Terminologie. La théorie des probabilités fournit des modèles mathématiques permettant l'étude des expériences aléatoires.

Transcription

1 Probabilités

2 Terminologie Une expérience ou une épreuve est qualiée d'aléatoire si on ne peut pas prévoir son résultat et si, répétée dans des conditions identiques, elle peut donner des résultats diérents. La théorie des probabilités fournit des modèles mathématiques permettant l'étude des expériences aléatoires.

3 L'univers Ω L'univers Ω est l'ensemble de toutes les issues élémentaires possibles de l'expérience. Exemples. on jette un dé : Ω = {1, 2, 3, 4, 5, 6}. on tire un numéro du loto : Ω = {1, 2,..., 48, 49}. on lance une pièce de monnaie Ω = {P, F }. on lance deux pièces de monnaie distinctes Ω = {PP, PF, FF, FP}.

4 Evénements On jette un dé. Quels événements peut on obtenir? j'obtiens un 2, j'obtiens un 5 sont des événements élémentaires. On peut aussi considérer des événements plus complexes j'obtiens un nombre inférieur ou égal à 3. j'obtiens un nombre pair. j'obtiens un 7. j'obtiens un nombre premier. nombre entier : seulement divisible par un et par lui-même. j'obtiens un nombre compris entre 1 et 6 (inclus).

5 Evénements élémentaires et complexes Comment noter ces diérents événements? Evénements Notation j'obtiens un 2 {2} j'obtiens un 5 {5} j'obtiens un nombre inférieur ou égal à 3 {1, 2, 3} j'obtiens un nombre pair {2, 4, 6} j'obtiens un 7 Ø j'obtiens un nombre premier {1, 2, 3, 5} j'obtiens un nombre compris entre 1 et 6 (inclus) {1, 2, 3, 4, 5, 6} {2} et {5} sont qualiés d'événements élémentaires. Les autres événements ne sont pas élémentaires.

6 Evénements élémentaires et complexes (2) Notons que tous ces événements, qu'ils soient élémentaires ou pas, appartiennent à l'ensemble des parties de Ω, P(Ω). L'ensemble Ω est ici égal à {1, 2, 3, 4, 5, 6}. L'ensemble P(Ω) contient 2 6 = 64 éléments dont ceux du tableau de la page précédente.

7 Vocabulaire & notations Monde réel Evénement certain Evénement impossible Evénement A et événement B Evénement A ou événement B Evénements A et B incompatibles Ā est l'événement contraire de A Monde des probabilités Ω A B A B A B = A Ā = Ω et A Ā = Prenons l'exemple du dé. Quel est l'événement j'obtiens un nombre inférieur (ou égal) à 3 et j'obtiens un nombre impair? C'est {1, 2, 3} {1, 3, 5} = {1, 3}.

8 Vocabulaire & notations (2) Encore l'exemple du dé. Quel est l'événement j'obtiens un nombre inférieur (ou égal) à 3 ou j'obtiens un nombre impair? C'est {1, 2, 3} {1, 3, 5} = {1, 2, 3, 5}. Toujours l'exemple du dé. Quel est l'événement contraire de l'événement j'obtiens un 1? (ie l'événement {1}) C'est l'événement j'obtiens un 2 ou un 3 ou un 4 ou un 5 ou un 6 (ie l'événement {2, 3, 4, 5, 6}). On vérie bien qu'il s'agit là d'événements contraires : {1} {2, 3, 4, 5, 6} = {1, 2, 3, 4, 5, 6} = Ω. {1} {2, 3, 4, 5, 6} = Ø.

9 Probabilités Soit l'univers Ω = {ω 1, ω 2,..., ω n }. Rappelons que les ω 1, ω 2,..., ω n sont les événements élémentaires. Dénition : On appelle probabilité toute application p de P(Ω) dans [0, 1] qui vérie les deux propriétés : 1. La somme des probabilités de tous les événements élémentaires est égale à 1 : p({ω 1 }) + p({ω 2 }) +...p({w n }) = 1 2. La probabilité d'un événement A est égale à la somme des probabilités des événements élémentaires qui le composent.

10 Probabilités - Exemple Pour modéliser un dé équilibré. Ω = {1, 2, 3, 4, 5, 6}. p(1) = p(2) = p(3) = p(4) = p(5) = p(6) = 1/6. Quelle est la probabilité d'obtenir un nombre inférieur ou égal à 3? L'évenement est noté {1, 2, 3}. On utilise la deuxième condition qui dénit une probabilité en ajoutant les probabilités élémentaires. On obtient p(1) + p(2) + p(3) = = 1 2. Pour modéliser un dé non équilibré (exemple) Ω = {1, 2, 3, 4, 5, 6}. p(1) = p(2) = p(3) = p(4) = p(5) = 0.15 et p(6) = = 0.25.

