Estimation. Exemple Les statistiques des notes obtenues en mathématiques au BTS OL en France pour l année 2014 sont :

Transcription

1 Estimatio Objectifs Estimer poctuellemet ue proportio, ue moyee ou u écart type d ue populatio à l aide de la calculatrice ou d u logiciel, à partir d u échatillo Détermier u itervalle de cofiace à u iveau de cofiace souhaité pour : ue proportio, das le cas d ue loi biomiale approximable par ue loi ormale; ue moyee, das le cas d ue loi ormale quad l écart type de la populatio est cou ou das le cas de grads échatillos Exploiter u itervalle de cofiace Détermier la taille écessaire d u échatillo pour estimer ue proportio ou ue moyee avec ue précisio doée 1 Échatilloage et fluctuatios Soit X ue variable aléatoire défiie sur ue populatio O suppose cous l espérace (la moyee) µ de X aisi que so écart-type σ O prélève u échatillo de taille das la populatio(c est-à-dire idividus) et o s itéresse à la moyee observée das cet échatillo : si la taille de l échatillo est petite, la moyee observée peut être très différete de celle de la populatio (cas d u échatillo atypique); si par cotre l échatillo est de taille raisoablemet grade, o peut s attedre à ce que la moyee observée «e soit pas trop éloigée» de celle de la populatio La remarque précédete est précisémet quatifiée par le théorème de la limite cetrée Théorème de la limite cetrée (admis) Soit X ue variable aléatoire quelcoque d espérace E(X) = µ et d écart-type σ(x) = σ O ote X la moyee observée das u échatillo de taille Si la taille de l échatillo est assez grade ( 30), alors : X suit approximativemet la loi ormale de moyee µ et d écart-type σ Exemple Les statistiques des otes obteues e mathématiques au BTS OL e Frace pour l aée 2014 sot : moyee atioale : µ = 10,37 écart-type : σ = 1,48 Ue classe de TS2OL comptait 35 élèves e 2013/2014 : quelle est la probabilité que la moyee de cette classe soit supérieure à 10? Répose Comme 30, la moyee X suit approximativemet ue loi ormale de paramètres µ = µ = 10,37 et σ = σ = 1, ,25 O e déduit avec la calculatrice que P ( X 10 ) = 0,93 TS2 Opticie Luetier 2014 / Lycée Fresel - Paris

2 Fréquece das u échatillo Das ue populatio, o étudie u caractère dot o coaît la proportio p O fixe u etier, et l o s itéresse à la variable aléatoire F qui à u échatillo de taille associe la fréquece du caractère étudié Si la taille de l échatillo est assez grade ( 30), alors : F suit approximativemet la loi ormale de moyee p et d écart-type Démostratio Le prélèvemet d u échatillo de taille reviet à effectuer épreuves de Beroulli, chacue d etre elles cosistat à prélever u idividu das la populatio et à appeler succès le fait qu il possède le caractère étudié (avec ue probabilité p) E admettat que les tirages sot idépedats (la populatio est suffisamet grade parrapportàlataille del échatillo), lavariable aléatoire X quicomptele ombredesuccèsdeces épreuves de Beroulli suit ue loi biomiale de paramètres et p L espérace et l écart-type de X valet : E(X) = p etσ(n) = Mais la fréquece F = X est aussi la moyee X du ombre de succès observée das l échatillo : comme 30 et d après le théorème de la limite cetrée, F suit approximativemet la loi ormale de paramètres µ = E(X) = p et σ = σ(x) = = Défiitio Das ue populatio, o étudie u caractère dot o coaît la proportio p O fixe u etier, et l o s itéresse à la variable aléatoire F qui à u échatillo de taille associe la fréquece du caractère étudié U itervalle de fluctuatio au seuil de 95% de F est doé par : [ ] IF = p 1,96 ; p+1,96 Cela sigifie que sur u grad ombre d expériece, la fréquece observée das u échatillo de taille appartiedra à cet itervalle das 95% des cas e moyee Démostratio O peut calculer que si ue variable aléatoire X suit la loi ormale de moyee µ et d écart-type σ, alors P(µ 1,96σ X µ+1,96σ) = 0,95 95% µ 1,96σ µ µ+1,96σ p(1 p) Come F suit approximativemet ue loi ormale de moyee µ = p et d écart-type σ =, o déduit de ce fait que ( ) P p 1,96 F p+1,96 = 0,95 TS2 Opticie Luetier 2014 / Lycée Fresel - Paris

