Un test médical est positif : quel est le risque d'être malade ? Une carte sort défectueuse : de quelle machine vient-elle ? Un pourcentage lu dans un journal : sur quel groupe est-il calculé ? Toutes ces questions ont le même cœur : une information change une probabilité. Ce chapitre t'apprend à en tenir compte, avec trois outils : le tableau croisé, l'arbre pondéré et la formule des probabilités totales. Il définit ensuite l'indépendance : deux évènements sont indépendants quand l'un n'apporte aucune information sur l'autre.
Le chapitre part de zéro : les leçons 1 à 5 posent toutes les bases, sans rien supposer de connu sur les probabilités conditionnelles ni sur les tableaux croisés. Elles préparent aussi deux automatismes évalués à l'épreuve anticipée : calculer une probabilité conditionnelle à partir d'un tableau ou d'un arbre, et distinguer , et .
Comme à l'épreuve anticipée, tout se fait ici sans calculatrice, sauf ce que l'on confie à Python en leçon 10. Les encadrés « Automatisme » signalent les calculs à savoir faire de tête, sans hésiter.
Leçon 1 : Rappels : univers, évènements, probabilités
1.1 Expérience aléatoire, univers
Une expérience aléatoire est une expérience dont on connaît les résultats possibles, sans savoir lequel on va obtenir. Chaque résultat possible est une issue. L'ensemble de toutes les issues est l'univers, noté . Le nombre d'éléments d'un ensemble fini est son cardinal, noté .
Exemple 1 (la roue). Dans un jeu de société, on fait tourner une roue à douze secteurs égaux, numérotés de à . L'univers est , et .
1.2 Évènements
Un évènement est un sous-ensemble de , c'est-à-dire une partie des issues.
Exemple 2. Sur la roue, on note : « le numéro est pair » et : « le numéro est un multiple de ». Alors et .
- Pour un élément, on dit « appartient » : .
- Pour un ensemble, on dit « inclus » : .
- L'ensemble vide est l'évènement impossible ; est l'évènement certain.
1.3 Et, ou, contraire
| Écriture | Se lit | Contient |
|---|---|---|
| et | les issues communes à et à | |
| ou | les issues de l'un au moins des deux | |
| , ou | contraire de | les issues qui ne sont pas dans |
En mathématiques, le « ou » n'exclut pas le cas où les deux sont réalisés.
Deux évènements sans issue commune sont incompatibles : .
Exemple 3. Sur la roue, et . Le contraire de est . Les évènements et sont incompatibles, et leur réunion est . En revanche, et ne sont pas incompatibles : .
1.4 Loi de probabilité
Une loi de probabilité associe à chaque issue un nombre compris entre et , et la somme de ces nombres vaut . La probabilité d'un évènement est la somme des probabilités de ses issues.
Exemple 4 (un dé mal équilibré). Un dé à quatre faces suit la loi suivante.
Face Probabilité La somme vaut , donc . Obtenir un numéro pair a pour probabilité .
1.5 Équiprobabilité
Quand toutes les issues ont la même probabilité, on parle d'équiprobabilité. C'est une hypothèse du modèle, pas un résultat : on suppose la roue bien équilibrée. Alors, pour tout évènement ,
Exemple 5. Sur la roue, , et .
1.6 Règles de calcul
Pour tous évènements et :
- ;
- ;
- , autrement dit : on retire ce qui a été compté deux fois.
Exemple 6. Sur la roue, . On retrouve bien : huit issues sur douze.
Automatisme. Quatre réflexes : une probabilité est comprise entre et ; ; la somme des probabilités des issues vaut ; en cas d'équiprobabilité, .
Leçon 2 : Tableau croisé, fréquences marginales et conditionnelles
2.1 Proportions
La proportion d'une partie dans un ensemble est l'effectif de la partie, divisé par l'effectif total. Elle s'écrit de trois façons : .
