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MATHÉMATIQUES : PROBABILITÉS Séquence Niveau : IV Conditions de travail : Face à face ou autoformation Pré requis : Niveau V Support : Livret papier Sommaire I. Notion de probabilités ....................................................................................... 3 A. Vocabulaire ................................................................................................... 3 1. 2. 3. 4. II. A. Expérience aléatoire ............................................................................................ 3 Éventualités, Univers ........................................................................................... 4 Évènements......................................................................................................... 4 Évènements équiprobables ................................................................................. 6 Dénombrement ................................................................................................. 6 Les représentations graphiques des éventualités ......................................... 6 1. 2. 3. Le diagramme de Venn........................................................................................ 6 Le tableau à double entrée .................................................................................. 8 L’arbre ................................................................................................................11 III. Probabilités ..................................................................................................... 13 A. Calculer la probabilité d’un évènement en situation équiprobable ............... 13 B. Quelques propriétés des probabilités .......................................................... 14 C. Expériences aléatoires à deux épreuves ..................................................... 18 1. 2. D. Probabilités conditionnelles ......................................................................... 21 1. 2. 3. IV. Arbre pondéré par les probabilités ......................................................................19 Propriété .............................................................................................................20 Définition ............................................................................................................22 Définition mathématique .....................................................................................22 Formule de Bayes...............................................................................................22 Exercices d’application ................................................................................... 24 APP Nice Cagnes 1/25 02/04/15 14 PROBABILITÉS RECOMMANDATIONS Il est conseillé de : • faire les exercices sur des feuilles de classeur • rédiger les solutions des exercices • justifier tous les calculs • noter les unités • encadrer les résultats par un cadre rouge • corriger immédiatement chaque exercice et demander de l’aide si on n’identifie pas l’origine de l’erreur • classer soigneusement ses feuilles dans un classeur en fin de séance. Il est impératif de soigner la présentation et de noter : • la référence du dossier, • le numéro de la page, • le numéro de l’exercice, ceci afin de faciliter la correction. APP Nice Cagnes 2/25 Mise à jour le 02/04/15 par BRUNO DUBONNET 14 PROBABILITÉS I. Notion de probabilités La notion de « probabilités» se rapproche de celle de « chance », elle évoque l’incertitude… La probabilité exprime le nombre attendu de réalisations d’un « évènement » à l’issue d’une épreuve. Exemples : Une urne contient 70 boules rouges et 30 boules noires. On tire au hasard une boule de l’urne. Quelle est la probabilité de tirer une boule noire ? Quelle est la probabilité d‘interroger une fille dans cette classe ? Quelle est la probabilité de tirer une carte de cœur dans un jeu de 32 cartes ? Les probabilités sont un outil que l'on retrouve dans : • les jeux de hasard, le poker • la météo • l'évaluation des risques dans des installations industrielles • la médecine • etc. A. Vocabulaire 1. Expérience aléatoire On appelle expérience aléatoire une expérience dont le résultat n'est pas prévisible de façon certaine (notion de hasard). Exemples : Le lancer d'un ou de plusieurs dés, le tirage de cartes ou de numéros sont des expériences aléatoires : on connait les résultats possibles mais on ne sait pas lequel va se produire avant d’avoir réalisé l'expérience. APP Nice Cagnes 3/25 Mise à jour le 02/04/15 par BRUNO DUBONNET 14 PROBABILITÉS 2. Éventualités, Univers Les résultats possibles d'une expérience aléatoire sont appelés éventualités ou issues. L'ensemble de toutes les éventualités est appelé univers, on le note Ω. Exemple : On lance un dé cubique. Les issues sont : 1, 2, 3, 4, 5 et 6. L'univers des possibles est Ω = {1; 2; 3; 4; 5; 6} 3. Évènements Une partie de l'univers est appelée évènement. On définit un évènement par une phrase. Un évènement élémentaire est un évènement ne comportant qu’une seule issue (constitué d'une seule éventualité). L’union de deux évènements A et B, notée A ∪ B est le « regroupement » de ces deux évènements. On dit qu’on a A ou B. L’intersection de deux évènements A et B, notée A ∩ B contient les éléments qui sont à la fois dans A et dans B. On dit qu’on a A et B. L’évènement contraire de l’évènement A, nommé « non A » qu’on note 𝑨, est celui qui se réalise lorsque A n’a pas lieu. Deux évènements sont contraires lorsque leur union est l'univers Ω et leur intersection est vide : noté ∅. Deux évènements sont incompatibles s’ils ne peuvent se réaliser en même temps. Si A et B sont incompatibles, alors A ∩ B = ∅. Exemples : On lance un dé cubique. L'évènement A « obtenir un nombre impair » est constitué des nombres 1; 3; 5 ; A = {1, 3, 5}. L'évènement contraire 𝐴 = {2; 4; 6}. L'évènement B « obtenir six » est constitué du nombre 6 : c'est un évènement élémentaire. B = {6} Les évènements A et B sont incompatibles : A ∩ B = ∅ L'évènement C « obtenir 8 » est égal à l’ensemble vide ∅ : c'est un évènement impossible. C = ∅ L'évènement D « obtenir un nombre inférieur à 10 » est égal à l'univers des possibles Ω : c'est l'évènement certain. Ω = {1, 2, 3, 4, 5, 6} APP Nice Cagnes 4/25 Mise à jour le 02/04/15 par BRUNO DUBONNET 14 PROBABILITÉS Exercice 1. Dans chacune des situations décrites ci-dessous, énoncer l’évènement contraire de l’évènement donné. 1) Dans une classe, on choisit deux élèves au hasard. A : « Les deux élèves sont des filles ». 2) Dans un groupe de suisses et de belges, on discute avec une personne. B : « La personne est un homme belge ». 3) Au restaurant, C : « Je prends un plat et un dessert ». 4) A une loterie, j’achète 3 billets. D : « L’un des billets au moins est gagnant ». Exercice 2. Une urne contient des boules blanches, noires et rouges. On tire une boule de l’urne. On note : A : « Tirer une boule blanche ». B : « Tirer une boule ni blanche ni rouge ». C : « Tirer une boule noire ou une boule rouge ». 1) A et B sont-ils incompatibles ? 2) B et C sont-ils incompatibles ? 3) Traduire 𝐴 par une phrase ne comportant pas de négation. 4) Traduire 𝐵 par une phrase ne comportant pas de négation. Exercice 3. Lors d’un jet de deux dés cubiques, on s’intéresse aux évènements suivants : A : « La somme obtenue est supérieure ou égale à 5 ». B : « La somme obtenue est inférieure ou égale à 5 ». C : « La somme obtenue est strictement inférieure à 3 ». 1) A et B sont-ils contraires ? 2) 𝐵 et C sont-ils incompatibles ? 3) Traduire 𝐶 par une phrase. 4) A et 𝐶 sont-ils incompatibles ? APP Nice Cagnes 5/25 Mise à jour le 02/04/15 par BRUNO DUBONNET 14 PROBABILITÉS 4. Évènements équiprobables Lorsque chaque évènement élémentaire a la même probabilité de se réaliser, on dit que les évènements élémentaires sont équiprobables. Exemples : Le lancer d'un dé non pipé (= bien équilibré) est associé à six évènements élémentaires équiprobables : p(1)=p(2)=p(3)=p(4)=p(5)=p(6)=1/6. On peut aussi estimer qu'il y a une chance sur deux d'avoir une fille quand on attend un enfant. Dans ce cas, on a défini une probabilité sur l'univers de sorte que les évènements élémentaires soient équiprobables : p(F)=p(G)=1/2. II. Dénombrement Dénombrer c’est compter, déterminer le nombre d’issues d’une expérience aléatoire. Nous allons examiner les cas les plus courants à partir d’exemples en s’aidant de diagrammes, d’arbres ou de tableaux. A. Les représentations graphiques des éventualités 1. Le