(R)} = \frac{0{,}14}{0{,}17} = \frac{14}{17} \approx 0{,}82.

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Exercices 6 et 7

  • Exercice 6 : tableau et arbre
  • Exercice 7 : probabilités totales

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Corrigés

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