Automatisme. Pour retrouver un effectif, on multiplie : de , c'est .
2.2 Tableau croisé
Un tableau croisé d'effectifs répartit une population selon deux caractères. Chaque case compte les individus qui ont les deux caractères à la fois. Les totaux se lisent dans les marges.
Exemple 7 (le camping). Un soir d'août, un camping accueille vacanciers. On note leur origine et leur hébergement.
Tente Bungalow Total France Étranger Total
2.3 Fréquences marginales
Une fréquence marginale est un total de ligne ou de colonne, divisé par l'effectif total. Elle porte sur toute la population et sur un seul caractère.
Exemple 7 (suite). Les vacanciers venus de France représentent du camping ; ceux qui dorment sous tente en représentent .
2.4 Fréquences conditionnelles
Une fréquence conditionnelle se calcule à l'intérieur d'une sous-population : on ne regarde qu'une ligne ou qu'une colonne. Le dénominateur est l'effectif de cette sous-population.
Exemple 7 (suite). Parmi les vacanciers venus de France, dorment sous tente. Parmi ceux venus de l'étranger, . La tente est deux fois plus fréquente chez les vacanciers étrangers.
2.5 Parmi qui ?
Le même numérateur peut donner des fréquences très différentes.
Exemple 7 (suite). des vacanciers venus de France dorment sous tente : c'est . Mais parmi les vacanciers sous tente, ceux qui viennent de France sont .
Attention. Devant un pourcentage, demande-toi toujours : parmi qui ? Ce groupe donne le dénominateur. Les phrases « des vacanciers venus de France dorment sous tente » et « des vacanciers sous tente viennent de France » n'ont pas le même sens.
2.6 Compléter un tableau
Exemple 8 (un refuge). Un refuge accueille animaux : chiens et chats. On sait que des chiens et des chats sont jeunes. On calcule d'abord et . On complète par soustraction, et , puis on additionne les colonnes.
Jeune Adulte Total Chiens Chats Total
2.7 Proportion d'une proportion
La proportion d'une proportion s'obtient par un produit.
Exemple 8 (suite). Les chiens sont des animaux, et les chiots sont des chiens. Les chiots représentent donc , soit des animaux. Le tableau le confirme : .
Leçon 3 : Probabilité conditionnelle
3.1 Du tableau aux probabilités
Quand on choisit un individu au hasard dans une population, chacun a la même probabilité d'être choisi. Une probabilité est alors une proportion, et les fréquences du tableau deviennent des probabilités.
Exemple 9. Au camping (exemple 7), on choisit un vacancier au hasard. On note : « il vient de France » et : « il dort sous tente ». Alors , et .
3.2 Définition
Si l'on sait que le vacancier vient de France, on reste dans la ligne France : la probabilité qu'il dorme sous tente vaut . L'information a réduit l'univers.
Définition. Soit un évènement tel que . La probabilité de sachant est le nombre
En cas d'équiprobabilité, on a aussi
Exemple 9 (suite). . C'est le résultat trouvé avec les effectifs, car .
3.3 Lire la notation
Dans , l'évènement en indice est celui qu'on sait réalisé : il devient le nouvel univers. L'évènement entre parenthèses est celui qu'on cherche. Une probabilité conditionnelle reste une probabilité : .
Exemple 10 (une information change une probabilité). On lance un dé équilibré à six faces. On note : « le résultat est au moins » et : « le résultat est pair ». Sans information, . Sachant , il reste les issues , et , dont deux sont paires : . Avec la formule : .
3.4 La formule dans les deux sens
En multipliant par , on obtient la formule du produit :
Exemple 11. Si et , alors . Si et , alors .
C'est la « proportion d'une proportion » de la leçon 2.
3.5 Le contraire, sachant
Quand on sait que est réalisé, ou bien a lieu, ou bien il n'a pas lieu :
Exemple 9 (suite). , donc .
