Exercice 1 : Probabilités : abonnements à une plateforme musicale, loi binomiale et Bienaymé-Tchebychev
6 points Arbres pondérés et probabilités totalesLoi binomiale et concentrationSommes de variables aléatoires et concentrationLes variables aléatoires
Une plateforme de diffusion musicale propose trois types d'abonnements : « Étudiant », « Classique » et « Famille ». Elle propose également une option « Écoute hors-ligne » qu'on peut activer pour chaque type d'abonnement et qui permet de télécharger de la musique.
Une étude statistique menée sur les abonnés a permis d'établir que :
• des abonnés ont choisi l'abonnement « Étudiant » et ont choisi l'abonnement « Famille » ;
• des abonnés « Étudiant » ont activé l'option « Écoute hors-ligne » ;
• des abonnés « Classique » ont activé l'option « Écoute hors-ligne » ;
• des abonnés ont choisi l'abonnement « Famille » et ont activé l'option « Écoute hors-ligne ».
On prélève au hasard le profil d'un abonné et on considère les évènements suivants :
• : l'abonné a choisi l'abonnement « Étudiant » ;
• : l'abonné a choisi l'abonnement « Classique » ;
• : l'abonné a choisi l'abonnement « Famille » ;
• : l'abonné a activé l'option « Écoute hors-ligne ».
- Partie A
- A.1. Recopier l'arbre de probabilités suivant, en complétant les pointillés :
- A.2. Calculer la valeur exacte de .
- A.3. Démontrer que la probabilité qu'un abonné ait activé l'option « Écoute hors-ligne » est de .
- A.4. Un abonné a activé l'option « Écoute hors-ligne ». Déterminer la probabilité qu'il ait choisi l'abonnement « Étudiant ». On arrondira le résultat au millième.
- Partie B
- On choisit huit abonnés de cette plateforme, au hasard et de manière indépendante. On considère qu'il y a suffisamment d'abonnés pour que ce choix soit assimilé à un tirage avec remise.
- On rappelle que la probabilité qu'un abonné ait activé l'option « Écoute hors-ligne » est de .
- On note la variable aléatoire donnant le nombre d'abonnés ayant activé l'option « Écoute hors-ligne ».
- B.1. On admet que la variable aléatoire suit une loi binomiale. Préciser ses paramètres.
- B.2. Calculer la probabilité qu'aucun de ces huit abonnés n'ait activé l'option « Écoute hors-ligne ». On arrondira le résultat au millième.
- 3. Dans cette question, est un entier naturel non nul.
- On s'intéresse à un échantillon de abonnés, qu'on assimile à un tirage avec remise.
- On note la probabilité qu'au moins un abonné de cet échantillon ait activé l'option « Écoute hors-ligne ».
- B.3.a. Démontrer que, pour tout entier naturel non nul, .
- B.3.b. Déterminer la plus petite valeur de telle que la probabilité qu'au moins un abonné de l'échantillon ait activé l'option « Écoute hors-ligne » soit supérieure ou égale à .
- Partie C
- La plateforme propose les tarifs mensuels suivants :
• Abonnement « Étudiant » : 5 euros par mois ;
• Abonnement « Classique » : 10 euros par mois ;
• Abonnement « Famille » : 16 euros par mois ;
• Option « Écoute hors-ligne » : 2 euros de plus par mois, quel que soit l'abonnement choisi. - On note la variable aléatoire égale au montant payé mensuellement par un abonné.
- C.1. Donner les six valeurs possibles prises par la variable aléatoire .
- C.2. Dresser le tableau décrivant la loi de probabilité de la variable aléatoire .
- C.3. Démontrer que l'espérance mathématique de la variable aléatoire vaut et interpréter ce résultat dans le contexte.
- C.4. À l'aide de la calculatrice, donner la variance de la variable aléatoire , arrondie au centième.
- 5. Une plateforme vidéo propose les mêmes types d'abonnements. On note la variable aléatoire égale au montant payé mensuellement par un abonné à cette plateforme vidéo.
