
Pile ou face, loterie, météo, résultats d’un sondage : le hasard est partout. Les probabilités permettent de mesurer les chances qu’un événement se produise, et l’échantillonnage d’expliquer pourquoi, sur 100 lancers, on n’obtient presque jamais exactement 50 piles. Dans ce chapitre, tu apprends à décrire une expérience aléatoire, à calculer des probabilités avec des tableaux et des arbres, puis à décider si une fréquence observée est « normale » ou surprenante.
1. Expérience aléatoire, issues et univers
Pour décrire correctement un univers, il faut être précis. Si on lance deux fois une pièce, les issues sont des listes : PP, PF, FP, FF (P = pile, F = face). L’ordre compte : PF et FP sont deux issues différentes.
2. Loi de probabilité
On présente souvent une loi dans un tableau ou dans un diagramme en barres. Voici une roue de loterie à quatre couleurs :
| Couleur | Rouge | Jaune | Vert | Bleu | Total |
|---|---|---|---|---|---|
| Probabilité | 0,4 | 0,3 | 0,2 | 0,1 | 1 |
Les quatre probabilités sont entre 0 et 1, et leur somme vaut 0,4 + 0,3 + 0,2 + 0,1 = 1 : c’est bien une loi de probabilité. Ici les issues n’ont pas la même probabilité.
Ne confonds pas deux idées : la probabilité est une valeur théorique choisie par le modèle ; la fréquence est une valeur observée après avoir répété l’expérience. Quand on répète très souvent l’expérience, les fréquences se rapprochent des probabilités.
3. Événements et probabilité d’un événement
p(A) = nombre d’issues favorables à A ÷ nombre total d’issues.
- Écris l’univers (liste des issues).
- Vérifie s’il y a équiprobabilité.
- Liste les issues qui réalisent l’événement.
- Divise leur nombre par le nombre total (ou additionne leurs probabilités).
- Simplifie la fraction et conclus par une phrase.
4. Événement contraire
5. Intersection et réunion de deux événements
- A ∩ B (« A inter B », « A et B ») : les issues qui réalisent à la fois A et B.
- A ∪ B (« A union B », « A ou B ») : les issues qui réalisent A, ou B, ou les deux. Le « ou » est inclusif en mathématiques.
Si A ∩ B est vide, on dit que A et B sont incompatibles.
p(A ∪ B) = p(A) + p(B) − p(A ∩ B).
Si A et B sont incompatibles : p(A ∪ B) = p(A) + p(B).
Démonstration. Quand on additionne p(A) et p(B), les issues de A ∩ B sont comptées deux fois (une fois dans A, une fois dans B). Il faut donc les retirer une fois : p(A) + p(B) − p(A ∩ B).
Vérification sur l’exemple : 36 + 26 − 16 = 46. On retrouve bien p(A ∪ B).
6. Tableaux à double entrée et arbres
Quand on étudie deux caractères en même temps, un tableau à double entrée permet de lire toutes les probabilités. Dans un lycée, on interroge 150 élèves :
| Demi-pensionnaire | Externe | Total | |
|---|---|---|---|
| Fille | 52 | 28 | 80 |
| Garçon | 36 | 34 | 70 |
| Total | 88 | 62 | 150 |
On choisit un élève au hasard. Notons F : « c’est une fille » et D : « il est demi-pensionnaire ».
- p(F) = 80150 = 815 (total de la ligne).
- p(D) = 88150 = 4475 (total de la colonne).
- p(F ∩ D) = 52150 = 2675 (case à l’intersection).
- p(F ∪ D) = 80150 + 88150 − 52150 = 116150 = 5875.
Pour une expérience qui se déroule en plusieurs étapes, on utilise un arbre pondéré. Une urne contient 3 boules rouges (R) et 2 boules bleues (B). On tire une boule, on la remet, puis on en tire une seconde.
- Sur les branches issues d’un même nœud, la somme des probabilités vaut 1.