Attention. C'est le « sachant » qui reste le même. La somme n'a aucune raison de valoir : ici, elle vaut .
Leçon 4 : Arbres pondérés
4.1 Construire un arbre
Un arbre pondéré résume une expérience en plusieurs étapes. On le lit de gauche à droite.
- Au premier niveau, les branches portent des probabilités, comme .
- Au second niveau, elles portent des probabilités conditionnelles : une branche porte la probabilité sachant le point d'où elle part.
- La somme des probabilités des branches issues d'un même point vaut .
Exemple 12 (une auto-école). Dans une auto-école, des élèves suivent la conduite accompagnée. Parmi eux, obtiennent le permis du premier coup ; parmi les autres, . On choisit un élève au hasard. On note : « il suit la conduite accompagnée » et : « il réussit du premier coup ». Le mot « parmi » annonce une probabilité conditionnelle : , et . On complète avec des différences à :
Premier niveau Second niveau Chemin Probabilité du chemin : : : : : : : :
4.2 Règle du produit
La probabilité d'un chemin est le produit des probabilités de ses branches. Ce n'est pas une règle nouvelle : c'est la formule du produit de la leçon 3, .
La somme des probabilités de tous les chemins vaut : c'est un contrôle à faire à chaque fois. Dans l'exemple 12, .
4.3 Règle de la somme
La probabilité d'un évènement est la somme des probabilités des chemins qui y mènent, car ces chemins sont incompatibles.
Exemple 12 (suite). L'évènement se réalise par deux chemins : . Un élève a de chances de réussir du premier coup.
4.4 Trois lectures d'un arbre
| Sur l'arbre | Nombre | Sens |
|---|---|---|
| une branche | ||
| un chemin | ||
| deux chemins |
L'arbre ne donne pas directement : on revient à la définition, .
Automatisme. Une branche du second niveau, c'est un « sachant ». Un bout de chemin, c'est un « et ».
Leçon 5 : Trois probabilités à distinguer, faux positifs
5.1 Une case, trois dénominateurs
, et utilisent le même numérateur, mais pas le même dénominateur.
Exemple 13. Au camping (exemple 7), la case donne trois nombres différents :
- , sur toute la population ;
- , à l'intérieur de la ligne France ;
- , à l'intérieur de la colonne Tente.
5.2 De la phrase au symbole
| Phrase | Groupe | Symbole |
|---|---|---|
| des vacanciers viennent de France et dorment sous tente | tous | |
| des vacanciers venus de France dorment sous tente | ||
| des vacanciers sous tente viennent de France |
Automatisme. Sur quel groupe le pourcentage est-il calculé ? Si c'est toute la population, il n'y a pas d'indice. Sinon, ce groupe va en indice.
5.3 Un test de dépistage
Exemple 14. Dans une population, des personnes ont une certaine maladie. Un test est positif pour des malades et pour des personnes non malades. On note : « la personne est malade » et : « son test est positif ». Ainsi , et .
Imaginons personnes. Il y a malades, dont ont un test positif ; il y a personnes non malades, dont ont un test positif.
Test positif Test négatif Total Malades Non malades Total Une personne a un test positif. La probabilité qu'elle soit malade est
Ce n'est pas : et répondent à deux questions différentes. Inverser le « sachant », c'est changer de question. La maladie étant rare, les personnes non malades sont si nombreuses que d'entre elles dépassent les malades : contre . Le test n'est pas mauvais pour autant, car il fait passer le risque de à environ . Mais un test positif ne suffit pas pour conclure.
5.4 Vocabulaire des tests
| Mot | Sens | Dans l'exemple 14 |
|---|---|---|
| Faux positif | personne non malade, test positif | personnes |
| Faux négatif | personne malade, test négatif | personne |
| Sensibilité | ||
| Spécificité |
5.5 Un peu d'histoire
Les probabilités conditionnelles apparaissent dans des travaux de Bayes et de Moivre, écrits en anglais au XVIIIe siècle, même si c'est Laplace qui en a élaboré la notion. Elles sont partout dans la vie courante, et leur utilisation inappropriée mène facilement à de fausses affirmations.