3 2 Estimatio poctuelle L estimatio est le problème réciproque de l échatilloage : o e coaît pas l espérace (ou l écart-type ou la proportio) das la populatio, et l o cherche à l estimer à partir des valeurs observées sur u échatillo de taille O suppose que la populatio est suffisammet grade pour que le prélèvemet d u échatillo puisse être assimilé à u tirage avec remise Estimatio poctuelle d ue moyee O ote µ e et σ e la moyee et l écart-type observés das u échatillo de taille L estimatio poctuelle µ de la moyee µ de la populatio est : µ = µ e L estimatio poctuelle σ de l écart-type σ de la populatio est : σ = 1 σ e Remarque Le facteur 1 s appelle la correctio de biais Lorsque est grad ( 30), le facteur 1 est très voisi de 1 de sorte que l o peut estimer σ par σ e : si 30 : σ σ e Estimatio d ue proportio O ote p e la proportio observée das u échatillo de taille L estimatio poctuelle p de la proportio das la populatio est : p = p e pe (1 p e ) L estimatio poctuelle σ de l écart-type σ de la populatio est : σ =, si 30 Remarque Si < 30, il faut faire iterveir la correctio de biais et : σ = 3 Estimatio par u itervalle de cofiace pe (1 p e ) = 1 p e (1 p e ) 1 Défiitio U itervalle de cofiace de iveau de cofiace 95% est u itervalle qui cotiet la valeur icoue de la moyee ou de la proportio das la populatio avec ue probabilité (au mois) égale à 0,95 Estimatio d ue moyee Das ue populatio, o étudie ue variable aléatoire dot o coaît l écart-type σ mais dot la moyee µ est icoue O ote µ e la moyee observée sur u échatillo de taille σ état cou, u itervalle de cofiace de µ au iveau de cofiace 0,95 est doé par : [ IC = µ e 1,96 σ ; µ e +1,96 σ ] Cela sigifie que sur u grad ombre d expérieces, cet itervalle cotiedra effectivemet µ das 95% des cas e moyee TS2 Opticie Luetier 2014 / Lycée Fresel - Paris

4 Démostratio D après le théorèmede la limite cetrée,o sait que la moyee X observéedas u échatillo de taille suit approximativemet la loi ormale de moyee µ et d écart-type σ O a doc Mais ( P µ 1,96 σ X µ+1,96 σ ) = 0,95 µ 1,96 σ X µ+1,96 σ 1,96 σ X µ 1,96 σ 1,96 σ µ X 1,96 σ X 1,96 σ µ X+1,96 σ, doc ( P X 1,96 σ µ X+1,96 σ ) = 0,95 E remplaçat X par sa réalisatio µ e, o a bie : ( [ P X µ e 1,96 σ ; µ e +1,96 σ ]) = 0,95 Estimatio d ue proportio Das ue populatio, o étudie u caractère dot la proportio p est icoue O ote p e la proportio observée sur u échatillo de taille U itervalle de cofiace de p au iveau de cofiace 0,95 est doé par : [ ] pe (1 p e ) pe (1 p e ) IC = p e 1,96 ; p e +1,96 Cela sigifie que sur u grad ombre d expérieces, cet itervalle cotiedra effectivemet p das 95% des cas e moyee pe (1 p e ) O pourra reteir cette formule e otat que est l estimatio poctuelle σ de l écart-type Autre iveau de cofiace Si l o souhaite obteir u itervalle de cofiace avec u iveau de cofiace différet de 0,95, il suffit de remplacer das les formules précédetes le coefficiet 1,96 par : 1,645 pour u iveau de cofiace égal à 10%; 2,575 pour u iveau de cofiace égal à 1% Par exemple : σ état cou, u itervalle de cofiace de µ au iveau de cofiace 0,90 est doé par : [ IC = µ e 1,645 σ ; µ e +1,645 σ ] u itervalle de cofiace de p au iveau de cofiace 0,99 est doé par : [ ] pe (1 p IC = e ) pe (1 p e ) p e 2,575 ; p e +2,575 TS2 Opticie Luetier 2014 / Lycée Fresel - Paris

