Lycée Jean Bart PCSI Année 2013-2014 17 février 2014 Probabilités Probabilités basiques Exercice 1. Vous savez bien qu un octet est une suite de huit chiffres pris dans l ensemble {0; 1}. Par exemple 01001110 et 10000110 sont des octets. 1) Combien peut-on former d octets différents? 2) On écrit au hasard un octet. Calculer la probabilité des évènements A : L octet contient 1 aux deux premières places et B : l octet se termine par 0. 3) Calculer la probabilité de l évènement A B. Exercice 2. Une urne contient 3 billes vertes et 5 billes rouges toutes indiscernables au toucher. Une partie consiste, pour un joueur, à tirer au hasard une bille de l urne ; il note sa couleur et ne remet pas la bille dans l urne. Puis il tire une seconde bille de l urne et il note sa couleur. Calculer la probabilité des évènements suivants : E 1 : Le joueur a tiré deux billes rouges et E 2 : Le joueur a tiré exactement une bille verte. Exercice 3. Au poker, une main est une combinaison de 5 cartes parmi 52. 1) Combien y a-t-il de mains différentes? 2) Quelle est la probabilité d avoir une couleur (cinq cartes de la même couleur)? 3) Un carré? 4) Un brelan? Un full? Une quinte flush? Une paire? Deux paires? Exercice 4. Dans une classe de 24 étudiants, on compte 10 filles et 14 garçons. On doit élire deux délégués. 1) Quel est le nombre de choix possibles? 2) Quel est le nombre de choix si l on impose une fille et un garçon? 3) Quel est le nombre de choix si l on impose 2 garçons? Probabilités conditionnelles Exercice 5. Les statistiques ont permis d établir qu en période de compétition, pour un sportif pris au hasard, la probabilité d être déclaré positif au contrôle antidopage est égale à 0,02. La prise d un médicament m peut entraîner, chez certains sportifs, un contrôle antidopage positif. En période de compétition, ce médicament, qui diminue fortement les effets de la fatigue musculaire, est utilisé par 25% des sportifs. Pour un tel sportif, la probabilité d être déclaré positif au contrôle antidopage est alors de 0,05. Pour un sportif choisi au hasard en période de compétition, on note M et P les événements M = utiliser le médicament m et P = être déclaré positif au contrôle antidopage 1) Calculer la probabilité de l événement utiliser le médicament m et être déclaré positif au contrôle antidopage 2) Pour un sportif choisi au hasard en période de compétition calculer les probabilités P (M P ) et P ( P M ) Exercice 6. Un laboratoire pharmaceutique met au point un test de dépistage d une maladie et fournit les renseignements suivants : La population testé comporte 50 % de personnes malades. Si une personne est malade, le test est positif dans 98 % des cas ; si une personne n est pas malade, le test est positif dans 0,2 % des cas. On note M l évènement la personne est malade, et T l évènement le test est positif. 1) Donner les valeurs de P(M), P (T M), P ( T M ). 2) En déduire P(T ).