diagramme de Venn On considère le lancer d'un dé équilibré à 6 faces. On souhaite étudier l'évènement A = « obtenir un multiple de 3 ou de 5 » Les éventualités correspondant à cet évènement sont : • • • e3 : obtenir la face 3 e5 : obtenir la face 5 e6 : obtenir la face 6 La représentation graphique sous forme de diagramme donne : Ω 𝑨 APP Nice Cagnes 6/25 Mise à jour le 02/04/15 par BRUNO DUBONNET 14 PROBABILITÉS Le dé étant équilibré, la situation est équiprobable et chaque face a 1 chance sur 6 de sortir. On en conclut finalement que la probabilité de l'évènement A est égale à : 3 1 𝑝(𝐴) = = = 0,5 6 2 Exercice résolu : Un centre de loisirs accueille 100 enfants. Deux sports sont proposés : le football et le tennis. A la question : Aimez-vous le football ? 60 enfants lèvent la main. A la question : Aimez-vous le tennis ? 45 enfants lèvent la main. A la question : Aimez-vous le tennis et le football ? 18 enfants lèvent la main. En faisant un diagramme de Venn représentant ces données, répondre aux questions suivantes : • Combien d'enfants aiment le football mais n'aiment pas le tennis ? • Combien d'enfants aiment le tennis mais n'aiment pas le football ? • Combien d'enfants n'aiment aucun des deux sports ? • Combien d'enfants aiment au moins un des deux sports ? Solution : On représente par un diagramme de Venn l'ensemble E des 100 enfants. A l'intérieur de cet ensemble, on dessine les deux sous-ensembles : F : représentant les enfants qui aiment le football ; T : représentant les enfants qui aiment le tennis ; F ∩ T : qui se lit « F et T », représente l’intersection de F et de T. F L’union de F et de T, notée F ∪ T, se lit « F ou T ». 42 13 18 E 27 T F∩Τ On peut alors dire que : • 60 – 18 = 42 enfants aiment le football mais n'aiment pas le tennis, • 45 – 18 = 27 enfants aiment le tennis mais n'aiment pas le football, • 100 – (42 + 18 + 27) = 13 enfants n'aiment aucun des deux sports, • 60 + 45 – 18 = 87 enfants aiment au moins un des deux sports (le tennis ou le football). APP Nice Cagnes 7/25 Mise à jour le 02/04/15 par BRUNO DUBONNET 14 PROBABILITÉS À retenir : Intersection ∩ L’évènement A ∩ B est formé des issues qui réalisent à la fois A et B. Union ∪ L’évènement A ∪ B est formé des issues qui réalisent A ou B. Exercice 4. Dans un village, 450 personnes parlent le français, 350 parlent l’anglais, 150 parlent les deux langues et 50 personnes parlent une autre langue. 1) Créer le diagramme de Venn qui représente cette situation. 2) En déduire le nombre de personnes habitant dans ce village. 2. Le tableau à double entrée Pour visualiser toutes les éventualités d'une expérience comportant deux paramètres, on peut utiliser un tableau à double entrée. On lance simultanément deux dés équilibrés, et on étudie le couple de numéros obtenu : 2nd dé 1 2 3 4 5 6 1 (1,1) (1,2) (1,3) (1,4) (1,5) (1,6) 2 (2,1) (2,2) (2,3) (2,4) (2,5) (2,6) 3 (3,1) (3,2) (3,3) (3,4) (3,5) (3,6) 4 (4,1) (4,2) (4,3) (4,4) (4,5) (4,6) 5 (5,1) (5,2) (5,3) (5,4) (5,5) (5,6) 6 (6,1) (6,2) (6,3) (6,4) (6,5) (6,6) er 1 dé APP Nice Cagnes 8/25 Mise à jour le 02/04/15 par BRUNO DUBONNET 14 PROBABILITÉS Exercice résolu : Un sondage auprès de 150 personnes a donné les résultats suivants : À la question « Consommez vous régulièrement de l'alcool ? », 50 personnes répondent oui. À la question « Êtes-vous fumeur ? », 80 personnes répondent oui. À la question « Êtes-vous un fumeur consommant régulièrement de l'alcool ? », 35 personnes répondent oui. En faisant un tableau représentant ces données, répondre aux questions suivantes : • Combien de personnes sont des fumeurs ne consommant pas régulièrement de l'alcool ? • Combien de personnes consomment régulièrement de l'alcool et ne sont pas fumeurs ? • Combien de personnes ne sont pas fumeurs et ne consomment pas régulièrement de l'alcool ? • Combien de personnes sont fumeurs ou consomment régulièrement de l'alcool ? (Remarque : Cet exercice pourrait aussi être traité en utilisant un diagramme.) Solution : On peut créer le tableau suivant dans lequel on place les données du texte : Fumeurs Consommateurs Non d'alcool consommateurs 35 Total 80 Non fumeurs Total 50 150 On peut ensuite compléter ce tableau en effectuant les opérations suivantes : Fumeurs Consommateurs Non d'alcool