PROBABILITÉS CONDITIONNELLES A.FORMONS DES COUPLES Pour la fête de l école, les élèves de CE 2 ont préparé une danse qui s exécute par couples : un garçon, une fille. La maîtresse doit faire des essais pour trouver les couples qui s accordent le mieux, en appelant d abord le garçon puis la fille. Voici l ensemble des garçons G = { Alain ; Bernard ; Pierre } Voici l ensemble des filles F = { Lise ; Renée ; Catherine ; Denise } En mathématiques, nous aurons souvent à écrire des couples, appelés aussi 2-listes. Pour cela, nous utiliserons toujours la même écriture; par exemple, le couple formé du garçon «Alain» et de la fille «Renée» sera écrit : ( Alain, Renée ). Dans ce couple, «Alain» est le premier terme et «Renée» le deuxième terme. L ordre des termes est important. Citons le plus possible de couples. Nous en avons trouvé beaucoup; le travail devient difficile : il faut vérifier pour chaque couple nouveau qu il n a pas été cité; sommes-nous sûr(e)s de ne pas en avoir oublié? Il existe un moyen très facile qui nous permettra d écrire tous les couples : un arbre. Les trois premières branches représentent chacune un garçon. De l extrémité de chacune de ces branches partent quatre branches représentant chacune une fille. À chaque extrémité de ces dernières branches nous pouvons écrire un couple. Il y a donc 3 4 couples distincts : 3 possibilités pour le garçon 4 possibilités pour la fille. B.FORMONS DES COUPLES DANS UN MÊME ENSEMBLE Nous voulons créer un drapeau à deux cases. Pour cela nous disposons de quatre couleurs : bleu, jaune, rouge et vert. Les cases doivent être coloriées de deux couleurs différentes.
2 PROBABILITÉS CONDITIONNELLES Avec les éléments de l ensemble {B,J} nous pouvons former les deux drapeaux ou plutôt les deux couples (B,J) et (J,B). Comme nous voulons deux couleurs différentes, la couleur de la case de gauche ne peut pas être réutilisée pour la case de droite. L arbre nous confirme qu il y a 4 3 couples (drapeaux) possibles. (D après «mathématique contemporaine CM1» - 1975) À partir de cette dernière situation, nous pouvons répondre aux questions suivantes : On choisit un drapeau au hasard. Quelle est la probabilité p 1 qu il soit jaune et vert, dans cet ordre? On choisit un drapeau au hasard. Quelle est la probabilité p 2 qu il soit jaune et vert, l ordre étant sans importance? Sachant que la case de droite est verte, quelle est la probabilité p 3 que la case de gauche soit bleue? On choisit un drapeau au hasard. Quelle est la probabilité p 4 que la case de gauche soit jaune? On choisit un drapeau au hasard. Quelle est la probabilité p 5 que la case de droite soit jaune? C.ARBRE PONDÉRÉ On peut répondre aux mêmes questions à l aide d un arbre pondéré, c est à dire un arbre dont chaque branche est marquée de la probabilité (du poids) correspondant. On vérifie que la somme des probabilités de chaque «ramification» est égale à 1. D.QUELQUES EXERCICES D-1 : Pour s amuser... Exercice I Des études morphologiques de la Vénus de Milo montrent qu il y a cinq chances sur sept pour qu elle soit droitière et deux chances sur sept pour qu elle soit gauchère. Si elle est droitière, il y a trois chances sur cinq pour qu elle épluche des carottes et deux chances sur cinq pour qu elle dénoyaute des olives. Si elle est gauchère, il y a une chance sur deux pour qu elle épluche des carottes et une chance sur deux pour qu elle dénoyaute des olives.
