Probabilité conditionnelle. Probabilités. Probabilité conditionnelle et indépendance. Julian Tugaut
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1 Probabilité conditionnelle et indépendance Télécom Saint-Étienne 2014
2 Sommaire 1 Probabilité conditionnelle Notion de probabilité conditionnelle Définition et premières propriétés Théorème de Bayes (ou de la probabilité des causes) 2 Indépendance de deux évènements Indépendance mutuelle de n évènements
3 Plan 1 Probabilité conditionnelle Notion de probabilité conditionnelle Définition et premières propriétés Théorème de Bayes (ou de la probabilité des causes) 2
4 Notion de probabilité conditionnelle - 1 Notion de probabilité conditionnelle Définition et premières propriétés Théorème de Bayes (ou de la probabilité des causes) Soient A et B deux évènements associés à une même expérience aléatoire e. On suppose P(A) 0. La probabilité conditionnelle de B par rapport à l évènement A est la probabilité que B soit réalisé lorsque l on sait que A est réalisé.
5 Notion de probabilité conditionnelle - 1 Notion de probabilité conditionnelle Définition et premières propriétés Théorème de Bayes (ou de la probabilité des causes) Soient A et B deux évènements associés à une même expérience aléatoire e. On suppose P(A) 0. La probabilité conditionnelle de B par rapport à l évènement A est la probabilité que B soit réalisé lorsque l on sait que A est réalisé. Notation La probabilité conditionnelle de B en sachant A est notée P A (B) ou P(B A). On préfèrera la seconde notation.
6 Notion de probabilité conditionnelle - 2 Notion de probabilité conditionnelle Définition et premières propriétés Théorème de Bayes (ou de la probabilité des causes) On jette un dé. Soient les évènements A := on obtient une face paire et B := on obtient une face supérieure ou égale à trois. L univers Ω = {ω 1, ω 2, ω 3, ω 4, ω 5, ω 6 } est muni de l équiprobabilité. Ici, A = {ω 2, ω 4, ω 6 } d où P(A) = 3 6 = 1 2. Et, B = {ω 3, ω 4, ω 5, ω 6 } d où P(B) = 4 6 = 2 3.
7 Notion de probabilité conditionnelle - 2 Notion de probabilité conditionnelle Définition et premières propriétés Théorème de Bayes (ou de la probabilité des causes) On jette un dé. Soient les évènements A := on obtient une face paire et B := on obtient une face supérieure ou égale à trois. L univers Ω = {ω 1, ω 2, ω 3, ω 4, ω 5, ω 6 } est muni de l équiprobabilité. Ici, A = {ω 2, ω 4, ω 6 } d où P(A) = 3 6 = 1 2. Et, B = {ω 3, ω 4, ω 5, ω 6 } d où P(B) = 4 6 = 2 3. Puis, A B = {ω 4, ω 6 } d où P(A B) = 2 6 = 1 3.
8 Notion de probabilité conditionnelle - 3 Notion de probabilité conditionnelle Définition et premières propriétés Théorème de Bayes (ou de la probabilité des causes) On jette le dé. Supposons que l on sache que l on a obtenu une face paire. (Pour ce faire, il suffit de relancer le dé jusqu à ce que la face obtenue soit paire.) Quelle est la probabilité qu on obtienne une face supérieure ou égale à trois?
9 Notion de probabilité conditionnelle - 3 Notion de probabilité conditionnelle Définition et premières propriétés Théorème de Bayes (ou de la probabilité des causes) On jette le dé. Supposons que l on sache que l on a obtenu une face paire. (Pour ce faire, il suffit de relancer le dé jusqu à ce que la face obtenue soit paire.) Quelle est la probabilité qu on obtienne une face supérieure ou égale à trois? Dans notre exemple, l univers est A et la probabilité que B soit réalisé est donc la probabilité que A B soit réalisé pour l univers A muni de l équiprobabilité associée P A avec P A (ω 2 ) = P A (ω 4 ) = P A (ω 6 ) = 1 3.
10 Notion de probabilité conditionnelle - 3 Notion de probabilité conditionnelle Définition et premières propriétés Théorème de Bayes (ou de la probabilité des causes) On jette le dé. Supposons que l on sache que l on a obtenu une face paire. (Pour ce faire, il suffit de relancer le dé jusqu à ce que la face obtenue soit paire.) Quelle est la probabilité qu on obtienne une face supérieure ou égale à trois? Dans notre exemple, l univers est A et la probabilité que B soit réalisé est donc la probabilité que A B soit réalisé pour l univers A muni de l équiprobabilité associée P A avec P A (ω 2 ) = P A (ω 4 ) = P A (ω 6 ) = 1 3. Il vient ainsi P A (A B) = #A B #A = 2 3 = P(A B) P(A).
