Première
Variables aléatoires réelles
Une expérience aléatoire produit souvent un résultat numérique : un gain, un score, une durée... On appelle variable aléatoire la fonction qui, à chaque issue, associe ce nombre. Ce chapitre présente la loi de probabilité d'une variable aléatoire, ses paramètres (espérance, variance, écart-type), ainsi que des méthodes de simulation en Python pour observer ces notions sur de grands échantillons. Le programme ne considère ici que des univers finis.
Variable aléatoire et loi de probabilité
Qu'est-ce qu'une variable aléatoire réelle ?
Une variable aléatoire réelle est une fonction qui, à chaque issue d'une expérience aléatoire d'univers fini , associe un nombre réel. Elle modélise le résultat numérique (gain, score, durée...) associé à cette expérience.
Exemple. On lance un dé équilibré à 6 faces. Si le résultat est 1, 2 ou 3, on perd 5 jetons ; si le résultat est 4 ou 5, on gagne 1 jeton ; si le résultat est 6, on gagne 10 jetons. On définit ainsi une variable aléatoire (le gain) par :
Notations
Soit une variable aléatoire définie sur , et un réel. On note :
- l'ensemble des issues de auxquelles associe la valeur ;
- l'ensemble des issues auxquelles associe une valeur inférieure ou égale à (de même pour , , ) ;
- la probabilité de l'événement , et celle de .
Dans l'exemple précédent, , donc .
Loi de probabilité d'une variable aléatoire
Soit une variable aléatoire prenant les valeurs . Déterminer la loi de probabilité de , c'est calculer pour chaque valeur , et présenter le résultat dans un tableau :
Comme pour toute loi de probabilité, la somme des probabilités vaut 1 :
Exemple. Pour le jeu de dé précédent, la loi de probabilité de est :
On vérifie bien : .
Exercice — Loi de probabilité d'un tirage dans une urne
Une urne contient 12 boules indiscernables au toucher : 5 rouges, 4 vertes et 3 jaunes. On tire au hasard une boule. Si elle est rouge, on gagne 2 € ; si elle est verte, on gagne 5 € ; si elle est jaune, on perd 4 €. On note la variable aléatoire égale au gain algébrique du joueur.
- Quelles sont les valeurs prises par ?
- Déterminer la loi de probabilité de .
- Calculer et interpréter ce résultat.
Exercice — Loi de probabilité d'un gain sur une roue de loterie
Une roue de loterie forain est divisée en 8 secteurs identiques, numérotés de 1 à 8. Un joueur fait tourner la roue et note le numéro obtenu à l'arrêt (les 8 secteurs sont équiprobables). Le gain du joueur dépend de : il gagne € si est impair, € si , et € si . On note la variable aléatoire égale au gain du joueur.
- Donner la probabilité de chaque valeur de , de à .
- Quelles sont les valeurs prises par ?
- Déterminer la loi de probabilité de .
- Calculer et interpréter ce résultat dans le contexte de l'énoncé.
Exercice — Loi de probabilité de la somme de deux dés
On lance simultanément deux dés équilibrés à 6 faces, l'un rouge et l'un bleu (les deux dés sont distinguables). On note la variable aléatoire égale à la somme des deux numéros obtenus.
- Combien l'univers de cette expérience compte-t-il d'issues équiprobables (couples formés du résultat du dé rouge et du résultat du dé bleu) ?
- Quelles sont les valeurs prises par ?
- En dénombrant, pour chaque valeur, le nombre de couples qui lui correspondent, déterminer la loi de probabilité de (chaque probabilité sera donnée sous forme de fraction de dénominateur ).
- Calculer .
- Calculer , puis . Comparer ces deux probabilités.
QCM — Variable aléatoire et loi de probabilité
Espérance, variance, écart-type et simulation en Python
Espérance mathématique
Définition. Soit une variable aléatoire prenant les valeurs avec les probabilités . L'espérance de est le réel :
L'espérance représente la valeur moyenne que prend si l'on répète un grand nombre de fois l'expérience aléatoire (loi des grands nombres).
Jeu équitable. Si représente le gain algébrique d'un jeu d'argent, on dit que le jeu est équitable lorsque .
Variance et écart-type
Définition. La variance de est le réel positif :
et l'écart-type de est . Ce sont des indicateurs de la dispersion des valeurs de autour de son espérance.
Formule de König-Huygens (souvent plus rapide à calculer) :
Exemple. Reprenons l'urne à 12 boules (5 rouges, 4 vertes, 3 jaunes) et le gain défini par (jaune), (rouge), (vert).