consommateurs 35 80 – 35 = 45 Non fumeurs 50 – 35 = 15 Total 50 Total 80 150 – 80 = 70 150 – 50 = 100 150 On peut alors terminer le tableau en remplissant la dernière cellule. Deux calculs sont possibles : 70 – 15 ou 100 – 45 et ils donnent le même résultat : 55 APP Nice Cagnes 9/25 Mise à jour le 02/04/15 par BRUNO DUBONNET 14 PROBABILITÉS On obtient alors : Consommateurs Non d'alcool consommateurs 35 45 Fumeurs Total 80 Non fumeurs 15 55 70 Total 50 100 150 On peut alors, par lecture directe du tableau, dire que : • 45 personnes sont des fumeurs ne consommant pas régulièrement de l'alcool, • 15 personnes consomment régulièrement de l'alcool et ne sont pas fumeurs, • 55 personnes ne sont pas fumeurs et ne consomment pas régulièrement de l'alcool. Et par addition des nombres contenus dans les cellules grisées, on obtient que : • 95 personnes sont fumeurs ou consomment régulièrement de l'alcool. Voici ci-dessous le diagramme correspondant à la représentation de ces données : 55 A F 15 35 45 Exercice 5. Une urne contient 4 boules de couleurs différentes (blanche, noire, verte et rouge). On tire au hasard une première boule, on la remet dans l’urne, puis on en tire une seconde. On note leurs couleurs. Déterminer à l’aide d’un tableau toutes les issues de cette expérience et celles qui réalisent l’évènement A : « les 2 boules tirées sont de même couleur ». Exercice 6. Dans un cours de danse il y a 5 femmes et 3 hommes. Déterminer à l’aide d’un tableau combien de couples différents on peut former. APP Nice Cagnes 10/25 Mise à jour le 02/04/15 par BRUNO DUBONNET 14 PROBABILITÉS 3. L’arbre Une branche relie deux évènements. Un chemin est une suite de branches. Un nœud est le point de départ d’une ou plusieurs branches. Pour visualiser toutes les éventualités d'une expérience comportant plusieurs apparitions chronologiques, on peut utiliser un arbre. On lance une pièce équilibrée trois fois de suite, et on note les apparitions des P=pile ou F=face : On peut lister l'univers des possibles Ω = {PPP;PPF;PFP;PFF;FPP;FPF;FFP;FFF}. Le nombre d’issues possibles, noté Card (Ω) = 8. Remarque : Si l’univers est constitué des résultats d’une expérience comportant deux ou trois étapes (voire plus), on peut déterminer toutes les issues de l’expérience aléatoire à l’aide d’un arbre. APP Nice Cagnes 11/25 Mise à jour le 02/04/15 par BRUNO DUBONNET 14 PROBABILITÉS Exercice résolu : Un restaurant propose à ses clients un menu qui se compose : • d'une entrée à choisir parmi trois entrées possibles notées : E1, E2, E3 • d'un plat principal à choisir parmi quatre plats possibles : P1, P2, P3, P4 • d'un dessert à choisir parmi trois desserts possibles : D1, D2, D3 a) Dénombrer le nombre de menu différents que peut composer un client. On peut utiliser « un arbre ». b) Quelle est la probabilité qu’un client commande le plat P2 ? Solution : a) Chaque client a le choix entre 3 entrées possibles. Une fois l'entrée choisie, il peut choisir le plat principal de 4 façons différentes. Il reste alors à choisir un dessert parmi trois desserts possibles. On obtient l’arbre suivant : Chacune des branches de l’arbre est nommée un « chemin ». Chaque chemin correspond à un des menus possibles. APP Nice Cagnes 12/25 Mise à jour le 02/04/15 par BRUNO DUBONNET 14 PROBABILITÉS On peut alors compter le nombre de chemins qui est égal à Card (Ω) = 36. Ce nombre correspond à 3 x 4 x 3. En effet on dispose de 3 possibilités pour choisir l'entrée. Pour chaque entrée choisie, il y a 4 possibilités de choisir le plat principal, ce qui donne donc 3 x 4 = 12 possibilités pour le choix d'une entrée et d'un plat. Enfin pour chacune de ces 12 possibilités, il y a 3 possibilités pour choisir le dessert, ce qui donne finalement 12 x 3 = 36 possibilités de menus différents. b) Il y a 3 x 1 x 3 = 9 possibilités de menus comportant le plat P2 soit une probabilité de 9/36 = 1/4 Exercice 7. Une marque automobile produit 4 modèles A, B, C, D ; chaque modèle existe en version berline ou break ; chaque voiture est proposée en 7 coloris. Combien de choix s’offrent à un client désirant acheter une voiture de cette marque ? Exercice 8. Tony, Jo et Michel ont décidé simultanément, sans le savoir, d’aller au cinéma. Deux films sont à l’affiche, un film comique, un film d’action. On note CT, la possibilité que Tony choisisse le film comique, AJ la possibilité que Jo choisisse le film d’action. 