Feuille d exercices 2 : Espaces probabilisés

Feuille d exercices 2 : Espaces probabilisés Cours de Licence 2 Année 07/08 1 Espaces de probabilité Exercice 1.1 (Une inégalité). Montrer que P (A B) min(p (A), P (B)) Exercice 1.2 (Alphabet). On a un alphabet de 5 lettres {a, b, c, d, e}. On considère l ensemble des mots de 25 lettres. On tire au hasard un mot dans cet ensemble. Quelle est la probabilité qu il comporte 5 a, 5 b, 5 c, 5d et 5e? Exercice 1.3 (Dés). On fait 2 lancers avec trois dés. Quelle est la probabilité d avoir les mêmes résultats si a) Les dés sont de trois couleurs différentes? b) Les dés sont indiscernables? Exercice 1.4 (Déchirer et coller). n cartes différentes sont déchirées en deux morceaux, un haut et un bas. Les 2n morceaux sont assemblés au hasard en n paires à partir desquelles n nouvelles cartes sont crées. Trouver la probabilité a) qu on retrouve les n cartes initiales? b) que chaque haut ait été assemblé avec un bas? Exercice 1.5 (Mélange de cartes). Après avoir bien mélangé un jeu de cartes, on en fait une pile. a) Quelle est la probabilité que le 2 de coeur soit à la dernière place? b) Quelle est la probabilité que l as de pique se trouve au dessus de l as de coeur? c) Quelle est la probabilité que l as de pique soit au dessus de l as de coeur et que celui-ci soit au dessus de l as de carreau? d) Quelle est la probabilité que l as de pique et l as de trèfle ne soient pas adjacents? Exercice 1.6 (Poker). Trouver la probabilité que dans une main de poker (5 cartes choisies au hasard parmi 52), il y ait : a) Une quinte flush royal (As, roi, dame, valet, dix dans une même couleur) b) Une quinte flush mais pas mieux c) Un carré d) Un full (Brelan et paire) e) Une couleur mais pas mieux f) Une suite (5 cartes qui se suivent sans regarder la couleur) mais pas mieux g) Un brelan mais pas mieux h) Une double paire mais pas mieux j) Une paire mais pas mieux 1

Exercice 1.7 (Bridge). 1) Montrer que les probabilités cherchées sont les mêmes dans les deux expériences suivantes a) Au bridge, Nord a exactement 3 as b) Un tirage au hasard sans remise de 13 cartes dans le jeu contient exactement 3 as 2) Calculer la probabilité qu au bridge, chaque joueur ait un as. 3) Soit k 1 + k 2 + k 3 + k 4 quatre entiers tels que k 1 + k 2 + k 3 + k 4 = 13. Quelle est la probabilité p(k 1, k 2, k 3, k 4 ) qu au bridge, Nord ait k 1 pics, Est ait k 2 pics, Sud ait k 3 pics et Ouest k 4 pics? 3) Quelle est la probabilité qu au bridge un joueur reçoive k 1 pics, un autre k 2 pics, un troisième k 3 pics et le quatrième k 4 pics dans les cas suivants : a) k 1 = 5, k 2 = 3, k 3 = 4, k 4 = 1 b) k 1 = 4, k 2 = 3, k 3 = 4, k 4 = 2 c) k 1 = 4, k 2 = 4, k 3 = 4, k 4 = 1 Exercice 1.8 (Jeu avec pièce). On considère une pièce biaisée ayant la probabilité p de tomber sur face et q de tomber sur pile. a) Soit n 1. Quelle est la probabilité qu on obtienne le premier face après n lancers? b) Quelle est la probabilité qu on obtienne le premier face après un nombre impair de lancers? c) On suppose que Florence marque un point quand la pièce tombe sur face et que Pierre marque un point quand elle tombe sur pile. Le gagnant de la partie est le premier qui atteint N points. Soit pour 1 k, F k l événement, Florence a gagné au bout de k lancers. Déterminer pour 1 k, P (F k ). Soit n 1 et m 1. On note A(n, m) l événement Florence a atteint n points strictement avant que Pierre n ait atteint m points. Calculer la probabilité de A(n, m). Exercice 1.9 (Premier problème du chevalier de Méré). Quel est le plus probable : jouant avec un dé, obtenir au moins une fois 6 en 4 coups, ou bien jouant avec deux dés, obtenir au moins une fois un double 6 en 24 coups? Exercice 1.10 (Second problème du chevalier de Méré). Le chevalier de Méré avait posé à Pascal le problème suivant : deux joueurs jouent à un jeu de hasard en plusieurs parties ; celui qui, le premier, a gagné trois parties emporte la totalité de l enjeu. Si les joueurs doivent arrêter le jeu alors qu il ne manque au premier joueur, pour l emporter, qu une partie, et au second que deux parties, comment doit-on répartir équitablement l enjeu? Exercice 1.11 (Problème des anniversaires). Quelle est la probabilité pour que n personnes prises au hasard aient toutes des jours d anniversaire différents? On supposera que tous les jours de naissance sont équiprobables et on ne tiendra pas compte des années bissextiles. Déterminer la plus petite valeur de n telle que cette probabilité soit inférieure à 50%. Exercice 1.12 (Formule de Poincaré ; problème des rencontres). a) Montrer que si A 1,..., A n sont n événements d un même espace probabilisé et si A désigne la réunion de ces n événements, on a : n P (A) = ( 1) k+1 s k, s k = P (A i1 A i2... A ik ). i 1 <i 2 <...<i k k=1 b) On tire sans remise n boules numérotées de 1 à n. Déterminer la probabilité p n pour qu il existe un entier k tel que la boule portant le numéro k soit tirée au tirage numéro k. c) Déterminer la limite de p n quand n tend vers l infini. 2