- La probabilité d’un chemin (une issue) est le produit des probabilités le long du chemin.
- La probabilité d’un événement est la somme des probabilités des chemins qui le réalisent.
Ici p(RR) = 35 × 35 = 925. « Une boule de chaque couleur » regroupe RB et BR : 625 + 625 = 1225. « Au moins une rouge » a pour contraire BB : 1 − 425 = 2125.
7. Échantillonnage et fluctuation
Si on lance 100 fois une pièce équilibrée, on s’attend à environ 50 piles, mais on en obtient rarement exactement 50. Deux échantillons de même taille donnent des fréquences différentes : c’est la fluctuation d’échantillonnage.
Nous avons simulé 40 échantillons de taille 100 (pièce équilibrée, p = 0,5). Les nombres de piles des 10 premiers échantillons sont : 43 ; 51 ; 45 ; 44 ; 49 ; 54 ; 51 ; 50 ; 55 ; 53. Sur l’ensemble des 40 échantillons, les fréquences vont de 0,41 à 0,63.
Chaque point est la fréquence de piles d’un échantillon. Les traits orange pointillés marquent 0,4 et 0,6. Les points bleus sont dans la bande, les points rouges en dehors (il y en a 3 sur 40).
- Les fréquences fluctuent autour de la probabilité p.
- Plus la taille n de l’échantillon est grande, moins les fréquences fluctuent : elles se resserrent autour de p.
8. Intervalle de fluctuation et prise de décision
f ∈ [ p − 1√n ; p + 1√n ].
Cet intervalle s’appelle l’intervalle de fluctuation de la fréquence.
- Identifie la probabilité p annoncée (l’hypothèse) et la taille n de l’échantillon. Vérifie n ≥ 25 et 0,2 ≤ p ≤ 0,8.
- Calcule 1√n puis les bornes p − 1√n et p + 1√n.
- Calcule la fréquence observée f.
- Compare : si f est dans l’intervalle, l’observation est compatible avec l’hypothèse (on ne la rejette pas) ; sinon on la remet en cause, en acceptant un risque d’environ 5 % de se tromper.
9. Simuler une expérience avec Python
Un ordinateur peut répéter une expérience aléatoire des milliers de fois. La fonction random() du module random renvoie un nombre décimal « au hasard » dans l’intervalle [0 ; 1[. Pour simuler un événement de probabilité p, on regarde si ce nombre est inférieur à p : cela arrive avec une probabilité de p.
from random import random
def frequence(n, p):
"""Fréquence d'un événement de probabilité p
dans un échantillon de taille n."""
compteur = 0
for i in range(n):
if random() < p:
compteur = compteur + 1
return compteur / n
print(frequence(100, 0.5))
À chaque exécution, le programme affiche une fréquence différente, proche de 0,5 : c’est la fluctuation d’échantillonnage. Pour étudier la fluctuation, on appelle la fonction un grand nombre de fois et on compte les fréquences sortant de l’intervalle [p − 1√n ; p + 1√n].
À retenir
- Une loi de probabilité associe à chaque issue un nombre entre 0 et 1, la somme valant 1.
- En équiprobabilité : p(A) = nombre d’issues favorables ÷ nombre d’issues.
- Événement contraire : p(Ā) = 1 − p(A). Pour « au moins un », passe par « aucun ».
- Réunion : p(A ∪ B) = p(A) + p(B) − p(A ∩ B).
- Arbre pondéré : on multiplie le long d’un chemin, on additionne les chemins favorables.
- Les fréquences fluctuent d’un échantillon à l’autre, de moins en moins quand n grandit.
- Intervalle de fluctuation (n ≥ 25, 0,2 ≤ p ≤ 0,8) : [ p − 1√n ; p + 1√n ] pour au moins 95 % des échantillons.
- Une fréquence hors de l’intervalle remet en cause l’hypothèse sur p ; dedans, elle est compatible.