- On admet que l'espérance de la variable aléatoire vaut et son écart-type .
- C.5.a. Calculer la variance de la variable aléatoire .
- C.5.b. Un responsable affirme que, si on interroge un abonné de cette plateforme vidéo au hasard, il y a au moins de chances pour que le prix de son abonnement soit strictement compris entre 6 et 12 euros.
Justifier cette affirmation.
Voir la correction
Réponses
- A.1 , , ; , ; ,
- A.2
- A.3 (probabilités totales, partition , , )
- A.4
- B.1 suit la loi binomiale
- B.2
- B.3.a
- B.3.b ( ; )
- C.1 ; ; ; ; ; (en euros)
- C.2 ; ; ; ; ;
- C.3 : en moyenne, un abonné paie environ euros par mois
- C.4
- C.5.a
- C.5.b Bienaymé-Tchebychev avec : ; l'affirmation est justifiée
A.1. Premier niveau de l'arbre : chaque abonné a choisi un et un seul des trois abonnements, donc , et forment une partition de l'ensemble des abonnés, et la somme des probabilités issues de la racine vaut . L'énoncé donne et , d'où .
Second niveau : les branches issues d'un nœud portent des probabilités CONDITIONNELLES. « des abonnés Étudiant ont activé l'option » donne , d'où . De même, « des abonnés Classique » donne et .
Les sept pointillés valent donc : sur les branches issues de la racine, , et ; sur les branches issues de , vers et vers ; sur les branches issues de , vers et vers . Contrôle : , et .
Le piège de l'énoncé est la quatrième donnée. « des abonnés ont choisi l'abonnement Famille ET ont activé l'option » porte sur TOUS les abonnés : c'est une probabilité d'intersection, , et non la probabilité conditionnelle . Elle ne s'écrit sur aucune branche, et c'est pour cela que le sujet laisse vides les branches issues de . Écrire sur la branche de vers est l'erreur classique, et elle fausse toute la suite. L'arbre complété, avec et les probabilités des six chemins, figure en fin de corrigé.
A.2. Formule des probabilités composées, lue sur le chemin qui passe par puis par : .
La valeur exacte est demandée : on écrit , sans arrondi. Contrôle : une intersection est plus petite que chacun des deux événements, et . Erreur fréquente : répondre , qui est la probabilité d'activer l'option SACHANT que l'abonné est étudiant, pas celle de « étudiant ET option ».
A.3. Formule des probabilités totales, avec la partition : .
On a (question A.2), , et , donné directement par l'énoncé. Donc , ce qu'il fallait démontrer.
La rédaction attendue nomme la formule et la partition utilisée. Le piège est encore la donnée sur la famille : multiplier , comme si était , donnerait . Quand le résultat est donné dans l'énoncé, un écart de ce genre doit alerter : c'est une donnée mal lue, pas une erreur de calcul.
A.4. On sait que l'abonné a activé l'option : on cherche une probabilité conditionnée par , soit . L'arbre commence par l'abonnement, la question part de l'option : on revient à la définition d'une probabilité conditionnelle (démarche de la formule de Bayes).
, soit arrondi au millième. Parmi les abonnés qui ont activé l'option, environ ont un abonnement Étudiant.
Vérification de cohérence : est un peu plus grand que , ce qui est logique puisque les étudiants activent l'option plus souvent que la moyenne (). Erreur fréquente : confondre et ; le dénominateur est toujours la probabilité de l'événement que l'on SAIT réalisé, ici .
B.1. On répète fois, de manière indépendante (tirage assimilé à un tirage avec remise), la même épreuve de Bernoulli : choisir un abonné et regarder s'il a activé l'option. Le succès est « l'abonné a activé l'option Écoute hors-ligne », de probabilité . La variable compte le nombre de succès : elle suit la loi binomiale de paramètres et , notée .
Les deux paramètres doivent être nommés, et le succès défini. Erreur fréquente : donner ou , qui sont des probabilités conditionnelles d'une seule catégorie d'abonnés.