2 PCSI Année 2013-2014 Probabilités 17 février 2014 Exercice 7. D après l INSEE, environ 4 millions de personnes habitent dans la région Nord - Pas de Calais. Sur ces 4 millions d habitants : De plus : 2 600 000 habitent dans le département du Nord ; 1 400 000 habitent dans le département du Pas de Calais. 2% des habitants du Nord vivent dans une commune de moins de 500 habitants ; 9% des habitants du Pas de Calais vivent dans une commune de moins de 500 habitants. On considère les deux évènements N : la personne habite dans le Nord et A : la personne vit dans une commune de moins de 500 habitants. 1) Calculer P (N A). 2) Quelle est la probabilité qu un habitant pris au hasard dans la région habite dans une commune de moins de 500 habitants? Exercice 8. La tour Burj-Dubaï, située à Dubaï (étonnant, non?), dont la construction a été achevée en janvier 2009, est la tour la plus haute du monde avec ses 818 mètres et ses 162 étages. Le groom peut-il raisonnablement parier que si 25 personnes montent au rez-de-chaussée dans son ascenseur, au moins 2 personnes descendront au même étage? En d autres termes, si 25 personnes sont initialement dans l ascenceur, quelle est la probabilité que 2 personnes descendent au même étage de la tour? (On suppose que les personnes descendent à un étage indépendamment les unes des autres) Exercice 9. Dans un stand de tir, un tireur effectue des tirs successifs pour atteindre plusieurs cibles. La probabilité que la première cible soit atteinte est 1 2. Lorsqu une cible est atteinte, la probabilité que la suivante le soit est 3 4. Lorsqu une cible n est pas atteinte, la probabilité que la suivante soit atteinte est 1 2. On note, pour tout entier naturel n non nul : A n l évènement : «la n-ième cible est atteinte». A n l évènement : «la n-ième cible n est pas atteinte. a n la probabilité de l évènement A n b n la probabilité de l évènement A n. 1) Donner a 1 et b 1. Calculer a 2 et b 2. On pourra utiliser un arbre pondéré. 2) Montrer que, pour tout n N, n 1 : a n+1 = 3 4 a n + 1 2 b n, puis : a n+1 = 1 4 a n + 1 2 3) Déduire de la question précédente l expression de a n en fonction de n, puis la limite de la suite (a n ). Exercice 10. Marche aléatoire sur un carré. ABCD est un carré de centre O. Un jeton posé sur l un des cinq points peut se déplacer de façon aléatoire vers l un des autres voisins suivant le mode suivant : tous les pas issus de l un sommets A, B, C et D ont pour probabilité 1/3 ; et tous les pas issus de O ont une probabilité de 1/4. Un chemin est une suite de pas successifs. Au départ le jeton est en A. 1) Le jeton fait deux pas. Calculer la probabilité qu il arrive en A, en B, en C, en D, en O? 2) Il fait un pas de plus. Quelle est la probabilité qu il arrive en O?
PCSI Année 2013-2014 Probabilités 17 février 2014 3 3) Soit n N. On note p n la probabilité pour que le jeton arrive en O après n pas. Démontrer que 4) Expliciter p n en fonction de n et déterminer lim n p n. Exercice 11. n N, p n+1 = 1 3 (1 p n) Pour la kermesse de l école de son petit frère, Nadia prépare son stand de pêche aux canards. Elle a déjà placé 50 canards bleus dont 30 portent l étiquette Vous avez gagné un éléphant rose. Les autres donnent le droit à un autre lot. De plus, il y a six canards verts permettant de gagner un éléphant rose. Nadia souhaite que lorsqu un enfant pêche au hasard un canard, les évènements Gagner un éléphant rose et Pêcher un canard vert soient indépendants. Déterminer le nombre de canards verts ne portant pas d étiquette Vous avez gagné un éléphant rose qu elle doit ajouter. Exercice 12. On considère n équipes de football de L1 et n équipes de L2. On tire au sort n rencontres entre ces 2n équipes (chaque équipe joue un match et un seul). 1) Calculer la probabilité p n pour que tous les matchs opposent une équipe de L1 à une équipe de L2. 2) Calculer la probabilité q n pour que tous les matchs opposent 2 équipes de la même division. 