11 Notion de probabilité conditionnelle - 3 Notion de probabilité conditionnelle Définition et premières propriétés Théorème de Bayes (ou de la probabilité des causes) On jette le dé. Supposons que l on sache que l on a obtenu une face paire. (Pour ce faire, il suffit de relancer le dé jusqu à ce que la face obtenue soit paire.) Quelle est la probabilité qu on obtienne une face supérieure ou égale à trois? Dans notre exemple, l univers est A et la probabilité que B soit réalisé est donc la probabilité que A B soit réalisé pour l univers A muni de l équiprobabilité associée P A avec P A (ω 2 ) = P A (ω 4 ) = P A (ω 6 ) = 1 3. Il vient ainsi P A (A B) = #A B #A = 2 3 = P(A B) P(A). Conséquemment, on a P(B A) = P(A B) P(A).
12 Définition Probabilité conditionnelle Notion de probabilité conditionnelle Définition et premières propriétés Théorème de Bayes (ou de la probabilité des causes) Soit A un évènement de probabilité P(A) non nulle. On définit l application P(. A) qui, à tout évènement B fait correspondre le nombre
13 Définition Probabilité conditionnelle Notion de probabilité conditionnelle Définition et premières propriétés Théorème de Bayes (ou de la probabilité des causes) Soit A un évènement de probabilité P(A) non nulle. On définit l application P(. A) qui, à tout évènement B fait correspondre le nombre P(A B) P(B A) :=. P(A)
14 Définition Probabilité conditionnelle Notion de probabilité conditionnelle Définition et premières propriétés Théorème de Bayes (ou de la probabilité des causes) Soit A un évènement de probabilité P(A) non nulle. On définit l application P(. A) qui, à tout évènement B fait correspondre le nombre P(A B) P(B A) :=. P(A) On commence par établir le résultat suivant : Théorème P(. A) est une probabilité sur Ω.
15 Remarques Probabilité conditionnelle Notion de probabilité conditionnelle Définition et premières propriétés Théorème de Bayes (ou de la probabilité des causes) Remarque Tous les résultats portant sur les probabilités peuvent donc s appliquer à la probabilité P(. A).
16 Remarques Probabilité conditionnelle Notion de probabilité conditionnelle Définition et premières propriétés Théorème de Bayes (ou de la probabilité des causes) Remarque Tous les résultats portant sur les probabilités peuvent donc s appliquer à la probabilité P(. A). ATTENTION On définit une probabilité conditionnelle mais en aucun cas on ne définit des évènements conditionnels.
17 Théorème des probabilités composées Notion de probabilité conditionnelle Définition et premières propriétés Théorème de Bayes (ou de la probabilité des causes) Théorème des probabilités composées Soient deux évènements A et B de probabilités non nulles. Alors, on a P(A B) = P(B A)P(A) = P(A B)P(B).
18 Théorème de Bayes - 1 Soit (A 1,,A n ) un système complet d évènements de Ω. Soit B un évènement de Ω de probabilité non nulle. On suppose que l on connaît P(A 1 ),,P(A n ) ainsi que P(B A 1 ),,P(B A n ). On cherche à calculer P(A k B) pour tout 1 k n.
19 Théorème de Bayes - 1 Soit (A 1,,A n ) un système complet d évènements de Ω. Soit B un évènement de Ω de probabilité non nulle. On suppose que l on connaît P(A 1 ),,P(A n ) ainsi que P(B A 1 ),,P(B A n ). On cherche à calculer P(A k B) pour tout 1 k n. Pour cela, on utilise le théorème des probabilités composées : P(A k B) = P(B A k) P(B).
20 Théorème de Bayes - 1 Soit (A 1,,A n ) un système complet d évènements de Ω. Soit B un évènement de Ω de probabilité non nulle. On suppose que l on connaît P(A 1 ),,P(A n ) ainsi que P(B A 1 ),,P(B A n ). On cherche à calculer P(A k B) pour tout 1 k n. Pour cela, on utilise le théorème des probabilités composées : P(A k B) = P(B A k) P(B) Or, (A 1,,A n ) est un système complet d évènements de Ω. Ainsi, il vient n P(B) = P(B A k ). k=1.
21 Théorème de Bayes - 1 Soit (A 1,,A n ) un système complet d évènements de Ω. Soit B un évènement de Ω de probabilité non nulle. On suppose que l on connaît P(A 1 ),,P(A n ) ainsi que P(B A 1 ),,P(B A n ). On cherche à calculer P(A k B) pour tout 1 k n. Pour cela, on utilise le théorème des probabilités composées : P(A k B) = P(B A k) P(B) Or, (A 1,,A n ) est un système complet d évènements de Ω. Ainsi, il vient n P(B) = P(B A k ). k=1 On utilise à nouveau le théorème des probabilités composées et l on a alors P(A k B) = P(B A k )P(A k ) P(B A 1 )P(A 1 )+ +P(B A n )P(A n )..