Leçon 6 : Partition de l'univers, probabilités totales
6.1 Partition de l'univers
Définition. Des évènements , , …, forment une partition de l'univers , ou un système complet d'évènements, s'ils sont deux à deux incompatibles et si leur réunion est . Chaque issue est alors dans un morceau, et un seul.
Exemple 15. Sur la roue, , et forment une partition. En revanche, « pair » et « multiple de » n'en forment pas une : est dans les deux, et n'est dans aucun.
Le cas le plus fréquent est le plus simple : et forment toujours une partition en deux morceaux.
6.2 La formule des probabilités totales
Une partition découpe aussi tout évènement en morceaux : , , …, . Ces morceaux sont incompatibles et leur réunion est . On additionne donc leurs probabilités.
Formule des probabilités totales. Si , …, forment une partition de , alors, pour tout évènement , Si les sont de probabilité non nulle, chaque terme s'écrit .
Pour la partition en deux morceaux : .
Sur un arbre, c'est ce que tu sais déjà faire : on additionne tous les chemins qui mènent à .
Exemple 16 (une imprimerie). Une imprimerie fabrique des cartes postales sur trois machines. La machine produit des cartes, en produit et en produit . Les cartes défectueuses représentent de la production de , de celle de et de celle de . On prend une carte au hasard ; : « la carte est défectueuse ».
, et forment une partition : chaque carte sort d'une machine, et d'une seule. Donc
6.3 Inverser le conditionnement
Pour obtenir quand on connaît , on revient à la définition, après avoir calculé .
Exemple 16 (suite). Une carte est défectueuse. La probabilité qu'elle vienne de la machine est La machine fait des cartes, mais des défauts.
6.4 Trouver une inconnue
Exemple 17. On sait que , et . On cherche . La formule donne , donc et .
Leçon 7 : Indépendance de deux évènements
7.1 Définition
Définition. Soient et deux évènements, avec . On dit que et sont indépendants si Autrement dit, savoir que est réalisé ne change pas la probabilité de .
Exemple 18. Sur la roue, : « pair » et : « multiple de ». On a . Sachant , il reste , , et , dont deux numéros pairs : . Les évènements et sont indépendants.
7.2 Forme produit
Comme , dire que revient à dire que :
Cette formule est symétrique : et y jouent le même rôle. Si , on a donc aussi .
7.3 Justifier une indépendance
Par le calcul. On calcule séparément les deux membres de l'égalité.
Exemple 18 (suite). et : et sont indépendants. Avec : « multiple de », on a , mais : et ne sont pas indépendants. C'est logique : un multiple de est toujours pair.
Sur un tableau croisé. On compare une fréquence conditionnelle et une fréquence marginale.
Exemple 19. Sur lycéens, jouent d'un instrument et font partie d'un club de sport ; font les deux.
Instrument Pas d'instrument Total Club Pas de club Total Dans le club, la proportion de musiciens est ; sur tous les lycéens, elle est . Les deux évènements sont indépendants.
Sur un arbre. Si les branches du second niveau portent les mêmes probabilités quel que soit le point de départ, alors les évènements sont indépendants.
Exemple 20. Si , alors d'après la formule des probabilités totales, et et sont indépendants. Dans l'exemple 12, et : et ne sont pas indépendants.
7.4 Indépendants ou incompatibles ?
Attention. Indépendants ne veut pas dire incompatibles. Deux évènements incompatibles ne peuvent pas se produire ensemble : si l'un a lieu, on sait que l'autre n'a pas lieu. Si et , alors alors que : deux tels évènements ne sont pas indépendants.
7.5 Utiliser une indépendance
Propriété. Si et sont indépendants, alors et le sont aussi, ainsi que et .