LES AVENTURES DE TÉHESSIX 3 1) Calculez la probabilité pour qu elle dénoyaute des olives. Réponse : 3/7 2) Les noyaux trouvés sur le site archéologique de la statue permettent d affirmer sans hésiter qu elle dénoyaute des olives. Calculez la probabilité pour qu elle soit gauchère. Réponse : 1/3 Exercice II Rastatopoulos, célèbre poète grec du XX e siècle avant GC, nous rapporte l anecdote suivante. La Vénus de Milo rangeait ses olives dans trois amphores. Dans la première, il y avait 30 olives vertes et 20 olives noires. Les deux autres amphores contenaient, l une quatre olives vertes (Rastatopoulos ne sait plus laquelle), l autre quatre olives noires (Rastatopoulos ignore évidemment de quelle amphore il s agit). Un jour d éclipse totale du soleil, la Vénus de Milo prend, au hasard, une olive de la première amphore, puis la place dans une des deux autres amphores. Elle prend ensuite dans celle-ci une olive au hasard et le soleil réapparait : l olive est verte. Calculez la probabilité pour que la dernière amphore visitée contienne plusieurs olives vertes. On pourra considérer les événements suivants V 1 : «la première olive est verte» A : «la deuxième amphore contenait les quatre olives vertes» V 2 : «la deuxième olive est verte» Réponse : 23/26 Exercice III Périclès est goutteur d olives dans une usine grecque. Un matin, il goutte cent olives au hasard et les replace dans le réservoir. L après-midi, l ouzo de l apéritif lui a fait perdre la mémoire. Il goutte à nouveau cent olives dans le même réservoir. Douze d entre elles avaient déjà été machées. On note A l événement «il y a douze olives machées parmi les cent choisies» et B n l événement «il y a n olives dans le réservoir». On considère la fonction f définie pour les entiers supérieurs à cent par f(n) = p(a/b n ) et la suite (u n ) définie pour les entiers supérieurs à 100 par u n = f(n + 1)/f(n) 1) Comparez u n à 1. 2) Montrez que la fonction f atteint un maximum sur [[100, + [[. 3) On appelle maximum de vraissemblance m la valeur de n correspondant à ce maximum. Déterminez m. Réponse : m = 833 Exercice IV Le poker Une main au poker est constituée de 5 cartes tirées d un jeu de 52 cartes. Combien y a-t-il de carrés (XXXXY)? de fulls (XXXYY)? de brelans (XXXYZ)? de doubles paires (XXYYZ)? de paires (XXYZA)? Deux lettres identiques (par exemple XX) correspondent à deux cartes de même hauteur (par exemple deux dames). Réponse : 624 carrés, 3744 fulls, 54 912 brelans, 123 552 doubles paires, 1 098 240 paires.
4 PROBABILITÉS CONDITIONNELLES Exercice V L âge du capitaine Le capitaine des pompiers de New-York réside à l angle de la 7 ème rue et de la 33 ème avenue. La caserne se trouve à l angle de la 15 ème rue et de la 40 ème avenue. Il s y rend tous les jours à pied et sans perdre de temps (i.e. dans le sens des numéros croissants aussi bien pour les rues que pour les avenues). Sachant qu il a commencé à travailler le jour de ses 18 ans, et sachant qu il n est jamais passé deux fois par le même chemin, quel est l âge maximum du capitaine? Réponse : maximum 35 ans. D-2 : Passons aux choses sérieuses : les probas au Bac Exercice VI 1) Une urne contient quatre jetons numérotés de 1 à 4. On tire au hasard un jeton de l urne, on lit le numéro, noté a, porté sur le jeton, puis on remet le jeton tiré dans l urne. On tire ensuite un deuxième jeton de l urne et on note b le numéro du jeton tiré. On note P (a,b) = a(1 + b) 5 + b(1 a) Montez que la probabilité que P (a,b) soit nul est égale à 1/4. 2) Deux personnes A et B jouent au jeu suivant, constitué d un certain nombre de parties identiques décrites ci-après : au cours d une partie, chaque joueur effectue le tirage de deux jetons décrit dans la première question. Si A obtient un P (a,b) nul et B un P (a,b) non nul, A est déclaré vainqueur et le jeu s arrête. Si A obtient un P (a,b) non nul et B un P (a,b) nul, B est déclaré vainqueur et le jeu s arrête. Dans les autres cas, les joueurs entreprennent une nouvelle partie; le jeu continue. Pour tout entier n, on désigne par : A n l événement : «A gagne la n ème partie» B n l événement : «B gagne la n ème partie» C n l événement : «le jeu continue après la n ème partie» a) Calculez les probabilités p(a 1 ), p(b 1 ) et p(c 1 ). b) Exprimez p(c n+1 ) en fonction de p(c n ) et montrez que ( 5 p(c n ) = 8 c) Exprimez p(a n+1 ) en fonction de p(c n ) et montrez que p(a n ) = 3 ( ) n 1 5 16 8 3) a) Déterminez la limite de p(a n ) quand n tend vers +. b) Déterminez le plus petit entier n tel que p(a n ) soit inférieur ou égal à 0,01. ) n Exercice VII Une variante de l exercice précedent utilisant le calcul intégral 1) Le but de cette question est de déterminer la probabilité que la somme de deux nombres choisis au hasard dans l intervalle [0,1] ne dépasse pas 1 et que le produit fasse au plus 2/9. a) Dans un repère orthonormé d unité 10cm, construisez la droite (D) d équation y = x + 1 et la courbe (C) d équation y = 2 9x.
