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Chapitre — Analyse

Chapitre 10 Première — Variables aléatoires discrètes

Programme officiel — Première générale, Spécialité Mathématiques (BO spécial n°8 du 25 juillet 2019) 🔗 Source officielle (education.gouv.fr)

Capacités et contenus exigibles — Programme officiel (BO)

  • Définir une variable aléatoire discrète et sa loi de probabilité.
  • Calculer l'espérance, la variance et l'écart-type.
  • Modéliser des situations simples par une variable aléatoire.

1. Introduction

Une variable aléatoire associe un nombre à chaque issue d'une expérience aléatoire. L'espérance représente la valeur moyenne à long terme. Ces outils permettent de quantifier l'incertitude et sont indispensables pour la statistique inférentielle.

⚠️ Point de vigilance : Vérifier que la somme des probabilités de la loi vaut bien 1. C'est un contrôle systématique.

2. Cours

Définition — Variable aléatoire discrète

Une variable aléatoire \(X\) prend un nombre fini (ou dénombrable) de valeurs \(x_1, x_2, \ldots, x_n\). Sa loi de probabilité est le tableau \(x_i \mapsto P(X = x_i)\).

Propriété — Condition

\(\sum_{i=1}^n P(X = x_i) = 1\).

Définition — Espérance

L'espérance de \(X\) est \(E(X) = \sum_{i} x_i \cdot P(X = x_i)\).

Définition — Variance et écart-type

La variance est \(V(X) = E((X - E(X))^2) = E(X^2) - (E(X))^2\). L'écart-type est \(\sigma(X) = \sqrt{V(X)}\).

\[E(X) = \sum_i x_i \cdot P(X = x_i)\]

Méthode — Calculer l'espérance et la variance

1. Dresser le tableau de la loi.
2. Vérifier \(\sum p_i = 1\).
3. Calculer \(E(X) = \sum x_i p_i\).
4. Calculer \(E(X^2) = \sum x_i^2 p_i\).
5. \(V(X) = E(X^2) - [E(X)]^2\).

Exemple corrigé 1 — Construire une loi de probabilité

On lance deux pièces équilibrées. On note \(X\) le nombre de faces obtenues.

Les valeurs possibles sont \(0\), \(1\) et \(2\). Les issues équiprobables sont \(PP\), \(PF\), \(FP\), \(FF\).

\(x_i\)012
\(P(X=x_i)\)\(\frac14\)\(\frac12\)\(\frac14\)

Contrôle : \(\frac14+\frac12+\frac14=1\). C'est bien une loi de probabilité.

Exemple corrigé 2 — Interpréter une espérance

Une loterie coûte 3 €. On gagne 12 € avec une probabilité \(0{,}2\), et 0 € sinon. On note \(G\) le gain net du joueur.

Si le joueur gagne, \(G=12-3=9\). S'il perd, \(G=0-3=-3\).

\[ E(G)=9 \times 0{,}2 + (-3) \times 0{,}8 = 1{,}8 - 2{,}4 = -0{,}6. \]

Sur un grand nombre de parties, le joueur perd en moyenne 0,60 € par partie. Le jeu est donc défavorable au joueur.

Exemple corrigé 3 — Calculer variance et écart-type

Une variable aléatoire \(X\) a pour loi :

\(x_i\)124
\(P(X=x_i)\)0,20,50,3

\[ E(X)=1\times0{,}2+2\times0{,}5+4\times0{,}3=2{,}4. \]

\[ E(X^2)=1^2\times0{,}2+2^2\times0{,}5+4^2\times0{,}3=7. \]

Donc \(V(X)=E(X^2)-[E(X)]^2=7-2{,}4^2=1{,}24\), puis \(\sigma(X)=\sqrt{1{,}24}\approx1{,}11\).

⚠️ Point de vigilance : L'espérance n'est pas nécessairement une valeur possible de \(X\). C'est une moyenne théorique.

3. Exercices progressifs

Exercice 1 — Loi

On lance un dé équilibré. Soit \(X\) le résultat. Dresser la loi de \(X\) et vérifier que la somme vaut 1. Calculer \(E(X)\).

Exercice 2 — Gain espéré

Un jeu coûte 2 €. On gagne 10 € avec probabilité 1/5, 0 € sinon. Soit \(G\) le gain net. Calculer \(E(G)\). Le jeu est-il favorable ?

Exercice 3 — Variance

Une variable \(X\) prend les valeurs 1, 2, 3 avec probabilités 0,2 ; 0,5 ; 0,3. Calculer \(E(X)\), \(V(X)\) et \(\sigma(X)\).

Exercice 4 — Modélisation

On tire 2 boules dans une urne contenant 4 rouges et 2 bleues (sans remise). Soit \(X\) le nombre de boules rouges. Dresser la loi de \(X\) et calculer \(E(X)\).

4. Fiche de synthèse

À retenir — Loi

\(\sum p_i = 1\).

À retenir — Espérance

\(E(X) = \sum x_i p_i\).

À retenir — Variance

\(V(X) = E(X^2) - [E(X)]^2\), \(\sigma = \sqrt{V}\).