Exercice 1.13 (Balles et paniers). On a r balles et n paniers numérotés de 1 à n. On répondra aux questions dans les deux cas suivants : (a) Les r balles sont discernables (par exemple parce qu elles sont de couleurs différentes). (b) Les r balles sont indiscernables. Question 1 : Quel est le nombre de répartitions possibles (un panier peut contenir plusieurs balles)? On suppose qu on a équiprobabilité. Question 2 : Quelle est la probabilité p k qu un panier donné contienne exactement k balles. Étudier la monotonie de la suite (p k ) 0 k r. Question 3 : On suppose que n et r tendent vers l infini et que r/n tend vers λ. Montrer que chaque terme p k admet une limite et calculer celle-ci. Exercice 1.14 (Problème du scrutin). Lors d un vote opposant deux candidats A et B, A obtient a voix et B obtient b voix. On suppose que a < b. Quelle est la probabilité pour qu au cours du dépouillement, B ait toujours été strictement en tête? On pourra représenter le dépouillement par un chemin du plan constitué de segments horizontaux ou verticaux de longueur 1 joignant l origine au point de coordonnées (a, b) et compter le nombre de chemins situés au dessus de la diagonale. Exercice 1.15 (Table). On dispose n 3 personnes autour d une table ronde. Trois personnes distinctes sont choisies au hasard. Calculer la probabilité de l événement «au moins deux parmi les trois étaient assises l une à coté de l autre.» Exercice 1.16 (Journal). Un responsable de jeux dispose de trois enveloppes de couleurs différentes. Il met de l argent dans l une, et du papier journal dans les deux autres. Il fait entrer un joueur et lui fait choisir une enveloppe qu il garde fermée. Parmi les deux enveloppes restantes, il y en a toujours au moins une qui contient du papier journal. Le responsable ouvre alors une de ces deux enveloppes dont il sait qu elle contient du papier journal, et propose au joueur de changer l enveloppe qu il a en main contre celle qui reste. Le joueur a t-il intérêt à changer? 2 Probabilités conditionnelles et indépendance Exercice 2.1 (Écrous). Dans une usine d écrous, trois machines A, B et C produisent respectivement 25%, 35% et 40% du total de la production. Elles produisent respectivement 5%, 4% et 2% de pièces défectueuses. Un écrou est tiré au hasard et s avère défectueux. Quelle est la probabilité qu il ait été produit par la machine A? B? ou C? Exercice 2.2 (Sexe). M. Dupont a deux enfants dont une fille, quelle est la probabilité que l autre soit un garçon? M. Durand a deux enfants dont le plus jeune est une fille, quelle est la probabilité pour que l autre soit un garçon? Exercice 2.3 (Le rouge et le noir). Une urne contient n boules noires et n boules rouges. On tire deux par deux sans remise, toutes les boules de l urne. Quelle est la probabilité d obtenir à chaque tirage deux boules de couleurs différentes? Exercice 2.4 (Urnes). On dispose de N + 1 urnes numérotées de 0 à N. L urne numéro k contient k boules rouges et N k boules noires. On tire une des urnes avec équiprobabilité, puis on procède avec cette urne à une série de n tirages avec remise. a) Calculer la probabilité d avoir choisi l urne numéro 1 sachant qu on a tiré n boules rouges. b) Calculer la probabilité de tirer n boules rouges. c) Calculer la probabilité de tirer une boule rouge au tirage n + 1 sachant qu on a déjà tiré n boules rouges. d) Déterminer les limites des probabilités précédentes quand N +. 3