En effet, .
Exemple 21 (deux ascenseurs). Un immeuble a deux ascenseurs. Un jour donné, on note : « le premier est en panne », avec , et : « le second est en panne », avec . On suppose ces évènements indépendants.
- Les deux sont en panne : .
- Aucun n'est en panne : .
- Au moins un est en panne : . On retrouve .
7.6 Modèle et réalité
L'indépendance est une hypothèse du modèle. Si l'immeuble subit une coupure de courant, les deux ascenseurs s'arrêtent ensemble, et l'hypothèse tombe. Pour deux dés, on suppose l'indépendance parce que, physiquement, un dé n'agit pas sur l'autre. Dans un énoncé, l'indépendance est soit donnée, soit à justifier par un calcul.
Leçon 8 : Succession de deux épreuves indépendantes
8.1 Couples et produit cartésien
Quand on enchaîne deux épreuves, une issue est un couple : le résultat de la première, puis celui de la seconde. L'ordre compte : le couple n'est pas le couple . L'ensemble des couples est le produit cartésien .
8.2 Le modèle
Deux épreuves sont indépendantes si le résultat de l'une n'influence pas l'autre. Dans ce modèle, la probabilité d'un couple est le produit des probabilités de ses deux résultats :
8.3 Représentation par un tableau
Exemple 22 (deux dés). On lance un dé bleu, puis un dé rouge, tous deux équilibrés. Il y a couples, chacun de probabilité . Dans chaque case, on écrit la somme des deux dés.
bleu \ rouge La somme occupe six cases : . La somme n'en occupe qu'une : .
Si les issues ne sont pas équiprobables, on écrit dans chaque case le produit des deux probabilités.
Exemple 23. Une roue s'arrête sur rouge avec la probabilité , sur bleu avec , sur vert avec . Puis on lance une pièce équilibrée.
Pile : Face : Total Rouge : Bleu : Vert : Total
8.4 Représentation par un arbre
Exemple 24 (avec remise). Un sac contient cinq billes : trois rouges et deux bleues. On tire une bille, on note sa couleur, on la remet, et on en tire une seconde. Le sac est le même au second tirage : les deux tirages sont indépendants, et les branches du second niveau sont identiques aux premières. Ainsi . Deux billes de la même couleur : .
8.5 Le piège du tirage sans remise
Exemple 24 (suite). Si on ne remet pas la bille, il ne reste que quatre billes au second tirage, et leur composition dépend du premier tirage. Les tirages ne sont pas indépendants. L'arbre reste juste, car ses branches portent des probabilités conditionnelles : , et non .
8.6 Tableau ou arbre ?
Le tableau convient pour deux épreuves qui ont beaucoup d'issues. L'arbre convient quand il y a peu d'issues, et il se prolonge facilement à une troisième épreuve.
Leçon 9 : Répétition d'épreuves de Bernoulli
9.1 Épreuve de Bernoulli
Une épreuve de Bernoulli est une expérience aléatoire à deux issues : le succès , de probabilité , et l'échec , de probabilité .
Exemple 25. Lancer une pièce, répondre à une question par vrai ou faux, tirer sur une cible sont des épreuves de Bernoulli. Un lancer de dé a six issues ; mais si on regarde seulement si on a obtenu un , c'est une épreuve de Bernoulli, avec .
9.2 Répéter l'épreuve
On répète fois la même épreuve, de façon identique ( reste le même) et indépendante (un résultat n'influence pas le suivant). Pour , on dessine l'arbre : il a , , ou chemins.
La probabilité d'un chemin est le produit de ses branches. L'ordre ne change pas un produit : tous les chemins qui ont le même nombre de succès ont la même probabilité.
Méthode. Pour exactement succès, on repère les chemins concernés et on additionne leurs probabilités.