22 Théorème de Bayes - 2 Notion de probabilité conditionnelle Définition et premières propriétés Théorème de Bayes (ou de la probabilité des causes) Théorème de Bayes Soit (A 1,,A n ) un système complet d évènements de Ω. Soit B un évènement de Ω de probabilité non nulle. Alors : P(A i B) = P(B A i )P(A i ) nj=1 P(B A j )P(A j ).
23 Théorème de Bayes - 2 Notion de probabilité conditionnelle Définition et premières propriétés Théorème de Bayes (ou de la probabilité des causes) Théorème de Bayes Soit (A 1,,A n ) un système complet d évènements de Ω. Soit B un évènement de Ω de probabilité non nulle. Alors : P(A i B) = P(B A i )P(A i ) nj=1 P(B A j )P(A j ). On a notamment le cas particulier avec (A,A c ). Alors : P(A B) = P(B A)P(A) P(B A)P(A)+P(B A c )P(A c ).
24 Théorème de Bayes - 3 Notion de probabilité conditionnelle Définition et premières propriétés Théorème de Bayes (ou de la probabilité des causes) Exemple Paradoxe de Monty Hall.
25 Plan 1 Probabilité conditionnelle 2 Indépendance de deux évènements Indépendance mutuelle de n évènements
26 Heuristique Probabilité conditionnelle Indépendance de deux évènements Indépendance mutuelle de n évènements Soient A et B deux évènements associés à une même expérience aléatoire e. Supposons maintenant qu on sache que l évènement B est réalisé. Les chances de voir A réalisé vont a priori changer et être quantifiées par le nombre P(A B). Toutefois, il se peut que le fait de savoir que B est réalisé ne donne aucune influence quant à la réalisation de A. On dit alors que A est indépendant de B.
27 Indépendance de deux évènements - 1 Définition On dit que A est indépendant de B si l on a P(A B) = P(A).
28 Indépendance de deux évènements - 1 Définition On dit que A est indépendant de B si l on a P(A B) = P(A). Exemple On jette deux dés. L un est rouge et l autre est bleu. On considère les évènements A := le dé rouge indique une face paire et B := le dé bleu indique une face paire. Alors A est indépendant de B : P(A B) = P(A) = 1 2. De même, B est indépendant de A.
29 Indépendance de deux évènements - 1 Définition On dit que A est indépendant de B si l on a P(A B) = P(A). Exemple On jette deux dés. L un est rouge et l autre est bleu. On considère les évènements A := le dé rouge indique une face paire et B := le dé bleu indique une face paire. Alors A est indépendant de B : P(A B) = P(A) = 1 2. De même, B est indépendant de A. Contre-exemple On tire deux cartes dans un jeu de 32 cartes. On considère les évènements A := la première carte est l as de cœur et B := la deuxième carte est l as de cœur. Alors A n est pas indépendant de B : P(A B) = 0 tandis que P(A) = De même, B n est pas indépendant de A.
30 Indépendance de deux évènements - 2 Indépendance de deux évènements Indépendance mutuelle de n évènements Théorème La relation d indépendance est symétrique : si A est indépendant de B alors B est indépendant de A. De plus, A et B sont indépendants si et seulement si P(A B) = P(A)P(B).
31 Indépendance de deux évènements - 2 Indépendance de deux évènements Indépendance mutuelle de n évènements Théorème La relation d indépendance est symétrique : si A est indépendant de B alors B est indépendant de A. De plus, A et B sont indépendants si et seulement si P(A B) = P(A)P(B). ATTENTION Deux évènements incompatibles et de probabilités non nulles ne sont pas indépendants. L indépendance et l incompatibilité sont deux notions radicalement différentes.
32 Indépendance de deux évènements Indépendance mutuelle de n évènements Propriétés de l indépendance de deux évènements Propriété On a équivalence entre les quatre propositions suivantes : A et B sont indépendants.
33 Indépendance de deux évènements Indépendance mutuelle de n évènements Propriétés de l indépendance de deux évènements Propriété On a équivalence entre les quatre propositions suivantes : A et B sont indépendants. A et B c sont indépendants.
34 Indépendance de deux évènements Indépendance mutuelle de n évènements Propriétés de l indépendance de deux évènements Propriété On a équivalence entre les quatre propositions suivantes : A et B sont indépendants. A et B c sont indépendants. A c et B sont indépendants.
35 Indépendance de deux évènements Indépendance mutuelle de n évènements Propriétés de l indépendance de deux évènements Propriété On a équivalence entre les quatre propositions suivantes : A et B sont indépendants. A et B c sont indépendants. A c et B sont indépendants. A c et B c sont indépendants.