Simuler une variable aléatoire en Python
Reprenons l'urne précédente : vaut avec probabilité , avec probabilité , et avec probabilité . On peut simuler un tirage grâce à un nombre aléatoire dans , en découpant l'intervalle selon les probabilités cumulées :
import random
def simulation_X():
"""Simule une realisation de la variable aleatoire X (urne de boules)."""
r = random.random() # nombre aleatoire dans [0 ; 1[
if r < 1/4: # jaune (3 boules sur 12) : X = -4
return -4
elif r < 1/4 + 5/12: # rouge (5 boules sur 12) : X = 2
return 2
else: # vert (4 boules sur 12) : X = 5
return 5Moyenne d'un échantillon simulé
En répétant la simulation fois, on obtient un échantillon de taille , dont on peut calculer la moyenne :
def moyenne_echantillon(n):
"""Renvoie la moyenne d'un echantillon de n simulations de X."""
total = 0
for i in range(n):
total = total + simulation_X()
return total / nDistance entre moyenne d'échantillon et espérance
D'après la loi des grands nombres, plus la taille de l'échantillon est grande, plus sa moyenne se rapproche de l'espérance théorique . On peut mesurer cet écart, et étudier la proportion des échantillons pour lesquels la moyenne reste proche de , à moins de :
def proportion_proche(N, n, esperance, sigma):
"""Simule N echantillons de taille n et renvoie la proportion de ceux
dont la moyenne est a moins de 2*sigma/racine(n) de l'esperance."""
compteur = 0
seuil = 2 * sigma / (n ** 0.5)
for k in range(N):
m = moyenne_echantillon(n)
if abs(m - esperance) < seuil:
compteur = compteur + 1
return compteur / N
# Exemple d'utilisation, avec E(X) = 1,5 et sigma(X) = racine(11,75) :
# proportion_proche(1000, 30, 1.5, 11.75 ** 0.5)En pratique, on observe que cette proportion se rapproche de lorsque devient grand : c'est cet intervalle qui sera formalisé en terminale sous le nom d'intervalle de fluctuation.
Exercice — Un jeu de dé : espérance, variance et simulation
On propose le jeu suivant : la mise est de 3 €. On lance un dé équilibré à 6 faces.
- si le résultat est 6, le joueur reçoit 12 € ;
- si le résultat est 4 ou 5, le joueur est remboursé de sa mise (il reçoit 3 €) ;
- sinon (résultat 1, 2 ou 3), le joueur ne reçoit rien.
On note la variable aléatoire égale au gain algébrique net du joueur (différence entre ce qu'il reçoit et sa mise de 3 €).
- Déterminer les valeurs prises par , puis sa loi de probabilité.
- Calculer . Le jeu est-il équitable ?
- Calculer puis (on arrondira à près).
- Écrire une fonction Python
simulation_jeu()qui simule une partie (à l'aide derandom.randint(1, 6)) et renvoie le gain net .
Exercice — Loi donnée directement : espérance, variance et simulation Python
Une variable aléatoire a pour loi de probabilité :
- Vérifier que cette loi de probabilité est valide (on précisera la propriété utilisée).
- Calculer .
- Calculer à l'aide de la formule de König-Huygens, puis (arrondi à près).
- Écrire une fonction Python
simulation_X()qui simule une réalisation de à l'aide derandom.random(), sur le modèle de la méthode vue en cours (découpage de l'intervalle selon les probabilités cumulées). - En utilisant la fonction
moyenne_echantillon(n)du cours (qui appellesimulation_X()à chaque itération), quelle valeur attend-on d'obtenir, approximativement, pourmoyenne_echantillon(10000)? Justifier à l'aide d'un résultat du cours.
Exercice — Comparer deux jeux à l'aide de l'espérance et de la variance
Pour financer un voyage scolaire, le foyer d'un lycée propose deux jeux lors d'une kermesse.
Jeu A. La mise est de 2 €. Le joueur tire une carte au hasard parmi 20 cartes numérotées de 1 à 20. S'il tire un multiple de 5, il reçoit 10 € ; sinon, il ne reçoit rien. On note le gain net du joueur (différence entre ce qu'il reçoit et sa mise de 2 €).
Jeu B. La mise est de 2 €. Le joueur lance un dé équilibré à 6 faces. S'il obtient 6, il reçoit 6 € ; sinon, il ne reçoit rien. On note le gain net du joueur.
- Déterminer la loi de probabilité de , puis celle de .
- Calculer et . Que peut-on dire du jeu A ? Lequel des deux jeux est, en moyenne, le plus avantageux pour le foyer du lycée (l'organisateur) ?
- Calculer et , puis les écarts-types et (on donnera exactement et arrondi à près). Lequel des deux jeux a les gains les plus dispersés autour de leur moyenne ?