2 2n 1 ( ) 2n 3) Montrer que : n 1, 2 2n ssk n n 4) Calculer lim p n et lim q n. n n Variables aléatoires Lois usuelles Exercice 13. Un tournoi sportif compte 16 équipes engagées. Chaque équipe doit rencontrer toutes les autres une seule fois. Combien doit-on organiser de matches? Exercice 14. Un questionnaire comporte cinq questions. Pour chacune des cinq questions posées, trois propositions de réponses sont faites (A, B et C), une seule d entre elles étant exacte. Un candidat répond à toutes les questions posées en écrivant un mot réponse de cinq lettres. Par exemple, le mot BBAAC signifie que le candidat a répondu B aux première et deuxième questions, A aux troisième et quatrième questions et C à la cinquième question. 1) a) Combien y a-t-il de mots-réponses possibles à ce questionnaire? b) On suppose que le candidat répond au hasard à chacune des cinq questions de ce questionnaire. Calculer la probabilité des évènements suivants : E : le candidat a exactement une réponse exacte ; F : le candidat n a aucune réponse exacte ; G : le mot-réponse du candidat est un palindrome (On précise qu un palindrome est un mot pouvant se lire indifféremment de gauche à droite ou de droite à gauche : par exemple, BACAB est un palindrome). 2) Un professeur soumet ce questionnaire à ses 24 étudiants en leur demandant de répondre au hasard à chacune des cinq questions de ce questionnaire. On note X le nombre d élèves dont le mot-réponse ne comporte aucune réponse exacte. a) Justifier que la variable aléatoire X suit la loi binomiale de paramètres n = 34 et p = 32 243. b) Calculer la probabilité, arrondie à 10 2, qu au plus un élève n ait fourni que des réponses fausses. Exercice 15. La scène se passe en haut d une falaise au bord de la mer. Pour trouver une plage et aller se baigner, les touristes ne peuvent choisir qu entre deux plages, l une à l Est et l autre à l Ouest. On suppose que n touristes (n 3) se retrouvent un jour en haut de la falaise. Ces n touristes veulent tous se baigner et chacun d eux choisit au hasard et indépendamment des autres l une des deux directions. On note X la variable aléatoire donnant le nombre de ces touristes qui choisissent la plage à l Est. 1) Déterminer la probabilité que k touristes (0 k n) partent en direction de l Est.
4 PCSI Année 2013-2014 Probabilités 17 février 2014 2) On suppose ici que les deux plages considérées sont désertes au départ. On dit qu un touriste est heureux s il se retrouve seul sur une plage. a) Peut-il y avoir deux touristes heureux? b) Démontrer que la probabilité (notée p) qu il y ait un touriste heureux parmi ces n touristes vaut : p = n 2 n 1. c) Application numérique : lorsque le groupe comprend 10 personnes, exprimer la probabilité, arrondie au centième, qu il y ait un touriste heureux parmi les 10. Exercice 16. Un joueur débute un jeu au cours duquel il est amené à faire successivement plusieurs parties. La probabilité que le joueur perde la première partie est de 0,2. Le jeu se déroule ensuite de la manière suivante : s il gagne une partie, alors il perd la partie suivante avec une probabilité de 0,05 ; s il perd une partie, alors il perd la partie suivante avec une probabilité de 0,1. On appelle : E 1 l événement «le joueur perd la première partie» ; E 2 l évènement «le joueur perd la deuxième partie» ; et E 3 l évènement «le joueur perd la troisième partie». Enfin, on appelle X la variable aléatoire qui donne le nombre de fois où le joueur perd lors des trois premières parties. 1) Traduire la situation décrite dans l énoncé par un arbre pondéré. 2) Montrer que la probabilité de l évènement (X = 2) est égale à 0,031 et que celle de l évènement (X = 3) est égale à 0,002. 3) Déterminer la loi de probabilité de X, puis calculer l espérance de X. Exercice 17. On dispose d un dé en forme de tétraèdre régulier, possédant une face bleue, deux faces rouges et une face verte ; on suppose le dé parfaitement équilibré. Une partie consiste à effectuer deux lancers sucessifs et indépendants de ce dé. A chaque lancer on note la couleur de la face cachée. On considère les évènements suivants : E : à l issue d une partie, les deux faces notées sont vertes ; F : à l issue d une partie, les deux faces notées sont de la même couleur. 