Exemple 26 (la pétanque). Un joueur tente trois tirs. On suppose les tirs indépendants, et chacun réussi avec la probabilité . C'est une hypothèse : elle néglige la fatigue ou la confiance. L'arbre a huit chemins.
Nombre de succès Chemins Probabilité d'un chemin Probabilité La somme vaut bien .
9.3 Au moins un succès
Le contraire de « au moins un succès » est « aucun succès » : un seul chemin. C'est le calcul le plus court.
Exemple 26 (suite). .
9.4 Quatre épreuves
Exemple 27 (un questionnaire). Un questionnaire compte quatre questions, à répondre par vrai ou faux. On répond au hasard : . L'arbre a seize chemins, chacun de probabilité . Exactement trois bonnes réponses : quatre chemins, car l'unique erreur est à la question , , ou . La probabilité vaut . Au moins trois bonnes réponses : on ajoute le chemin des quatre bonnes réponses, soit .
Leçon 10 : Python, la méthode de Monte-Carlo
10.1 Le principe
On tire un point au hasard dans un carré d'aire . La probabilité qu'il tombe dans une zone du carré est égale à l'aire de cette zone. Or, lorsque est grand, sauf exception, la fréquence observée est proche de la probabilité. Compter les points tombés dans la zone donne donc une estimation de son aire :
10.2 Estimer le nombre
La zone est le quart de disque de rayon centré à l'origine, d'aire . Un point du carré est dans cette zone si sa distance à l'origine est au plus , c'est-à-dire, d'après le théorème de Pythagore, si . Si est la fréquence des points dans la zone, alors , donc .
from random import random
def estimation_pi(n):
compteur = 0
for i in range(n):
x = random()
y = random()
if x**2 + y**2 <= 1:
compteur = compteur + 1
return 4 * compteur / n
La fonction random() renvoie un nombre au hasard entre et . En langage naturel, la ligne de comptage s'écrit « compteur compteur ».
Exemple 28. Une exécution a donné les résultats suivants. Le hasard change à chaque exécution : tes résultats seront différents.
estimation_pi(n)L'estimation s'améliore en général quand augmente, mais lentement.
10.3 Estimer l'aire sous la parabole
On cherche l'aire sous la parabole d'équation , entre et . Cette zone est dans le même carré, et un point y est si . Il suffit de changer le test, et de renvoyer la fréquence.
def aire_parabole(n):
compteur = 0
for i in range(n):
x = random()
y = random()
if y <= x**2:
compteur = compteur + 1
return compteur / n
Exemple 29. Une exécution a donné les résultats suivants.
aire_parabole(n)Ces résultats conduisent à conjecturer que l'aire vaut . C'est bien la valeur exacte : tu le démontreras en Terminale.
Ce qu'il faut retenir du chapitre
- Probabilité conditionnelle : , avec . En indice, ce qu'on sait ; entre parenthèses, ce qu'on cherche.
- Formule du produit : .
- Tableau croisé : le mot « parmi » donne le dénominateur.
- Arbre pondéré : le second niveau porte des probabilités conditionnelles ; un chemin est un produit ; un évènement est la somme des chemins qui y mènent.
- Distinguer : se calcule sur toute la population, dans , dans .
- Probabilités totales : si , …, forment une partition, .
- Indépendance : , c'est-à-dire . Incompatible ne veut pas dire indépendant.
- Deux épreuves indépendantes : . Avec remise : indépendantes ; sans remise : non.
- Bernoulli : pour , on dessine l'arbre ; « au moins un succès » se calcule par le contraire.
- Monte-Carlo : la fréquence des points tombés dans une zone est proche de son aire.
Rituel d'automatismes
Douze questions à réponses courtes, sans calculatrice, à faire en dix minutes environ : six sur ce chapitre, six sur des automatismes déjà travaillés. C'est le format de la première partie de l'épreuve anticipée. Télécharger le rituel du chapitre 4 (PDF, avec son corrigé).