- Écrire une fonction Python
simulation_Y()qui simule le gain net d'une partie du jeu B, à l'aide derandom.randint(1, 6).
QCM — Espérance, variance et jeu équitable
Exercices bilan
Déterminer la loi de probabilité d'une variable aléatoire
Un sac opaque contient jetons indiscernables au toucher :
- quatre jetons portent le nombre ;
- trois jetons portent le nombre ;
- deux jetons portent le nombre ;
- un jeton porte le nombre .
On tire un jeton au hasard dans le sac, chaque jeton ayant la même probabilité d'être tiré. On note le nombre inscrit sur le jeton tiré : est une variable aléatoire.
- Préciser l'ensemble des valeurs prises par .
- Déterminer la loi de probabilité de et la présenter dans un tableau. Vérifier que la somme des probabilités obtenues vaut .
- Décrire par une phrase l'événement , puis calculer .
- Calculer , puis vérifier la cohérence de ce résultat avec .
- Un joueur marque autant de points que le nombre inscrit sur le jeton qu'il a tiré. Sachant qu'il a marqué au moins points, quelle est la probabilité qu'il en ait marqué ?
Calculer espérance, variance et écart-type de deux variables aléatoires
Deux jeux de société proposent chacun, à la fin d'une partie, un nombre de points algébrique (un nombre négatif correspond à une perte de points).
On note le nombre de points obtenus au premier jeu, dont la loi de probabilité est :
On note le nombre de points obtenus au second jeu, dont la loi de probabilité est :
- Vérifier que ces deux tableaux définissent bien des lois de probabilité.
- Calculer et . Que peut-on dire des deux jeux sur un grand nombre de parties ?
- Calculer à l'aide de la formule de König-Huygens, puis . On donnera la valeur exacte de l'écart-type, puis une valeur approchée au centième.
- Reprendre la question 3. pour .
- Retrouver la valeur de en utilisant cette fois la définition de la variance.
- Comparer les deux jeux et conclure par une phrase destinée à un joueur qui hésite entre les deux.
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Étudier le gain d'une loterie et trouver la mise qui rend le jeu équitable
Lors d'une fête de village, une roue de loterie est partagée en secteurs identiques. La roue est équilibrée : chaque secteur a la même probabilité d'être désigné par la flèche.
- Un secteur fait gagner euros.
- Deux secteurs font gagner euros.
- Les sept autres secteurs ne font rien gagner.
Pour participer, il faut miser euros. On note le gain algébrique du joueur, c'est-à-dire la somme reçue diminuée de la mise, exprimée en euros.
- Déterminer les valeurs prises par , puis sa loi de probabilité. Vérifier que la somme des probabilités vaut .
- Calculer . Interpréter ce résultat. Le jeu est-il équitable ?
- L'organisateur du stand reçoit joueurs dans la journée. Quel bénéfice moyen peut-il espérer ? Quel résultat du cours justifie ce raisonnement ?
- Calculer , puis . Interpréter la valeur obtenue en la comparant à l'espérance.
- L'organisateur souhaite proposer un jeu équitable. On note la mise, exprimée en euros. Exprimer l'espérance du gain algébrique en fonction de , puis déterminer la mise qui rend le jeu équitable.
Retrouver une loi de probabilité à partir de son espérance
Une machine d'atelier peut connaître , , ou incidents au cours d'une journée de production, mais jamais davantage. On note le nombre d'incidents relevés au cours d'une journée prise au hasard.
Le service de maintenance dispose du tableau incomplet suivant, où et désignent deux réels positifs :
Le service sait de plus que le nombre moyen d'incidents par journée est égal à .
- Écrire l'équation traduisant le fait que ce tableau définit bien une loi de probabilité.
- Écrire l'équation traduisant le fait que .
- Résoudre le système formé par ces deux équations, puis donner la loi de probabilité complète de .
- Calculer et . On donnera la valeur exacte de l'écart-type, puis une valeur approchée au centième.
- Calculer et interpréter ce résultat dans le contexte.
- On admet que les journées de production sont indépendantes les unes des autres. Calculer la probabilité qu'aucun incident ne survienne au cours de deux journées consécutives.
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Construire la loi d'une variable aléatoire à partir d'un arbre pondéré
Un stand de kermesse propose le jeu suivant. Le joueur lance une pièce équilibrée, puis tire au hasard un jeton dans l'une des deux urnes, selon le résultat du lancer.
- Si la pièce tombe sur Pile, il tire un jeton dans l'urne , qui contient cinq jetons : un jeton marqué , deux jetons marqués et deux jetons marqués .