Exercice 2.5 (Une inégalité). Soit A 1, A 2,..., A n des événements indépendants. On suppose que P (A k ) = p k. Quelle est la probabilité p qu aucun de ces événements ne soit réalisé? n Montrer que p e k=1 p k. Exercice 2.6 (Un peu d arithmétique). Pour tout entier n 2 fixé, soit P n la probabilité uniforme sur l ensemble {1, 2,..., n}. Pour tout diviseur m de n désignons par A m le sous-ensemble de {1, 2,..., n} formé des multiples de m. Montrer que P (A m ) = 1/m. Montrer que les A p où p parcourt les diviseurs premiers de n, sont des événements indépendants dans l espace probabilisé ({1, 2,..., n}, P n ). En déduire que l ensemble des entiers de {1, 2,..., n} premiers avec n a une probabilité ( 1 1 ) où p parcourt l ensemble des diviseurs premiers de n p p et en déduire le cardinal de cet ensemble. Retrouver ainsi une formule d Euler. Exercice 2.7 (Un peu de génétique). Les gènes (unités d hérédité) se présentent dans les cas les plus simples en paires et sous deux formes, appelées allèles, et notées A et a. Chaque individu possède un des trois génotypes AA, aa (qui sont homozygotes) et Aa (qui est hétérozygote). Chaque individu reçoit au hasard un gène de chacun des génotypes de ses parents, chacun des gènes de ces génotypes ayant la probabilité 1 2 de passer à l enfant. Par exemple, deux parents Aa donneront à leur enfant le génotype AA avec probabilité 1 4, Aa avec probabilité 1 2 et aa avec probabilité 1 4. Les génotypes des parents de la génération 0 sont supposés indépendants. La probabilité qu un parent de la génération 0 ait AA (respectivement Aa, respectivement aa) comme génotype est notée u (resp. 2v, resp. w), donc u + 2v + w = 1 et (u, 2v, w) est appelé la fréquence des génotypes. On note p = u + v et q = v + w la fréquence des allèles A et a. a) Montrer qu un individu de la première génération appartient à l un des génotypes AA, Aa, aa avec les probabilités respectives u 1 = p 2, 2v 1 = 2pq et w 1 = q 2. En conclure que passé la première génération, la loi de probabilité u, v, w des génotypes des individus d une population doit vérifier sous les hypothèses précédentes la relation de Hardy-Weinberg : v 2 = uw. Montrer que dans ce cas, u = p 2, 2v = 2pq et w = q 2. b) On considère dans les questions suivantes que u = p 2, 2v = 2pq et w = q 2. Calculer la probabilité que le génotype d un individu de la première génération soit Aa sachant que son frère a le même génotype. c) Calculer pour i et j dans G = {AA, Aa, aa}, la probabilité p i,j que le génotype d un enfant soit j sachant que le génotype de son père est i. On note P la matrice associée, indexée par G G. d) Montrer que la probabilité que le génotype d un individu de la seconde génération soit j sachant que le génotype de son grand-père paternel est i est donnée par p (2) i,j = k G p i,k p k,j Plus généralement, montrer que la probabilité que le génotype d un individu de la génération n soit j sachant que le génotype de son ancêtre masculin de la génération 0 était i est donnée par le coeficient (i, j) de la matrice P n. Calculer P n. Exercice 2.8 (Trois). Anne, Barbara et Cléo jouent une suite de parties en suivant la règle suivante : chaque partie oppose deux joueuses et la perdante de la partie s efface à la fin de la partie pour laisser la place aux deux autres joueuses. Les parties sont supposées indépendantes et chaque joueuse a la même probabilité à chaque fois de gagner. Le jeu s arrête dès qu une joueuse a gagné deux parties consécutives ; cette joueuse est alors la gagnante du jeu. 4

Déterminer la probabilité de chacune des trois joueuses de gagner si Anne et Barbara jouent la première partie. Pour tout entier n, calculer la probabilité que le jeu s arrête au bout de n parties exactement. Exercice 2.9 (QCM). Dans un QCM, il y a m réponses possibles à chaque question. Un candidat a une probabilité p de connaître la réponse. Sachant que le candidat a répondu juste à la question, quelle est la probabilité qu il connaisse effectivement la réponse? On suppose qu un candidat qui ne connaît pas la réponse, répond au hasard et donc que les m réponses sont équiprobables. Exercice 2.10 (QCM bac 2007). Pour chaque question, une seule des propositions est exacte. On donnera sur la feuille la réponse choisie sans justification. Il sera attribué un point si la réponse est exacte, zéro sinon. Dans certaines questions, les résultats proposés sont arrondis à 10 3 près. 1. Un représentant de commerce propose un circuit à la vente. Une étude statistique a permis d établir que, chaque fois qu il rencontre un client, la probabilité qu il vende son produit est égal à 0,2. Il voit cinq clients par matinée en moyenne. La probabilité qu il ait vendu exactement deux produits dans une matinée est égale à : a. 0, 4 b. 0, 04 c. 0, 1024 d. 0, 2048 2. Dans une classe, les garçons représentent le quart de l effectif. Une fille sur trois a eu son permis du premier coup, alors que seulement un garçon sur dix l a eu du premier coup. On interroge un élève (garçon ou fille) au hasard. La probabilité qu il ait eu son permis du premier coup est égale à : a. 0, 043 b. 0, 275 c. 0, 217 d. 0, 033 3. Dans la classe de la question 2, on interroge un élève au hasard parmi ceux ayant eu leur permis du premier coup. La probabilité que cet élève soit un garçon est égale à : a. 0, 100 b. 0, 091 c. 0, 111 d. 0, 25 4. Un tireur sur cible s entraîne sur une cible circulaire comportant trois zones délimitées par des cercles concentriques, de rayons respectifs 10, 20, 30 centimètres. On admet que la probabilité d atteidre une zone est proportionnelle à l aire de cette zone et que le tireur atteint toujours la cible. La probabilité d atteindre la zone la plus éloignée du centre est égale à : a. 5 9 b. 9 14 c. 4 7 d. 1 3 5