B.2. « Aucun abonné n'a activé l'option » est l'événement . Par la formule de la loi binomiale, , soit arrondi au millième.
Vérification : il est très improbable qu'aucun des huit n'ait l'option, alors que des abonnés l'ont activée, et est bien petit. Erreurs fréquentes : calculer , qui est la probabilité que les huit aient l'option, ou .
B.3.a. On note le nombre d'abonnés de l'échantillon ayant activé l'option ; comme en B.1, suit la loi binomiale . L'événement « au moins un abonné a activé l'option » est l'événement CONTRAIRE de « aucun abonné n'a activé l'option », c'est-à-dire de .
Donc , pour tout entier naturel non nul.
« Au moins un » appelle presque toujours l'événement contraire. Le calcul direct, , est possible mais ne mène pas à la forme demandée.
B.3.b. On cherche le plus petit entier tel que . Or .
La fonction est strictement croissante sur , donc . Comme , , et diviser par ce nombre NÉGATIF renverse l'inégalité : . Le plus petit entier qui convient est .
Vérification aux bords, à la calculatrice : et . L'écart est mince : avec un tableau de valeurs, il faut au moins quatre décimales pour trancher entre et .
Deux pièges : oublier de renverser l'inégalité, ce qui conduirait à « » et à une absurdité ; et arrondir à au lieu de prendre l'entier immédiatement supérieur.
C.1. Le montant mensuel est le prix de l'abonnement, augmenté de euros si l'option est activée. Les six valeurs possibles de sont donc, en euros : et (Étudiant, sans puis avec l'option), et (Classique), et (Famille).
C.2. Chaque valeur de correspond à une intersection, donc à un chemin de l'arbre. ; ; ; .
Pour l'abonnement Famille, les branches issues de ne sont pas données : on passe par la donnée de l'énoncé. , et, comme est la réunion disjointe de et de , . Le tableau de la loi de figure en fin de corrigé.
Contrôle indispensable : . Une loi dont la somme n'est pas trahit une branche mal lue, presque toujours celle de la famille.
C.3. Par définition de l'espérance : , soit .
Vérification par une autre voie : est la somme du prix de l'abonnement, d'espérance , et de euros si l'option est activée, d'espérance . Par linéarité, .
Interprétation : sur un grand nombre d'abonnés, le montant mensuel moyen payé par abonné est d'environ euros. Ce n'est pas un montant que paie un abonné, aucune formule ne coûte euros : c'est une MOYENNE, utile par exemple pour estimer la recette mensuelle de la plateforme, environ euros multipliés par le nombre d'abonnés.
C.4. À la calculatrice, on entre les valeurs de dans une liste et leurs probabilités dans une autre, puis on lance les statistiques à une variable avec la seconde liste comme effectifs. La calculatrice affiche , ce qui contrôle la saisie, et l'écart-type . La variance est son carré : .
Le calcul par la formule de König-Huygens donne la même valeur : , et .
Erreur fréquente : recopier l'écart-type que la calculatrice affiche, au lieu de la variance. La calculatrice ne donne pas toujours la variance directement : on élève au carré.
C.5.a. La variance est le carré de l'écart-type : .
C.5.b. On utilise l'inégalité de Bienaymé-Tchebychev : pour tout réel , .
L'intervalle est centré en , de demi-largeur : . Avec , on obtient .
On passe à l'événement contraire, ce qui renverse le sens de l'inégalité : . Comme , il y a bien au moins de chances que le prix de l'abonnement soit strictement compris entre 6 et 12 euros : l'affirmation du responsable est justifiée.
L'inégalité est faite pour ce genre de question : on ne connaît pas la loi de , seulement son espérance et sa variance, et elle suffit à garantir un minorant. Les pièges : prendre au lieu de la DEMI-largeur ; mettre l'écart-type au numérateur au lieu de la variance ; oublier que l'intervalle doit être centré sur l'espérance pour que l'inégalité s'applique telle quelle.
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