Exercice 1 : Probabilités : contrôles aux caisses automatiques, loi binomiale et Bienaymé-Tchebychev
6 points Loi binomiale et concentrationArbres pondérés et probabilités totalesSommes de variables aléatoires et concentration
Cet exercice est constitué de trois parties indépendantes
Un magasin est équipé de caisses automatiques en libre-service où le client scanne lui-même ses articles. Le logiciel d'une caisse déclenche régulièrement des demandes de vérification. Un employé du magasin effectue alors un contrôle.
- Partie A
- Le contrôle peut être
• soit « total » : l'employé du magasin scanne alors à nouveau l'ensemble des articles du client ;
• soit « partiel » : l'employé choisit alors un ou plusieurs articles du client pour vérifier qu'ils ont bien été scannés. - Si un contrôle est déclenché, il s'agit une fois sur dix d'un contrôle total.
Lorsqu'un contrôle total est déclenché, une erreur du client est détectée dans des cas.
Lorsqu'un contrôle partiel est effectué, dans des cas, il n'y a pas d'erreur. - Un contrôle est déclenché à une caisse automatique.
On considère les évènements suivants :
• : « Le contrôle est un contrôle total » ;
• : « Une erreur est détectée lors du contrôle ». - On notera et les évènements contraires de et .
- A.1. Construire un arbre pondéré représentant la situation puis déterminer .
- A.2. Calculer la probabilité qu'une erreur soit détectée lors d'un contrôle.
- A.3. Déterminer la probabilité qu'un contrôle total ait été effectué, sachant qu'une erreur a été détectée. On donnera la valeur arrondie au centième.
- Partie B
- Sur une journée donnée, une caisse automatique déclenche contrôles. La probabilité qu'un contrôle mette en évidence une erreur est . La détection d'une erreur lors d'un contrôle est indépendante des autres contrôles.
On note la variable aléatoire égale au nombre d'erreurs détectées lors des contrôles de cette journée. - B.1. On admet que la variable aléatoire suit une loi binomiale. Préciser ses paramètres.
- B.2. Déterminer la probabilité qu'exactement 5 erreurs soient détectées. On donnera la valeur arrondie au centième.
- B.3. Déterminer la probabilité qu'au moins une erreur soit détectée. On donnera la valeur arrondie au centième.
- B.4. On souhaite modifier le nombre de contrôles déclenchés par la caisse de manière à ce que la probabilité qu'au moins une erreur soit détectée chaque jour soit supérieure à .
Déterminer le nombre de contrôles que doit déclencher la caisse chaque jour pour que cette contrainte soit respectée. - Partie C
- Le magasin comporte trois caisses automatiques identiques qui, lors d'une journée, ont chacune déclenché contrôles. On note , et les variables aléatoires associant à chacune des caisses le nombre d'erreurs détectées lors de cette journée.
On admet que les variables aléatoires , et sont indépendantes entre elles et suivent chacune une loi binomiale . - C.1. Déterminer les valeurs exactes de l'espérance et de la variance de la variable aléatoire .
- C.2. On définit la variable aléatoire par .
Justifier que et que .
Pour cette question, on utilisera 10 comme valeur de .
À l'aide de l'inégalité de Bienaymé-Tchebychev, montrer que la probabilité que le nombre total d'erreurs sur la journée soit strictement compris entre 6 et 14 est supérieure à .
Voir la correction
Réponses
- A.1 Arbre : , , ;
- A.2
- A.3
- B.1 suit la loi binomiale
- B.2
- B.3
- B.4 : au moins contrôles par jour
- C.1 ;
- C.2 ; (indépendance) ;
A.1. On traduit chaque phrase de l'énoncé en probabilité, en repérant la population à laquelle elle se rapporte. « Une fois sur dix d'un contrôle total », parmi TOUS les contrôles : , donc .
« Lorsqu'un contrôle total est déclenché, une erreur est détectée dans des cas » : la population est celle des contrôles totaux, c'est une probabilité conditionnée par , , d'où . « Lorsqu'un contrôle partiel est effectué, dans des cas, il n'y a pas d'erreur » : , d'où .
L'arbre pondéré a donc un premier niveau () et (), puis, issues de , les branches () et (), et issues de , les branches () et (). Il est dessiné en fin de corrigé. Contrôle : les branches issues d'un même nœud ont pour somme .
Formule des probabilités composées, lue sur le chemin puis : .
Erreur fréquente : placer sur la branche de vers . Le de l'énoncé compte les contrôles partiels SANS erreur, c'est la branche vers . La phrase est construite à l'envers des deux précédentes, et c'est voulu.