1) Calculer les probabilités des évènements E et F ainsi que la probabilité de E sachant F. 2) On effectue dix parties identiques et indépendantes. Calculer la probabilité d obtenir au moins une fois l évènement F au cours de ces dix parties. Exercice 18. Randonnée en montagne. Pour rejoindre le sommet S d une montagne des Alpes à partir d un point de départ D, les randonneurs ont la possibilité d emprunter plusieurs parcours. La course n étant pas faisable en une journée, ils doivent passer une nuit dans l un des deux refuges se trouvant à la même altitude de 1 400 mètres sur les parcours existants ; les deux refuges ne sont pas situés au même endroit. On les appelle R 1 et R 2. Le lendemain matin, pour atteindre le sommet qui se trouve à 2 500 mètres d altitude, ils ont deux possibilités : ils peuvent atteindre le sommet en faisant une halte au refuge R 3, ou atteindre le sommet directement. La probabilité que les randonneurs choisissent de passer par R 1 est égale à 1 3. La probabilité de monter directement au sommet en partant de R 1 est égale à 3 4. La probabilité de monter directement au sommet en partant de R 2 est égale à 2 3. 1) Tracer un arbre pondéré représentant tous les trajets possibles du départ D jusqu au sommet S. 2) On donne les distances suivantes, exprimées en kilomètres : d(d, R 1 ) = 5 (la distance entre le point D et le point R 1 est 5 kms) d(d, R 2 ) = 4 d(r 1, R 3 ) = 4 d(r 2, R 3 ) = 4, 5 d(r 3, S) = 2 d(r 1, S) = 5, 5 d(r 2, S) = 6 Soit X la variable aléatoire qui représente la distance parcourue (exprimée en kilomètres) par les randonneurs pour aller du départ D au sommet S. 3) Décrire la loi de probabilité de X. 4) Calculer l espérance de X.
PCSI Année 2013-2014 Probabilités 17 février 2014 5 Exercice 19. Dans une kermesse, un organisateur de jeux dispose de 2 roues de 10 cases chacune : la roue A comporte 9 cases noires et 1 cases rouges ; la roue B comporte 8 cases noires et 2 cases rouges. Lors du lancer d une roue toutes les cases ont la même probabilité d être obtenues. La règle du jeu est la suivante : Le joueur mise 1 AC et lance la roue A. S il obtient une case rouge, alors il lance la roue B, note la couleur de la case obtenue et la partie s arrête. S il obtient une case noire, alors il relance la roue A, note la couleur de la case obtenue et la partie s arrête. 1) Traduire l énoncé à l aide d un arbre pondéré. 2) Soient E et F les évènements : E : à l issue de la partie, les 2 cases obtenues sont rouges ; F : à l issue de la partie, une seule des deux cases est rouge. Montrer que P (E) = 0, 02 et P (F ) = 0, 17. 3) Si les 2 cases obtenues sont rouges, le joueur reçoit 10 AC ; si une seule des cases est rouge le joueur reçoit 2 AC ; sinon il ne reçoit rien. On appelle X la variable aléatoire égale au gain algébrique en euros du joueur. a) Déterminer la loi de probabilité de X. b) Calculer l espérance mathématique de X, et en donner une interprétation. Exercice 20. Singe écrivain? 1) Quelle est la probabilité qu un singe standard tapant au hasard sur une machine à écrire rédige la première page de Candide? 2) On admet qu un singe, installé à temps complet durant un an devant sa machine à écrire, rédige 500 000 textes différents. Combien d années faut-il attendre pour être certain qu il ait rédigé la première page de Candide? 3) D après la Société Française de Primatologie, il reste environ 1 million de singes dans le monde. En installant tous les singes du monde à temps complet devant leurs machines à écrire, combien d années faut-il attendre pour être certain qu un singe ait rédigé la première page de Candide? On pourra supposer dans un premier temps, pour simplifier, que les singes se mettent d accord pour tous taper des textes différents. 4) A raison de 5 bananes par singe et par jour, combien de bananes faut-il alors prévoir? 5) Proposer une solution pratique pour réaliser l expérience décrite dans la question 3 (en particulier, on réfléchira à une méthode efficace pour retrouver la page correcte parmi toutes celles tapées par l ensemble des singes). 6) Comparer les résultats obtenus au nombre d atomes dans le corps humain ; au nombre d atomes dans l Univers.