1) Représenter, à l’aide d’un arbre, toutes les issues possibles. 2) Déterminer les issues de l’évènement A : « les 3 garçons se sont retrouvés à la projection du même film ». III. Probabilités A. Calculer la probabilité d’un évènement en situation équiprobable Pour calculer la probabilité d’un évènement A lorsque toutes les issues de l’expérience sont équiprobables : • On détermine toutes les issues de l’expérience ; • On calcule le nombre d’issues possibles : Card(Ω) • On calcule les issues qui réalisent l’évènement A : Card(A) • On effectue le quotient : 𝒑(𝑨) = APP Nice Cagnes 𝑵𝒐𝒎𝒃𝒓𝒆 𝒅′ 𝒊𝒔𝒔𝒖𝒆𝒔 𝒓é𝒂𝒍𝒊𝒔𝒂𝒏𝒕 𝑨 𝐂𝐚𝐫𝐝(𝑨) = 𝑵𝒐𝒎𝒃𝒓𝒆 𝒅′ 𝒊𝒔𝒔𝒖𝒆𝒔 𝒑𝒐𝒔𝒔𝒊𝒃𝒍𝒆𝒔 𝐂𝐚𝐫𝐝(Ω) 13/25 Mise à jour le 02/04/15 par BRUNO DUBONNET 14 PROBABILITÉS Exemple : Dans un casino, un joueur décide de jouer à la roulette. Celle-ci comporte 37 cases numérotées de 0 à 36. Le joueur veut connaître la probabilité de l’évènement A « la boule s’arrête sur un nombre multiple de 7 ». Calculer cette probabilité. Cette expérience aléatoire a 37 issues possibles. Les multiples de 7 sont : 0, 7, 14, 21, 28, 35. Il ya 6 issues réalisant l’évènement A. Donc : 𝑝(𝐴) = 6 37 = 0,162 Les résultats de calculs de probabilités sont donnés soit sous forme décimale, arrondis si nécessaire, soit sous forme de fraction (ou, plus rarement, sous forme de pourcentage). B. Quelques propriétés des probabilités Propriété 1 : La probabilité d'un évènement est un nombre compris entre 0 et 1. 𝟎≤𝒑≤𝟏 Propriété 2 : 0 est la probabilité de l'évènement impossible et 1 est la probabilité de l'évènement certain. Plus la probabilité d'un évènement est proche de 1, plus l'évènement a des « chances » de se réaliser. Propriété 3 : La probabilité d'un évènement est égale à la probabilité des évènements élémentaires qui le composent. Propriété 4 : La somme des probabilités de l'évènement A et de son contraire 𝑨 est égale à 1. é𝒒𝒖𝒊𝒗𝒂𝒍𝒆𝒏𝒕 à 𝒑(𝑨) + 𝒑�𝑨� = 𝟏 ��������� 𝒑�𝑨� = 𝟏 − 𝒑(𝑨) Propriété 5 : La somme des probabilités associées à chaque issue d’une expérience aléatoire est égale à 1. 𝒑(Ω) = 𝟏 APP Nice Cagnes 14/25 Mise à jour le 02/04/15 par BRUNO DUBONNET 14 PROBABILITÉS Propriété 6 : si deux évènements A et B sont incompatibles : p(A ou B) = p(A ∪ B) = p(A) + p(B) et p(A et B) = p(A ∩ B) = 0 si deux évènements A et B ne sont pas incompatibles : p(A ou B) = p(A ∪ B) = p(A) + p(B) – p(A ∩ B) Exemple : On lance un dé cubique. L'évènement A « obtenir un multiple de 3 » est constitué des nombres 3 et 6 ; 2 A = {3, 6}. 𝑝(𝐴) = 6 = 0,33 L'évènement contraire 𝐴 = {1, 2; 4; 5}. 𝑝�𝐴� = 1 − 𝑝(𝐴) = 0,67 L'évènement B « obtenir un nombre impair » est constitué des nombres 1; 3; 5 ; 3 B = {1, 3, 5}. 𝑝(𝐵) = 6 = 0,5 L'évènement contraire 𝐵 = {2; 4; 6}. 𝑝�𝐵� = 1 − 𝑝(𝐵) = 0,5 = {1, 5} = {3} = {6} = {2, 4} 1 = 0,17 6 1 𝐴 ∩ 𝐵 = {3, 6} ∩ {2, 4, 6} = {6} 𝑝(𝐴 ∩ 𝐵) = = 0,17 6 2 𝐴 ∩ 𝐵 = {1, 2, 4, 5} ∩ {1, 3, 5} = {1, 5} 𝑝(𝐴 ∩ 𝐵) = = 0,33 6 𝟐 𝑨 ∩ 𝑩 = {𝟏, 𝟐, 𝟒, 𝟓} ∩ {𝟐, 𝟒, 𝟔} = {𝟐, 𝟒} 𝒑(𝑨 ∩ 𝑩) = = 𝟎, 𝟑𝟑 𝟔 4 𝐴 ∪ 𝐵 = {3, 6} ∪ {1, 3, 5} = {1, 3, 5, 6} 𝑝(𝐴 ∪ 𝐵) = = 0,67 6 2 3 1 4 𝑝(𝐴 ∪ 𝐵) = 𝑝(𝐴) + 𝑝(𝐵)– 𝑝(𝐴 ∩ 𝐵) = + − = = 0,67 6 6 6 6 𝟐 𝑨 ∪ 𝑩 = {𝟐, 𝟒} 𝒑(𝑨 ∪ 𝑩) = = 𝟎, 𝟑𝟑 𝟔 𝐴 ∩ 𝐵 = {3, 6} ∩ {1, 3, 5} = {3} 𝑝(𝐴 ∩ 𝐵) = Égalité remarquable : 𝑨 ∩ 𝑩 = 𝑨 ∪ 𝑩 Propriété 7 : p(𝐀 ∩ 𝐁) = p(𝐀 ∪ APP Nice Cagnes 15/25 𝐁) Mise à jour le 02/04/15 par BRUNO DUBONNET 14 PROBABILITÉS Astuce : La probabilité d'un évènement peut être calculée de deux manières différentes. Soit en utilisant le dénombrement, soit en utilisant une des formules du cours. Exercice 9. On tire au hasard une carte d'un jeu de 32 cartes : As, Roi, Dame, Valet, 10, 9, 8, 7 dans les quatre couleurs, soit cœur, carreau, trèfle et pique. Calculer la probabilité des évènements suivants : a) A : « La carte tirée est une dame », alors p(A) = b) B : « La carte tirée est un cœur », alors p(B) = c) C : « La carte tirée est la dame de cœur », alors p(C) = d) D : « La carte tirée est un cœur ou une dame », alors p(D) = e) E : « La carte tirée n'est ni une dame, ni un cœur », alors p(E) = Exercice 10. On tire une carte au hasard d'un jeu de 52 cartes : Roi, Dame, Valet, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 et As dans les quatre couleurs, soit cœur, carreau, trèfle et pique. a) Calculer la probabilité de A : « tirer la dame de pique ». b) Calculer la probabilité de B : « tirer un roi ». c) Calculer la probabilité de C : « tirer une carte qui ne serait pas un pique ». d) Calculer la probabilité de D : « tirer un joker ». Exercice 11. On lance deux dés. 1) Avec quelle probabilité la somme des points obtenus est-elle égale à 12 ? à 11 ? à 10 ? à 9 ? à 8 ? à 7 ? 