A.2. Formule des probabilités totales, avec la partition : . Le premier terme vaut , donc .
La probabilité qu'une erreur soit détectée lors d'un contrôle est . Vérification : c'est exactement la valeur que la partie B prend comme donnée, ce qui confirme l'arbre. La rédaction attendue cite la formule des probabilités totales et nomme la partition : écrire seulement « » coûte une partie des points.
A.3. On sait qu'une erreur a été détectée : on cherche une probabilité conditionnée par , . L'arbre commence par , la question part de : on revient à la définition d'une probabilité conditionnelle.
, soit arrondi au centième.
Interprétation : quand une erreur est détectée, il s'agit d'un contrôle total dans environ des cas. C'est plus que : un contrôle total, plus minutieux, détecte plus souvent une erreur ( contre ), donc savoir qu'une erreur a été trouvée rend le contrôle total plus probable. Le piège est de confondre et : le dénominateur est la probabilité de l'événement DONNÉ, ici .
B.1. Chaque contrôle est une épreuve de Bernoulli dont le succès est « une erreur est détectée », de probabilité . On répète fois cette épreuve, de façon identique et indépendante (l'énoncé précise que la détection lors d'un contrôle est indépendante des autres). compte le nombre de succès : suit la loi binomiale de paramètres et , notée .
B.2. Formule de la loi binomiale : . Avec : , où .
La calculatrice donne , soit arrondi au centième. Sur la calculatrice, c'est la fonction de densité binomiale (« binomFdp » ou « Binomial PD »), pas la fonction de répartition, qui donnerait . Erreur fréquente : oublier le coefficient binomial , ce qui donne la probabilité d'UNE seule configuration des cinq erreurs parmi les quinze contrôles.
B.3. « Au moins une » se traite par l'événement contraire, « aucune » : .
, donc , soit arrondi au centième. Additionner donne le même résultat, mais c'est quinze termes au lieu d'un.
B.4. Pour contrôles par jour, le nombre d'erreurs détectées suit , et comme en B.3, la probabilité d'en détecter au moins une vaut . On cherche les entiers tels que .
, par stricte croissance de la fonction sur . Comme (car ), diviser par ce nombre RENVERSE le sens de l'inégalité : .
Le plus petit entier qui convient est : la caisse doit déclencher au moins contrôles par jour. Vérification aux bords : pour , ; pour , .
Erreur fréquente : garder le sens de l'inégalité en divisant par , ce qui donnerait , absurde puisque la probabilité d'au moins une erreur AUGMENTE avec le nombre de contrôles. Une méthode par tableau de valeurs de la calculatrice est acceptée si elle montre les deux valeurs encadrantes.
C.1. Pour une variable aléatoire suivant , l'espérance vaut et la variance . Avec et : et .
Ce sont des valeurs exactes, comme le demande l'énoncé : on les écrit avec toutes leurs décimales, sans arrondir. Interprétation de l'espérance : sur un grand nombre de journées, une caisse détecte en moyenne erreurs par jour.
C.2. Espérance de : par linéarité de l'espérance, valable sans hypothèse, , les trois variables ayant la même loi.
Variance de : les variables , et sont INDÉPENDANTES (hypothèse de l'énoncé), donc la variance de leur somme est la somme de leurs variances : . Sans l'indépendance, on n'aurait pas le droit d'additionner les variances : c'est elle qu'il faut citer.
Inégalité de Bienaymé-Tchebychev : pour tout réel , . Avec la valeur imposée pour , l'intervalle est centré en , de demi-largeur : . On prend donc .
. On passe à l'événement contraire, ce qui renverse l'inégalité : . Comme , la probabilité que le nombre total d'erreurs de la journée soit strictement compris entre et est bien supérieure à .
Deux pièges : prendre , la largeur entière, au lieu de la DEMI-largeur ; et oublier de passer à l'événement contraire, en concluant à tort que la probabilité cherchée est inférieure à . Remarque : l'inégalité porte en toute rigueur sur l'écart à l'espérance exacte , et avec cette valeur la même méthode ne donne que ; c'est la consigne de l'énoncé, , qui centre l'intervalle, et le correcteur attend qu'on la suive.
Ordre de grandeur : cette minoration est grossière. Les trois caisses réunies font contrôles indépendants de même probabilité , donc suit la loi , et la calculatrice donne , bien au-dessus de . L'inégalité de Bienaymé-Tchebychev ne garantit qu'un minimum, valable pour toute loi.
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