11 Propriétés des probabilités Propriétés. 1. La probabilité d'un événement certain vaut 1 : p(ω) = La probabilité d'un événement impossible vaut 0 : p( /O) = La somme de deux événements contraires vaut 1 : p(a) + p(ā) = Si deux événements A et B sont élémentaires alors P(A B) = P(A) + P(B). 5. Si deux événements A et B sont quelconques alors P(A B) = P(A) + P(B) P(A B). Remarque : les deux dernières propriétés sont cohérentes car si A et B sont deux événements élémentaires alors A B = Ø et donc p(a B) = 0.

12 Application Dans une classe, 10% des élèves jouent d'un instrument à corde, 20% jouent d'un instrument à vent et 5% jouent d'un instrument à corde et d'un instrument à vent. On choisit un élève au hasard. Quelle est la probabilité qu'il joue d'un instrument à corde ou à vent? Notons C l'événement : "l'élève joue d'un instrument à corde" et V : "l'élève joue d'un instrument à vent". D'après les données, on a : p(c) = 0.1 ; p(v ) = 0.2 et p(c V ) = D'après les propriétés précédentes, on a p(c V ) = p(c)+p(v ) p(c V ) = = 0.25

13 Le cas d'équiprobabilité Un cas particulier courant est celui où tous les événements élémentaires ont la même probabilité : p({ω 1 }) = p({ω 2 }) =... = p({w n }) = 1 n Pour tout événement A, on a alors la propriété p(a) = Card(A) Card(Ω) On résume parfois cette dernière inégalité sous la forme : p(a) = nombre de cas favorables nombre total de cas

14 Le cas d'équiprobabilité (2) Exemple : quelle est la probabilité d'obtenir un nombre premier en jetant un dé? C'est card({1, 2, 3, 5}) card({1, 2, 3, 4, 5, 6}) = 4 6 = 2 3

15 Exemple Une enquête eectuée auprès de 1500 personnes adultes (habitants d'une ville) portant sur les jeux d'argent indique que 1182 jouent à la loterie (A) 310 vont au casino (B) 190 jouent autant à la loterie qu'au casino (C ). Questions. Comment écrire l'événement C en fonction de A et de B? Si une personne adulte (de la ville) est choisie au hasard, quelle est la probabilité qu'elle joue à la loterie? qu'elle joue au casino? qu'elle joue à la loterie ou au casino? Quelle est la probabilité qu'elle joue uniquement au casino?

16 Exemple On tire une des 1500 personnes au hasard : on est dans le cas d'équiprobabilité. Comment s'écrit l'événement jouer à la loterie et au casino? C'est C = A B p(a) = 1182/1500 = p(b) = 310/1500 = p(a B) = p(a) + p(b) p(a B) = = 0.868

17 Exemple (suite) Combien de personnes jouent seulement au casino? Il y en a = 120 Probabilité que la personne tirée au sort joue seulement au casino? C'est 120/1500 = 0.08 Remarque : Comment s'écrit l'événement jouer seulement au casino? C'est l'événement D = Ā B.

18 Exemple 2 On tire 8 cartes dans un jeu de 32 cartes. Quelle est la probabilité de Tirer tous les coeurs? Tirer les 4 as? Tirer 5 coeurs et 3 trèes?

19 Exemple 2 (suite) Ici l'ordre n'est pas important. De plus, nous sommes dans le cas d'événements élémentaires équiprobables. Le nombre total de tirages possibles est de C 8 32 = ! =

20 Exemple 2 (suite) Quelle est la probabilité de tirer tous les coeurs? Quel est le nombre de tirages favorables? C'est 1 (ou C 8 8 : on tire les 8 cartes parmi les 8 coeurs). La probabilité recherchée est donc nombre de cas favorables / nombre total de cas = 1/ =

21 Exemple 2 (suite) Quelle est la probabilité de tirer les 4 as? Quel est le nombre de tirages favorables? C'est C 4 4 C 4 28 = ! = = En eet on tire 4 cartes parmi les 4 as, et 4 autres cartes parmi 28 restantes La probabilité recherchée est donc nombre de cas favorables / nombre total de cas = 20475/ = 0.002

22 Exemple 2 (suite) Quelle est la probabilité de tirer 5 coeurs et 3 trèes? Quel est le nombre de tirages favorables? C'est C 5 8 C 3 8 = ! ! = = 3136 La probabilité recherchée est donc nombre de cas favorables / nombre total de cas = 3136/ =

23 Exemple 3 Un groupe de 10 personnes est composé de 4 hommes et 6 femmes. On choisit 5 personnes. Déterminer les probabilités des événements suivants, pour le tirage obtenu. il n'y a aucun homme. il y a 2 hommes et 3 femmes.

