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Leçon 3

Espérance, lien avec la moyenne

Vidéo 3 : Espérance, lien avec la moyenne · 3 min 38 s · sous-titres en français

Le cours écrit

3.1 L'idée : une moyenne sur un grand nombre de parties

Exemple 14. Imagine 1 0001\,000 parties du jeu des enveloppes, avec exactement les proportions de la loi : 600600 enveloppes vides, 200200 de 55 euros et 200200 de 1010 euros. La somme totale vaut 600×0+200×5+200×10=3 000600 \times 0 + 200 \times 5 + 200 \times 10 = 3\,000 euros, soit 33 euros par partie. On a calculé une moyenne pondérée, et les proportions jouent le rôle des coefficients.

3.2 Définition

Définition. Si XX prend les valeurs x1x_1, …, xnx_n avec les probabilités p1p_1, …, pnp_n, l'espérance de XX est le nombre E(X)=p1x1+p2x2+⋯+pnxn.E(X) = p_1 x_1 + p_2 x_2 + \cdots + p_n x_n.

On peut l'écrire avec le symbole somme : E(X)=∑i=1npixiE(X) = \displaystyle\sum_{i=1}^{n} p_i x_i.

Exemple 15. Pour le jeu des enveloppes : E(X)=0,6×0+0,2×5+0,2×10=0+1+2=3E(X) = 0{,}6 \times 0 + 0{,}2 \times 5 + 0{,}2 \times 10 = 0 + 1 + 2 = 3.

Exemple 16. Pour l'archère : E(X)=0,04×0+0,32×1+0,64×2=0,32+1,28=1,6E(X) = 0{,}04 \times 0 + 0{,}32 \times 1 + 0{,}64 \times 2 = 0{,}32 + 1{,}28 = 1{,}6.

3.3 Interpréter

L'espérance est la valeur moyenne de XX dans le modèle. Sur un très grand nombre de répétitions, la moyenne des valeurs obtenues est proche de E(X)E(X).

Ce n'est pas forcément une valeur prise par XX : aucune enveloppe ne contient 33 euros, et l'archère ne plante jamais 1,61{,}6 flèche. L'espérance a la même unité que XX.

3.4 Rappels de statistiques

Automatisme. Une série statistique se lit sur un tableau ou un diagramme en barres : repère d'abord les graduations des axes. Sa moyenne est la somme des valeurs, divisée par l'effectif total. La médiane partage la série ordonnée en deux parties de même effectif. Le premier quartile Q1Q_1 et le troisième quartile Q3Q_3 sont les plus petites valeurs de la série telles qu'au moins 25 %25\,\%, et au moins 75 %75\,\%, des valeurs leur soient inférieures ou égales.

Exemple 17 (une résidence). Une résidence compte 2020 logements. On relève le nombre d'occupants de chacun.

Occupants 11 22 33 44
Effectif 88 66 44 22

La moyenne vaut 8×1+6×2+4×3+2×420=4020=2\dfrac{8 \times 1 + 6 \times 2 + 4 \times 3 + 2 \times 4}{20} = \dfrac{40}{20} = 2. Dans la série ordonnée, les dixième et onzième valeurs valent 22 : la médiane vaut 22. La cinquième valeur donne Q1=1Q_1 = 1, et la quinzième donne Q3=3Q_3 = 3.

3.5 Une population vue comme une expérience aléatoire

On peut étudier une population avec des probabilités : on tire au sort un individu, avec équiprobabilité. Une proportion devient alors une probabilité.

Exemple 18. On tire au hasard un logement de la résidence, et on note XX son nombre d'occupants. Les effectifs divisés par 2020 donnent la loi de XX.

xix_i 11 22 33 44
P(X=xi)P(X = x_i) 0,40{,}4 0,30{,}3 0,20{,}2 0,10{,}1

Alors E(X)=0,4+0,6+0,6+0,4=2E(X) = 0{,}4 + 0{,}6 + 0{,}6 + 0{,}4 = 2 : on retrouve la moyenne de la série. C'est le même calcul, écrit avec des proportions : l'espérance de XX est la moyenne de la population.

3.6 Le dictionnaire entre statistique et probabilités

Statistique Probabilités
sous-population évènement
proportion probabilité
moyenne espérance
écart type écart type
fréquence conditionnelle probabilité conditionnelle

Exemple 19. Parmi les logements occupés par au moins deux personnes, soit 1212 logements, la proportion de logements de quatre occupants vaut 212=16\dfrac{2}{12} = \dfrac16. Avec les probabilités, c'est P{X≥2}(X=4)=0,10,6=16P_{\{X \geq 2\}}(X = 4) = \dfrac{0{,}1}{0{,}6} = \dfrac16.

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Exercices 5 et 6

  • Exercice 5 : calculer des espérances
  • Exercice 6 : un club de badminton

Exercices du chapitre (PDF, 165 Ko)

Corrigés

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Corrigés du chapitre (PDF, 149 Ko)

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