1Variable aléatoire et loi de probabilité
Définition. Une variable aléatoire définie sur un univers fini est une fonction qui associe un nombre réel à chaque issue de l’expérience aléatoire.
Notation. Pour un réel , est l’événement « prend la valeur » ; on note sa probabilité. De même , , , et est la somme des pour les valeurs inférieures ou égales à .
Définition. La loi de probabilité de est la donnée des valeurs prises par et des probabilités ; on la présente dans un tableau. On a toujours .
Méthode — déterminer une loi. Repérer les valeurs prises par ; pour chacune, décrire l’événement correspondant et calculer sa probabilité (dénombrement, tableau croisé, arbre pondéré) ; vérifier enfin que la somme des probabilités vaut . La loi se visualise par un diagramme en bâtons.
2Espérance, variance, écart type
Définition. L’espérance de est le nombre
C’est la moyenne des valeurs de pondérées par leurs probabilités : sur un très grand nombre de répétitions de l’expérience, la moyenne des valeurs observées se rapproche de .
Définition. La variance et l’écart type de sont
Ils mesurent la dispersion des valeurs de autour de ; s’exprime dans la même unité que .
Théorème — formule de König-Huygens. , où . C’est la formule à utiliser pour les calculs.
Figure 1 — Diagramme en bâtons de la loi du nombre de succès de épreuves de Bernoulli de paramètre .
Propriété — linéarité. Pour tous réels et :
Ajouter décale l’espérance mais ne change pas la dispersion ; multiplier par multiplie l’écart type par .
Méthode — calculer , et . Dresser le tableau de la loi, puis ajouter une ligne et une ligne : leurs sommes donnent et , d’où par König-Huygens, puis .
3Nombre de succès, jeux, échantillons
Définition. Un jeu est équitable lorsque l’espérance du gain algébrique du joueur est nulle : . Si , le jeu est favorable au joueur ; si , il lui est défavorable. Le gain algébrique tient compte de la mise.
Propriété — nombre de succès. On répète fois (), de façon indépendante, une épreuve de Bernoulli de paramètre , et on note le nombre de succès. La loi de s’obtient avec l’arbre : est le nombre de chemins à succès, multiplié par .
Remarque — simulation. Un échantillon de taille est la liste des valeurs obtenues en répétant fois l’expérience de façon indépendante ; sa moyenne varie d’un échantillon à l’autre, mais s’écarte rarement de de plus de , où : plus est grand, plus est proche de .
Remarque — algorithme. La fonction esperance_variance reçoit la liste des valeurs et celle des probabilités, et renvoie l’espérance et la variance de la loi ; la fonction moyenne_echantillon simule un échantillon de taille du lancer d’un dé équilibré et en renvoie la moyenne.
def esperance_variance(x, p):
e = sum(p[i] * x[i] for i in range(len(x)))
e2 = sum(p[i] * x[i] ** 2 for i in range(len(x)))
return e, e2 - e ** 2from random import randint
def moyenne_echantillon(n):
s = 0
for i in range(n):
s = s + randint(1, 6)
return s / n4Savoir-faire du chapitre
- Modéliser une situation par une variable aléatoire ; interpréter et utiliser les notations et .
- Déterminer la loi de probabilité de et la représenter par un diagramme en bâtons.
- Calculer , (par König-Huygens) et , et les interpréter.
- Utiliser la linéarité pour passer de à (changement d’unité, gain net, bénéfice).
- Étudier un jeu (équitable ou non), comparer deux stratégies ; déterminer la loi du nombre de succès de épreuves de Bernoulli.
5Exemples types
Un joueur lance un dé équilibré ; son gain algébrique , en euros, vaut si le résultat est , et sinon. Loi : , . Alors : le jeu est équitable. De plus , donc et .
Une température en degrés Celsius vérifie et . En degrés Fahrenheit, : , et .
Un joueur marque chaque lancer franc avec la probabilité et en tire , de façon indépendante ; est le nombre de paniers. L’arbre donne , , et (somme ). Alors paniers en moyenne.
Un jeu coûte euros : on tire une carte d’un jeu de cartes ; un as rapporte euros, une figure euros, les autres cartes rien. Le gain brut vérifie , et , donc . Le gain algébrique est , d’espérance : le jeu est défavorable au joueur, qui perd en moyenne euro par partie. Il serait équitable pour une mise de euro.
- Vérifier systématiquement que la somme des probabilités de la loi vaut ; une probabilité négative ou supérieure à signale une erreur.
- n’est pas toujours une valeur prise par (ici paniers) : c’est une moyenne, pas un résultat possible.
- Dans , se calcule avec les et les mêmes ; ce n’est pas .
- : le disparaît et le est au carré ; pour l’écart type, c’est , jamais s’il est négatif.
- Un jeu équitable se juge sur le gain algébrique (mise déduite), et non sur le montant reçu.