- Si la pièce tombe sur Face, il tire un jeton dans l'urne , qui contient cinq jetons : un jeton marqué et quatre jetons marqués .
Dans chaque urne, les cinq jetons sont indiscernables au toucher. On note le nombre de points inscrit sur le jeton tiré.
- Décrire l'arbre pondéré de la situation en donnant, pour chaque nœud, les branches qui en partent et leur probabilité. Vérifier la règle des nœuds.
- Déterminer la loi de probabilité de . On nommera la formule utilisée, et on vérifiera que la somme des probabilités vaut .
- Calculer et interpréter ce résultat.
- Calculer et .
- Un joueur a obtenu points. Quelle est la probabilité que la pièce soit tombée sur Pile ? Commenter le résultat.
- Un joueur n'a marqué aucun point. Quelle est la probabilité qu'il ait tiré dans l'urne ?
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Simuler une variable aléatoire en Python et estimer son espérance
Dans un lycée, un distributeur de boissons enregistre le nombre de canettes achetées par chaque client qui s'en approche. On note ce nombre, dont la loi de probabilité a été établie sur une longue période :
- Vérifier que ce tableau définit bien une loi de probabilité, puis calculer , et . On donnera une valeur approchée de l'écart-type au centième.
- On souhaite simuler la variable aléatoire . Le programme Python suivant est incomplet : les deux seuils notés
???ont été effacés.
import random
def simulation_X():
"""Simule une realisation de X (nombre de canettes achetees)."""
r = random.random() # nombre aleatoire dans [0 ; 1[
if r < 0.4:
return 0
elif r < ???:
return 1
elif r < ???:
return 2
else:
return 3Recopier et compléter ce programme, puis expliquer d'où viennent les seuils utilisés.
- On dispose également de la fonction suivante.
def moyenne_echantillon(n):
"""Moyenne d'un echantillon de n simulations de X."""
total = 0
for i in range(n):
total = total + simulation_X()
return total / nDe quelle valeur l'appel moyenne_echantillon(10000) sera-t-il proche ? Nommer le résultat du cours qui le justifie.
- Écrire une fonction
proportion_au_moins_deux(n)qui simule clients et renvoie la proportion de ceux qui achètent au moins deux canettes. Vers quelle valeur cette proportion se stabilise-t-elle quand devient grand ? - Le distributeur est rempli avec canettes le matin, et l'on attend environ clients dans la journée. Le stock suffira-t-il en moyenne ? Justifier.
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Étude d'un contrat d'assurance pour vélos
Partie A — Les sommes versées par la compagnie
Une compagnie propose un contrat annuel d'assurance pour les vélos. Une étude statistique portant sur un grand nombre d'assurés montre que, au cours d'une année :
- des assurés ne déclarent aucun sinistre, et la compagnie ne verse rien ;
- déclarent un sinistre léger, pour lequel la compagnie verse euros ;
- déclarent un sinistre grave, pour lequel la compagnie verse euros.
On choisit au hasard un assuré et on note la somme, exprimée en euros, que la compagnie lui verse au cours de l'année.
- Donner la loi de probabilité de et vérifier que la somme des probabilités vaut .
- Calculer et interpréter ce résultat dans le contexte.
Partie B — Le bénéfice de la compagnie
Le contrat est vendu euros par an. On note le bénéfice réalisé par la compagnie sur un contrat, exprimé en euros : .
- Donner la loi de probabilité de .
- Calculer . Le contrat est-il équitable ? Interpréter le résultat du point de vue de la compagnie.
- Calculer , puis montrer que euros. Que traduit un écart-type aussi grand devant l'espérance ?
- La compagnie signe contrats, que l'on suppose indépendants. Quel bénéfice total peut-elle espérer ? Nommer le résultat du cours qui justifie ce raisonnement.
Partie C — Le prix du contrat
- On note désormais le prix annuel du contrat, exprimé en euros. Exprimer l'espérance du bénéfice de la compagnie en fonction de , puis déterminer les valeurs de pour lesquelles la compagnie est bénéficiaire en moyenne.
- Quel prix rendrait le contrat équitable ? Expliquer pourquoi la compagnie ne peut pas le pratiquer.
Partie D — Une simulation
- On donne le programme suivant.
import random
def versement():
"""Somme versee par la compagnie a un assure au cours d'une annee."""
r = random.random()
if r < 0.9:
return 0
elif r < 0.98:
return 200
else:
return 1000
def benefice_moyen(n):
"""Benefice moyen par contrat, sur n contrats simules."""
total = 0
for i in range(n):
total = total + 60 - versement()
return total / nExpliquer le rôle des seuils et , puis indiquer de quelle valeur l'appel benefice_moyen(10000) sera proche.
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