2) Calculer la probabilité de l’évènement A : « la somme des points obtenus est supérieure ou égale à 7 ». 3) Calculer la probabilité de l’évènement B : « la somme des points obtenus est inférieure à 7 ». APP Nice Cagnes 16/25 Mise à jour le 02/04/15 par BRUNO DUBONNET 14 PROBABILITÉS Exercice 12. On choisit une carte au hasard dans un jeu de 32 cartes. On note : A l'évènement : « La carte choisie est un pique ». B l'évènement : « La carte choisie est rouge (cœur ou carreau) ». C l'évènement : « La carte choisie est une figure (valet, dame, roi) ». 1) Déterminer les probabilités des évènements A, B, C, A∩B, B∩C, A∪B, A∪C. 2) Déterminer la probabilité de l'évènement D « La carte choisie n'est ni un pique ni une figure ». Exercice 13. On jette une pièce de monnaie 3 fois de suite. 1) Donner la liste de tous les résultats possibles en notant P pour Pile et F pour Face (exemple : PPF). 2) Donner la probabilité des évènements suivants : A « le tirage ne comporte que des Piles ». B « le tirage comporte au moins une fois Face ». Exercice 14. Dans une assemblée de 250 personnes, on ne remarque que les hommes portant la cravate ou ayant les yeux bleus. Il y a 120 hommes qui portent la cravate, 85 hommes qui ont les yeux bleus, dont 50 portent la cravate. On discute avec une personne choisie au hasard dans cette assemblée. 1) Quelle est la probabilité que ce soit un homme portant la cravate ? 2) Quelle est la probabilité que ce soit un homme aux yeux bleus et portant la cravate ? 3) Quelle est la probabilité que ce soit un homme aux yeux bleus ou portant la cravate ? 4) Quelle est la probabilité de discuter avec une personne qui n’est ni un homme aux yeux bleus, ni un homme portant la cravate ? Exercice 15. Lors d’un référendum, deux questions étaient posées. 65 % des personnes ont répondu « oui » à la première question, 51 % ont répondu « oui » à la seconde question, et 46 % ont répondu « oui » aux deux questions. 1) Quelle est la probabilité qu’une personne ait répondu « oui » à l’une ou l’autre des questions ? 2) Quelle est la probabilité qu’une personne ait répondu « non » aux deux questions ? APP Nice Cagnes 17/25 Mise à jour le 02/04/15 par BRUNO DUBONNET 14 PROBABILITÉS Exercice 16. On lance un dé à 6 faces. On note pi la probabilité de sortie de la face marquée i . Ce dé est truqué de telle sorte que les probabilités de sortie des faces sont : p1 = 0,1 ; p2 = 0,2 ; p3 = 0,3 ; p4 = 0,1 ; p5 = 0,15. 1) Quelle est la probabilité de sortie de la face marquée 6 ? 2) Quelle est la probabilité d’obtenir un nombre pair ? Exercice 17. On lance un dé à 6 faces. On suppose que la probabilité d’apparition de chaque face est proportionnelle au numéro inscrit sur elle. 1) Calculer la probabilité d’apparition de chaque face. 2) Calculer la probabilité de l’évènement A : « obtenir un nombre pair ». C.Expériences aléatoires à deux épreuves Exemple : On joue à Pile (P) ou Face (F) avec une pièce bien équilibrée. Ensuite, on fait tourner la roue bien équilibrée ci-dessous et on relève le numéro du secteur qui s'arrête face au repère. APP Nice Cagnes 18/25 Mise à jour le 02/04/15 par BRUNO DUBONNET 14 PROBABILITÉS Arbre des possibles : Pièce Roue 6 issues sont possibles : (P ; 1) (P ; 2) (P ; 3) (F ; 1) (F ; 2) (F ; 3) L'univers des possibles est Ω = {(P ; 1), (P ; 2), (P ; 3), (F ; 1), (F ; 2), (F ; 3)} 1. Arbre pondéré par les probabilités Sur chaque branche, on note la probabilité correspondante. Pour compléter les branches de cet arbre, on respecte la règle suivante : la somme des probabilités figurant sur les branches issues d'un même nœud est égale à 1. Pièce APP Nice Cagnes 19/25 Roue Mise à jour le 02/04/15 par BRUNO DUBONNET 14 PROBABILITÉS On admet que la probabilité d'obtenir l'issue (P ; 1) est égale au produit des 1 1 probabilités et rencontrées successivement sur les branches menant à cette 2 6 1 1 1 issue. Soit une probabilité de × = 2 6 12 2. Propriété Propriété : Dans un arbre pondéré, la probabilité de l’issue à laquelle conduit un chemin est égal au produit des probabilités rencontrées le long de ce chemin. Exercice 18. Dans un lycée, quel que soit le niveau, un élève peut être externe ou demi-pensionnaire. L’arbre ci-contre indique la répartition selon le niveau et la qualité de l’élève (E : externe ; DP : demi-pensionnaire). 