5 Exercices Exercice 1 (2014) U fabriquat de letilles souples, dites«hydrophiles», propose ue ouvelle géératio de letilles e silicoe d hydrogel Le fabriquat voudrait estimer la desité moyee icoue µ des letilles de sa productio auelle O désigepar D lavariable aléatoirequi, àtouteletille decetteproductio,associesadesitéo admetque D suitla loiormale demoyee µ et d écarttype σ = 0,07 O prélèveuéchatillo aléatoirede150 letilles das la productio auelle Cette productio est suffisammet importate pour que l o puisse assimiler ce prélèvemet à u tirage avec remise O désige par D la variable aléatoire qui, à tout échatillo de 150 letilles aisi prélevé, associe la desité moyee des letilles de cet échatillo O admet que D suit la loi ormale de moyee µ et d écart type σ 150 avec σ = 0,07 Pour l échatillo prélevé, o costate que la desité moyee des letilles est d = 1, Détermier u itervalle de cofiace cetré sur d de la moyee icoue µ au iveau de cofiace 95% Arrodir les bores de l itervalle à O cosidère la phrase suivate : «o est sûr que la moyee µ appartiet à l itervalle de cofiace obteu à la questio précédete» Est-ce vrai? Justifier Exercice 2 (2013) Ue etreprise fabrique des verres ophtalmiques à partir de verres semi-fiis Ce fabriquat effectue u sodage auprès de ses cliets opticies Il souhaite évaluer la proportio icoue p de cliets itéressés par u ouveau verre Pour cela, il iterroge au hasard u échatillo de 100 opticies parmi sa clietèle Cette clietèle est suffisammet importate pour cosidérer que cet échatillo résulte d u tirage avec remise Soit F la variable aléatoire qui à tout échatillo aisi prélevé, associe la fréquece, das cet échatillo, des opticies itéressés par ce ouveau verre O suppose que F suit la loi ormale de moyee p icoue et d écart type 100 Pour l échatillo prélevé, o costate que 70 opticies sot itéressés par le ouveau verre 1 Doer ue estimatio poctuelle f de la proportio icoue p 2 Détermier u itervalle de cofiace cetré sur f de la proportio p avec le coefficiet de cofiace 95% Arrodir les bores de l itervalle à Peut-o affirmer que p est compris das cet itervalle de cofiace? Pourquoi? Exercice 3 (2011) Ue etreprise fabrique et distribue u produit de cosommatio courate e grade quatité O s itéresse à la proportio icoue p de produits das le stock présetat ue erreur d étiquetage Pour cela, o prélève au hasard et avec remise 100 produits das le stock Soit F la variable aléatoire qui à tout échatillo aisi prélevé, associe la fréquece, das cet échatillo, des produits présetat ue erreur d étiquetage O suppose que F suit la loi ormale de moyee p icoue et d écart type 100 Pour l échatillo prélevé, o costate que 6 produits présetet ue erreur d étiquetage 1 Doer ue estimatio poctuelle f de la proportio icoue p 2 Détermier u itervalle de cofiace cetré sur f de la proportio p avec le coefficiet de cofiace 95% Arrodir les bores de l itervalle à 10 2 TS2 Opticie Luetier 2014 / Lycée Fresel - Paris

6 Exercice 4 (2008) Au cours d ue aée, le service ophtalmologie d u cetre hospitalier a examié 5000 patiets Pour chaque patiet, ue fiche a été remplie sur laquelle sot idiqués l âge de la persoe et le diagostic posé Parmi les pathologies recotrées chez les 5000 patiets figure l aiséïcoie (L aiséïcoie se défiit comme la perceptio d images différetes e taille et/ou e forme par les deux yeux fixat u même objet) O cosidère u échatillo de 60 fiches prélevées au hasard das le fichier des patiets Le ombre de fiches du fichier est assez importat pour qu o puisse assimiler ce tirage à u tirage avec remise O costate que 15 fiches de cet échatillo sigalet ue aiséïcoie 1 Doer ue estimatio poctuelle de la fréquece icoue p des fiches du fichier qui sigalet ue aiséïcoie 2 Soit F la variable aléatoire qui, à tout échatillo de 60 fiches prélevées au hasard et avec remise das le fichier, associe la fréquece des fiches qui sigalet ue aiséïcoie O admet que F suit la loi ormale de moyee p et d écart type, où p désige la fréquece icoue des fiches du fichier qui 60 sigalet ue aiséïcoie Détermier u itervalle de cofiace de la fréquece p au seuil de cofiace 95% Exercice 5 (2007) Ue etreprise orgaise ue equête de satisfactio auprès de ses cliets Soir Z la variable aléatoire qui à tout échatillo de fiches, prélevées au hasard et avec remise das le fichier de la clietèle, associe le pourcetage de cliets correspodats satisfaits par le produit O admet que Z suit la loi ormale de moyee p et d écart type où p est la proportio icoue de cliets satisfaits par le produit das l esemble de la clietèle U sodage auprès d u échatillo aléatoire de 100 cliets a motré que 85 d etre eux étaiet satisfaits 1 Doer ue estimatio poctuelle de p 2 Doer ue estimatio de p par u itervalle de cofiace avec le coefficiet de cofiace 95% Arrodir les bores à Peut-o affirmer que p est compris das cet itervalle de cofiace? Pourquoi? Exercice 6 (2003) Ue etreprise fabrique des faces de luettes e grade série O s itéresse à la logueur de faces de luettes produites pedat ue jourée et o ote µ la moyee, icoue, de ces logueurs Soit L lavariable aléatoirequi,àtoutéchatillo de64facesdeluettesprélevéesau hasardetavecremisedas la productio des faces de la jourée cosidérée, associe la moyee des logueurs des faces de cet échatillo σ O suppose que L suit la loi ormale de moyee µ et d écart type avec σ = 0,48 64 O mesure la logueur, exprimée e millimètres, de chacue des 64 faces d u échatillo prélevé au hasard et avec remise das la productio de la jourée des faces O costatequelavaleur approchéearrodie à10 3 dela moyeel deslogueursdesfaces decetéchatillo est l = 130,088 1 À partir des iformatios portat sur cet échatillo, doer ue estimatio poctuelle de la moyee µ 2 Détermier u itervalle de cofiace cetré e l de la moyee µ, avec le coefficiet de cofiace 95% 3 O cosidère l affirmatio suivate : «la moyee µ est obligatoiremet etre 129, 970 et 130, 206» Peut-o déduire de ce qui précède qu elle est vraie? O e demade pas de justificatio TS2 Opticie Luetier 2014 / Lycée Fresel - Paris