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Leçon 4

La loi binomiale

Vidéo 4 : La loi binomiale · 3 min 48 s · sous-titres en français

Le cours écrit

4.1 Définition

Définition. On considère un schéma de Bernoulli de paramètres nn et pp, et on note XX le nombre de succès obtenus. XX prend les valeurs 0,1,…,n0, 1, \ldots, n. Sa loi s'appelle la loi binomiale de paramètres nn et pp, notée B(n,p)\mathcal{B}(n, p). On dit que XX suit la loi B(n,p)\mathcal{B}(n, p).

Avec des nombres décimaux, on sépare les paramètres par un point-virgule : B(20 ;0,85)\mathcal{B}(20\,;0{,}85).

4.2 La probabilité de k succès

Théorème (programme). Si XX suit la loi B(n,p)\mathcal{B}(n, p), alors pour tout entier kk tel que 0⩽k⩽n0 \leqslant k \leqslant n : P(X=k)=(nk) pk (1−p)n−k.P(X = k) = \binom{n}{k}\,p^k\,(1 - p)^{n-k}.

Démonstration (programme).

  1. Une issue qui comporte kk succès et n−kn - k échecs est une liste de nn résultats d'épreuves indépendantes. Sa probabilité est le produit de kk facteurs égaux à pp et de n−kn - k facteurs égaux à 1−p1 - p, soit pk(1−p)n−kp^k(1 - p)^{n-k}.
  2. Une telle issue est connue dès que l'on choisit les rangs des kk succès parmi les nn rangs : c'est une partie à kk éléments de {1 ;2 ;… ;n}\{1\,;2\,;\ldots\,;n\}. Il y a donc (nk)\binom{n}{k} issues à kk succès (chapitre 6 : mots de longueur nn à kk lettres 11, chemins de l'arbre qui passent kk fois par SS).
  3. L'événement {X=k}\{X = k\} est la réunion de ces (nk)\binom{n}{k} issues, deux à deux incompatibles. On additionne leurs probabilités, toutes égales à pk(1−p)n−kp^k(1 - p)^{n-k} : P(X=k)=(nk) pk (1−p)n−kP(X = k) = \binom{n}{k}\,p^k\,(1 - p)^{n-k}.

C'est pour cette raison que les nombres (nk)\binom{n}{k} s'appellent les coefficients binomiaux.

4.3 Exemples

Exemple 8. Le nombre XX de lancers francs réussis par Maëlle sur trois suit la loi B(3 ;0,8)\mathcal{B}(3\,;0{,}8). Trois issues comportent deux succès (SSS‾SS\overline{S}, SS‾SS\overline{S}S, S‾SS\overline{S}SS), chacune de probabilité 0,82×0,2=0,1280{,}8^2 \times 0{,}2 = 0{,}128 : P(X=2)=(32)×0,82×0,2=3×0,128=0,384P(X = 2) = \binom32 \times 0{,}8^2 \times 0{,}2 = 3 \times 0{,}128 = 0{,}384. La loi complète est

kk 00 11 22 33
P(X=k)P(X = k) 0,0080{,}008 0,0960{,}096 0,3840{,}384 0,5120{,}512

La somme vaut 11 et la valeur la plus probable est 33.

Exemple 9. On lance cinq fois un dé équilibré et l'on compte les 66 obtenus. Le nombre XX de 66 suit la loi B(5 ;16)\mathcal{B}\left(5\,;\frac16\right) : P(X=2)=(52)(16)2(56)3=10×136×125216=6253 888≈0,161P(X = 2) = \binom52 \left(\frac16\right)^2\left(\frac56\right)^3 = 10 \times \frac{1}{36} \times \frac{125}{216} = \frac{625}{3\,888} \approx 0{,}161.

4.4 Remarques

  • La somme des probabilités vaut 1. Les événements {X=0},{X=1},…,{X=n}\{X = 0\}, \{X = 1\}, \ldots, \{X = n\} forment une partition de l'univers, donc ∑k=0n(nk)pk(1−p)n−k=1\displaystyle\sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k}p^k(1 - p)^{n-k} = 1.
  • Le nombre d'échecs. Dans le même schéma, le nombre d'échecs n−Xn - X suit la loi B(n,1−p)\mathcal{B}(n, 1 - p) : il suffit d'appeler « succès » l'échec. Pour p=12p = \frac12, la loi est symétrique : P(X=k)=P(X=n−k)P(X = k) = P(X = n - k), car (nn−k)=(nk)\binom{n}{n-k} = \binom{n}{k}.
  • Diagramme en bâtons. On représente la loi de XX par un bâton de hauteur P(X=k)P(X = k) au-dessus de chaque valeur kk. Les bâtons les plus hauts se trouvent autour des valeurs les plus probables.
  • Espérance et variance. Elles seront établies au chapitre 15 (sommes de variables aléatoires).

4.5 Reconnaître une loi binomiale

Pour justifier qu'une variable XX suit une loi binomiale, on vérifie trois points :

  1. on répète nn fois la même épreuve à deux issues, de probabilité de succès pp ;
  2. les répétitions sont indépendantes ;
  3. XX compte le nombre de succès.

On conclut : « XX suit la loi binomiale de paramètres nn et pp ».

Contre-exemple. Dans l'exemple 5, le nombre de bonbons à la menthe obtenus en deux tirages sans remise a pour loi 310\frac{3}{10}, 610\frac{6}{10}, 110\frac{1}{10} (pour 00, 11, 22 bonbons). Ce n'est pas la loi B(2 ;25)\mathcal{B}\left(2\,;\frac25\right), qui donne 925\frac{9}{25}, 1225\frac{12}{25}, 425\frac{4}{25} : les tirages ne sont pas indépendants.

Remarque. Quand on prélève quelques individus dans une très grande population, les énoncés disent souvent que le prélèvement « est assimilé à un tirage avec remise » : c'est cette phrase qui autorise le modèle binomial.

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 7 et 8

  • Exercice 7 : répondre au hasard
  • Exercice 8 : loi binomiale ou pas ?

Exercices du chapitre (PDF, 149 Ko)

Corrigés

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Corrigés du chapitre (PDF, 140 Ko)

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