1) Recopier et compléter cet arbre. 2) Déterminer le pourcentage d’élèves externes dans ce lycée. 3) Déterminer la part des Terminales parmi les externes. APP Nice Cagnes 20/25 Mise à jour le 02/04/15 par BRUNO DUBONNET 14 PROBABILITÉS D.Probabilités conditionnelles La notion de probabilité conditionnelle permet de tenir compte dans une prévision d'une information complémentaire. Par exemple, si je tire au hasard une carte d'un jeu, j'estime naturellement à une chance sur quatre la probabilité d'obtenir un cœur ; mais si j'aperçois un reflet rouge sur la table, je corrige mon estimation à une chance sur deux. Cette seconde estimation correspond à la probabilité d'obtenir un cœur sachant que la carte est rouge. Elle est conditionnée par la couleur de la carte ; donc, conditionnelle. Exemple : On jette deux dés distincts. On a Ω = {(1, 1), (1, 2), . . . , (5, 6), (6, 6)}. On a donc 36 évènements élémentaires qui ont chacun la même probabilité d’apparaître, soit 1/36. On veut connaitre la probabilité de l’évènement B : « la somme des dés vaut 8 ». On remarque que B = {(2, 6), (6, 2), (3, 5), (5, 3), (4, 4)}, d’où p(B) = 5/36. Maintenant on cherche toujours la même probabilité, mais on sait déjà que le premier dé donne un 3. On note A l’évènement : « le premier dé vaut 3 ». Quelle est la probabilité que la somme soit 8 sachant que le premier dé vaut 3 ? La probabilité recherchée est appelée probabilité conditionnelle de B sachant A et est notée 𝒑𝑨 (𝑩). Sachant que le premier dé vaut 3, on ne considère plus que le deuxième dé (c’est comme-ci on ne lançait plus qu’un dé). Il y a alors 6 résultats dans cette expérience : {1, 2, 3, 4, 5, 6} et chacune a la même probabilité d’apparaître, soit 1/6. Par conséquent la probabilité que la somme des deux dés soit égale à 8 sachant que le premier dé vaut 3 est 𝑝𝐴 (𝐵) = 1/6 (il n’y a qu’une possibilité : le deuxième dé doit valoir 5). On remarque que l’évènement A ∩ B est l’évènement : « le premier dé donne 3 et la somme des chiffres vaut 8 lorsqu’on lance deux dés ». On a alors A ∩ B = {(3, 5)} dans l’ensemble Ω = {(1, 1), (1, 2), . . . , (5, 6), (6, 6)} de cardinal 36. D’autre part, on a A = {(3, 1), (3, 2), (3, 3), (3, 4), (3, 5), (3, 6)}. D’où p(A ∩ B) = 1/36 et p(A) = 6/36 = 1/6. On remarque que : 𝒑(𝑨 ∩ 𝑩) = 𝒑(𝑨) × 𝒑𝑨 (𝑩) APP Nice Cagnes 21/25 Mise à jour le 02/04/15 par BRUNO DUBONNET 14 PROBABILITÉS 1. Définition Soient A et B deux évènements. On note pA (B), ce qui se lit « probabilité de B sachant A », la probabilité que l'évènement B se réalise sachant que l'évènement A est réalisé. 2. Définition mathématique Soient A et B deux évènements (avec p(A) ≠ 0). La probabilité conditionnelle pA (B), notée aussi p(B|A), de B sachant A est définie par : 𝑝𝐴 (𝐵) = 𝑝(𝐴 ∩ 𝐵) 𝑝(𝐴) 3. Formule de Bayes Considérons les deux évènements A et B représentés dans l’arbre suivant : 𝑝(𝐴) 𝑝(𝐴) 𝐴 𝐴 𝑝𝐴 (𝐵) 𝐵 𝑝(𝐴 ∩ 𝐵) = 𝑝(𝐴) × 𝑝𝐴 (𝐵) 𝑝𝐴 �𝐵� 𝐵 𝑝�𝐴 ∩ 𝐵� = 𝑝(𝐴) × 𝑝𝐴 (𝐵) 𝑝𝐴 (𝐵) 𝐵 𝑝(𝐴 ∩ 𝐵) = 𝑝(𝐴) × 𝑝𝐴 (𝐵) 𝑝𝐴 (𝐵) 𝐵 𝑝(𝐴 ∩ 𝐵) = 𝑝(𝐴) × 𝑝𝐴 (𝐵) L’évènement B se réalise quand (A ∩ B) se réalise ou quand (𝐴 ∩ B) se réalise. B = (A ∩ B) ∪ (𝐴 ∩ B) D’où la formule : 𝑝(𝐵) = 𝑝(𝐴 ∩ 𝐵) + 𝑝(𝐴 ∩ 𝐵) 𝑝(𝐵) = 𝑝(𝐴) × 𝑝𝐴 (𝐵) + 𝑝(𝐴) × 𝑝𝐴 (𝐵) APP Nice Cagnes 22/25 Mise à jour le 02/04/15 par BRUNO DUBONNET 14 PROBABILITÉS Exercice 19. Dans un village de vacances, trois stages sont proposés aux adultes et aux enfants. Ils ont lieu dans la même plage horaire. Leurs thèmes sont : la magie, le théâtre et la photo numérique. 150 personnes dont 90 adultes se sont inscrites à l'un de ces stages. Parmi les 150 personnes inscrites, on relève que : • la magie a été choisie par la moitié des enfants et 20% des adultes ; • 27 adultes ont opté pour la photo numérique ainsi que 10% des enfants. 