LES AVENTURES DE TÉHESSIX 5 b) Hachurez la partie du plan E = {x [0,1], y [0,1] x + y 1 et xy 2/9}. c) Déterminez les coordonnées des points d intersection de (D) et (C). d) Montrez que l aire A de E vaut 1 3 + 2 ln 2 u.a. 9 e) En remarquant que la probabilité p cherchée vaut dépend-elle de l unité choisie? A, calculez p. Cette probabilité aire du carré unité 2) Jouons : on choisit au hasard et successivement trois couples de nombres compris entre 0 et 1. On gagne lorsque deux au moins des couples satisfont la condition de la question 1). Calculez la probabilité π de gagner une partie en fonction de p. 3) Deux personnes A et B jouent à ce jeu. Si A gagne une partie et B perd, A est déclaré vainqueur. Si A perd une partie et B gagne, B est déclaré vainqueur. Dans les autres cas, ils recommencent à jouer. On note A n l événement : «A est déclaré vainqueur après la n ème partie». B n l événement : «B est déclaré vainqueur après la n ème partie». C n l événement : «le jeu continue après la n ème partie». a) Calculez p(a 1 ), p(b 1 ) et p(c 1 ). b) Exprimez p(c n+1 ) en fonction de p(c n ). c) Déduisez-en que (C n ) n IN est une suite géométrique et exprimez p(c n ) en fonction de n et p(c 1 ). Donnez une valeur approchée à 10 1 près de p puis de π. Calculez alors lim C n. n + d) Exprimez p(a n+1 ) en fonction de p(c n ) et déduisez-en p(a n ) en fonction de n. Exercice VIII Amélie est en vacances dans une très grande métropole. Elle doit traverser cette ville en suivant l avenue principale, qui est jalonnée de nombreux feux tricolores. Pour tout entier naturel n 1, on note E n l événement : «Amélie est arrêtée par le n ème feu rouge ou orange» et E n l événement contraire (le feu orange est considéré comme un feu rouge). Soit p n la probabilité de E n et q n celle de E n. La probabilité que le premier feu tricolore soit rouge ou orange vaut 1/8. On suppose que les deux conditions suivantes sont réalisées la probabilité que le (n + 1) ème feu tricolore soit rouge ou orange, si le n ème feu est rouge ou orange, vaut 1/20. la probabilité que le (n + 1) ème feu tricolore soit rouge ou orange, si le n ème feu est vert, vaut 9/20. 1) On s intéresse tout d abord aux deux premiers feux tricolores. Complétez un arbre pondéré rendant compte de la situation. 2) On se place maintenant dans le cas général. a) Donnez les probabilités conditionnelles p En (E n+1 ) et p En (E n+1 ). b) En remarquant que E n+1 = (E n+1 E n ) (E n+1 E n ), montrez que, pour tout n IN p n+1 = 1 20 p n + 9 20 q n c) Déduisez-en l expression de p n+1 en fonction de p n. 3) Soit (u n ) la suite de nombres réels définie pour tout n IN par u n = 28p n 9. a) Montrez que (u n ) est géométrique et déterminez sa raison. b) Exprimez u n puis p n en fonction de n. c) Déterminez la limite, si elle existe, de p n lorsque n tend vers +. Interprétez ce résultat.
6 PROBABILITÉS CONDITIONNELLES Exercice IX On considère l ensemble E = {0,1,2,3,4,5,6,7}. Avec deux chiffres distincts x et y de E on crée un unique domino simple noté indifféremment [x,y] ou [y,x]. Avec un chiffre z de E, on forme un unique domino double noté [z,z]. 1) Combien de dominos peut-on ainsi créer? 2) On tire au hasard un domino. a) Quelle est la probabilité d obtenir un domino constitué de chiffres pairs? b) Quelle est la probabilité d obtenir un domino dont la somme des chiffres est paire? 3) On tire au hasard et simultanément deux dominos. Un élève affirme : «la probabilité d obtenir un domino double et un simple dont l un des chiffres est celui du domino double est égale à 4/45». Son affirmation est-elle vraie ou fausse? Exercice X On dispose de deux urnes a et b contenant des boules blanches ou rouges indiscernables au toucher. L épreuve consiste à choisir une urne parmi les urnes a et b proposées (le choix de l urne est effectué au hasard, les deux choix sont équiprobables), puis à effectuer lle tirage d une boule dans l urne choisie. On note A l événement «l urne a est choisie», B l événement «l urne b est choisie» et R l événement «une boule rouge est obtenue au tirage». On note p A (R) la probabilité conditionnelle de l événement R par rapport à l événement A. 1) Dans cette question, l urne a contient une boule rouge et quatre boules blanches, l urne b contient quatre boules rouges et deux boules blanches. a) Déterminez les probabilités p(a), p A (R), p(a R). b) Montrez que p(r) = 13/30. c) Sachant que la boule obtenue est rouge, quelle est la probabilité que l urne choisie soit l urne a? 2) Dans cette question, l urne a contient quatre boules blanches, l urne b contient deux boules blanches. L urne a contient en outre n boules rouges et l urne b en contient (5 n), où n désigne un entier naturel inférieur ou égal à 5. a) Exprimez p A (R) et p B (R) en fonction de n. b) Montrez que p(r) = n2 + 4n + 10 (4 + n)(7 n) c) On sait que n ne prend que six valeurs entières. Déterminez la répartition des cinq boules rouges entre les urnes a et b donnant la plus grande valeur de p(r).