36 Approche intuitive Une urne contient quatre jetons : un bleu, un blanc, un rouge et un bleu-blanc-rouge. On en tire un au hasard. Considérons les trois évènements A := {le jeton tiré contient du bleu}. B := {le jeton tiré contient du blanc}. C := {le jeton tiré contient du rouge}.
37 Approche intuitive Une urne contient quatre jetons : un bleu, un blanc, un rouge et un bleu-blanc-rouge. On en tire un au hasard. Considérons les trois évènements A := {le jeton tiré contient du bleu}. B := {le jeton tiré contient du blanc}. C := {le jeton tiré contient du rouge}. Il est clair que P(A) = P(B) = P(C) = 2 4 = 1 2.
38 Approche intuitive Une urne contient quatre jetons : un bleu, un blanc, un rouge et un bleu-blanc-rouge. On en tire un au hasard. Considérons les trois évènements A := {le jeton tiré contient du bleu}. B := {le jeton tiré contient du blanc}. C := {le jeton tiré contient du rouge}. Il est clair que P(A) = P(B) = P(C) = 2 4 = 1 2. D autre part, on a P(A B) = P({on tire le jeton tricolore}) = 1 4 = P(A)P(B). Et, de même P(B C) = 1 4 = P(B)P(C) et P(A C) = 1 4 = P(A)P(C).
39 Approche intuitive Une urne contient quatre jetons : un bleu, un blanc, un rouge et un bleu-blanc-rouge. On en tire un au hasard. Considérons les trois évènements A := {le jeton tiré contient du bleu}. B := {le jeton tiré contient du blanc}. C := {le jeton tiré contient du rouge}. Il est clair que P(A) = P(B) = P(C) = 2 4 = 1 2. D autre part, on a P(A B) = P({on tire le jeton tricolore}) = 1 4 = P(A)P(B). Et, de même P(B C) = 1 4 = P(B)P(C) et P(A C) = 1 4 = P(A)P(C). Ainsi, les évènements A, B et C sont deux à deux indépendants.
40 Approche intuitive Une urne contient quatre jetons : un bleu, un blanc, un rouge et un bleu-blanc-rouge. On en tire un au hasard. Considérons les trois évènements A := {le jeton tiré contient du bleu}. B := {le jeton tiré contient du blanc}. C := {le jeton tiré contient du rouge}. Il est clair que P(A) = P(B) = P(C) = 2 4 = 1 2. D autre part, on a P(A B) = P({on tire le jeton tricolore}) = 1 4 = P(A)P(B). Et, de même P(B C) = 1 4 = P(B)P(C) et P(A C) = 1 4 = P(A)P(C). Ainsi, les évènements A, B et C sont deux à deux indépendants. Cependant, P(A B C) = 1 car B C = {on tire le jeton tricolore}. Donc la connaissance simultanée de B et C modifie notre information sur A.
41 Indépendance de deux évènements Indépendance mutuelle de n évènements Indépendance mutuelle de n évènements Définition Soient n évènements A 1,,A n associés à une même expérience aléatoire e. On dit que les évènements A 1,,A n sont mutuellement indépendants si pour toute sous-famille A i1,a i2,,a ik avec 1 i 1 < < i k n, on a : P(A i1 A ik ) = P(A i1 ) P(A ik ).
42 Indépendance de deux évènements Indépendance mutuelle de n évènements Indépendance mutuelle de n évènements Définition Soient n évènements A 1,,A n associés à une même expérience aléatoire e. On dit que les évènements A 1,,A n sont mutuellement indépendants si pour toute sous-famille A i1,a i2,,a ik avec 1 i 1 < < i k n, on a : P(A i1 A ik ) = P(A i1 ) P(A ik ). L indépendance mutuelle implique évidemment l indépendance deux à deux et la réciproque est fausse comme le montre l Exemple.
43 Indépendance de deux évènements Indépendance mutuelle de n évènements Propriétés de l indépendance mutuelle Propriété Soient n évènements A 1,,A n associés à une même expérience aléatoire e. On suppose que les évènements A 1,,A n sont mutuellement indépendants. Alors toute famille obtenue en remplaçant certains des A i par leur complémentaires est encore mutuellement indépendante.
44 Indépendance de deux évènements Indépendance mutuelle de n évènements Propriétés de l indépendance mutuelle Propriété Soient n évènements A 1,,A n associés à une même expérience aléatoire e. On suppose que les évènements A 1,,A n sont mutuellement indépendants. Alors toute famille obtenue en remplaçant certains des A i par leur complémentaires est encore mutuellement indépendante. Propriété Soient n évènements A 1,,A n associés à une même expérience aléatoire e. On suppose que les évènements A 1,,A n sont mutuellement indépendants. Alors, on a P(A 1 A n ) = 1 (1 P(A 1 )) (1 P(A n )).
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