1. Recopier et compléter le tableau suivant : Magie Théâtre Photo numérique Total Adultes Enfants Total On appelle au hasard une personne qui s'est inscrite à un stage. On pourra utiliser les notations suivantes : • A l'évènement « la personne appelée est un adulte ». • E l'évènement « la personne appelée est un enfant ». • M l'évènement « la personne appelée a choisi la magie ». • T l'évènement « la personne appelée a choisi le théâtre ». • N l'évènement « la personne appelée a choisi la photo numérique ». 2. Quelle est la probabilité que la personne appelée soit un enfant ? 3. Quelle est la probabilité que la personne appelée ait choisi la photo sachant que c'est un adulte ? 4. Quelle est la probabilité que la personne appelée soit un adulte ayant choisi le théâtre ? 5. Montrer que la probabilité que la personne appelée ait choisi la magie est 0,32. 6. Le directeur du village désigne une personne ayant choisi la magie. Il dit qu'il y a deux chances sur trois pour que ce soit un enfant. A-t-il raison ? Justifier votre réponse. APP Nice Cagnes 23/25 Mise à jour le 02/04/15 par BRUNO DUBONNET 14 PROBABILITÉS IV. Exercices d’application Exercice 20. Dans un troupeau, un berger possède des brebis de deux races A et B. La race A est représentée dans la proportion de 40%. Une étude sur la fécondité des races A et B a donné les résultats suivants : • 2,5% des brebis A sont stériles. • 5% des brebis B sont stériles. 1. Décrire la situation à l’aide d’un arbre de probabilités, en précisant les probabilités sur chacune des branches. 2. On choisit une brebis au hasard. Calculer la probabilité pour qu’elle soit stérile. Exercice 21. On lance une pièce de monnaie et un dé bien équilibrés. Tomber sur PILE rapporte 1 €, tomber sur FACE ne rapporte rien. Tomber sur 6 rapporte 2 €, tomber sur un nombre pair autre que 6 rapporte 1 €, tomber sur un nombre impair ne rapporte rien. a) Calculer la probabilité de l’évènement A : « obtenir 3 € ». b) On sait que la pièce est tombée sur PILE ; calculer la probabilité de l'évènement B : « obtenir exactement 1 € à la fin du jeu ». c) Calculer la probabilité de l’évènement C : « tomber sur FACE et obtenir 1 € ». d) Calculer la probabilité de l'évènement D : « obtenir 1 € ». e) Calculer la probabilité de l’évènement E : « gagner de l'argent ». Exercice 22. Un joueur de tennis a droit à 2 tentatives pour réussir son service. Il réussit sa première balle de service dans 60 % des cas. Quand il échoue à sa première balle, il réussit la seconde dans 80 % des cas. Quelle est la probabilité qu’il réussisse son service ? APP Nice Cagnes 24/25 Mise à jour le 02/04/15 par BRUNO DUBONNET 14 PROBABILITÉS Exercice 23. Dans un carton, on recense des cubes rouges et bleus et des boules rouges et bleues. Soit A l’évènement « Choisir un cube » et B l’évènement : « Choisir un objet rouge ». On donne : p(A ∪ B) = 0,8 ; p(A) = 1/3 et p(B) = 1/2. 1) Énoncer A ∩ B et calculer sa probabilité p(A ∩ B). 2) Sachant qu’il y a 180 objets dans le carton, compléter le tableau ci-dessous : Rouge Bleu Total Cube Boule Total 180 3) Sachant que l’objet choisi est une boule, calculer la probabilité pour qu’elle soit bleue. 4) Représenter toutes les données à l’aide d’un arbre pondéré. Exercice 24. Tony Parker est un basketteur professionnel plutôt adroit aux lancers francs. Après étude de ses performances, son entraîneur a constaté que lorsqu’il bénéficie d’une série de deux lancers francs : • Il réussit le premier lancer dans 95% des cas. • Quand il rate le premier lancer, il rate aussi le deuxième dans 3 cas sur 10. • Quand il réussit le premier lancer, il réussit aussi le deuxième dans 90% des cas. Au cours d’un match, Tony Parker bénéficie d’une série de deux lancers francs. On note : A : « Tony Parker réussit le premier lancer franc ». B : « Tony Parker réussit le deuxième lancer franc ». Les résultats seront donnés sous forme décimale, arrondis si nécessaire à 10−4 près ! 1. Décrire la situation à l’aide d’un arbre de probabilités, en précisant les probabilités sur chacune des branches (arbre de Venn pondéré). 2. Calculer la probabilité de voir Tony Parker réussir les deux lancers francs. 3. Calculer la probabilité qu’il réussisse le deuxième lancer franc. APP Nice Cagnes 25/25 Mise à jour le 02/04/15 par BRUNO DUBONNET