24 Exemple 3 (suite) On est dans le cas d'équiprobabilité. Ici l'ordre ne compte pas. Le nombre de tirages possibles est égal à C 5 10 = ! = 252

25 Exemple 3 (suite) Déterminer la probabilité qu'il n'y ait aucun homme. Cela veut dire qu'il n'y a que des femmes. Le nombre de tirages favorables est C 5 6 = ! La probabilité recherchée est 6/252 = = 6

26 Exemple 3 (suite) Déterminer la probabilité qu'il y ait 2 hommes et 3 femmes. Le nombre de tirages favorables est C 2 4 C 3 6 = 4 3 2! ! = 6 20 = 120 La probabilité recherchée est 120/252 = 0.476

27 Indépendance - dénition Deux événements sont indépendants par rapport à la probabilité p si p(a B) = p(a)p(b)

28 Indépendance - exemple On jette 2 dés équilibrés de couleurs diérentes (rouge et vert). Soit l'événement A : le dé rouge a donné 5 et l'événement B: le dé vert a donné 3. Ces événements sont-ils indépendants? Evidemment oui mais vérions le! Quel est l'ensemble Ω de toutes les issues élémentaires possibles (l'univers)? C'est l'ensemble {11, 12, 13, 14, 15, 16, 21,..., 66}. le codage 21 signie le dé rouge a donné 2, le dé vert, 1 L'ensemble Ω comporte 6 6 = 36 éléments. Ici les événements élémentaires sont équiprobables.

29 Indépendance - exemple (suite) L'événement A peut s'écrire sous la forme {51, 52, 53, 54, 55, 56}. Sa probabilité est égale à card(a)/card(ω) = 6/36 = 1/6. L'événement B peut s'écrire sous la forme {13, 23, 33, 43, 53, 63}. Sa probabilité est égale à card(b)/card(ω) = 6/36 = 1/6. L'évenement A B (le dé rouge tiré est 5 et le dé vert tiré est 1) est l'événement {53}. On a p(a B) = 1/36. On a bien 1 36 = les événements sont donc indépendants.

30 Probabilités conditionnelles Supposons que l'on jette un dé. Quelle est la probabilité d'obtenir un 1? (événement {1}) C'est p({1}) = 1/6. Supposons maintenant qu'une autre personne voit le résultat du tirage avant nous. Cette personne nous dit que le résultat du tirage est un nombre impair, sans plus de précision. Pour calculer la probabilité d'obtenir un 1, on utilise cette nouvelle information. On calcule maintenant p({1} / {1, 3, 5}). Le signe / se dit sachant que ou conditionnellement à. Il traduit le fait que l'on possède une nouvelle information (ici le nombre tiré est impair) pour calculer la probabilité.

31 Probabilités conditionnelles - dénition Dénition. La probabilité conditionnelle d'un événement A, sachant qu'un autre événement B de probabilité non nulle s'est réalisé (ou probabilité de A sachant B) est le nombre noté p(a/b) déni par p(a/b) = p(a B) p(b) Dans l'exemple précédent, on calcule la probabilité d'obtenir 1 sachant que le résultat est impair. Cela s'écrit p({1} / {1, 3, 5}). En utilisant la formule précédente on obtient p({1} / {1, 3, 5}) = p({1} {1, 3, 5})) p({1, 3, 5}) = p({1}) 1 p({1, 3, 5}) = 6 = Le résultat n'est pas étonnant.

32 Probabilités conditionnelles - remarques Remarque 1. Lorsque les événements A et B sont indépendants, on a la propriété p(a/b) = p(a) C'est logique : si les événements A et B sont indépendants, connaître B n'apporte pas d'information supplémentaire sur la réalisation ou pas de A.

33 Probabilités conditionnelles - remarques (suite) Remarque 2. On a p(a/b) = p(a B) p(b) Or on sait qu'on a aussi p(b/a) = p(a B) p(a) ou encore p(a B) = p(b/a)p(a) On peut donc réécrire la première formule comme p(a/b) = p(b/a)p(a) p(b) formule qui est souvent utile (voir TD4)