Statistiques avancées 201-337 • Complément québécois et cégep à Montréal

Fiche de révision : probabilités et lois de distribution (201-337)

Le calcul des probabilités est le chapitre où la bonne formule appliquée à la mauvaise expérience donne un résultat parfaitement propre et parfaitement faux. Un tirage sans remise traité à la binomiale ne déclenche aucune alerte, ni sur la copie ni à la calculatrice.

Cette fiche rassemble les décisions qui précèdent le calcul : lire si l'ordre compte, lire s'il y a remise, lire quelle probabilité est conditionnée par quoi, et vérifier les conditions avant toute approximation.

Le fil du chapitre

La formule ne se choisit jamais sur le vocabulaire de l'énoncé mais sur l'EXPÉRIENCE décrite : avec ou sans remise, l'ordre compte ou non, la probabilité est conditionnée ou non.

Ce chapitre fait partie de Statistiques avancées, 201-337

Avant ce chapitre

Cette fiche suppose ces notions acquises. Si une méthode ci-dessous reste opaque, c'est presque toujours l'une d'elles qui manque, pas la fiche.

Remonter plus loin : la chaîne complète (4 chapitres) ↓

Le chemin de remédiation, du plus ancien au plus proche. Un élève qui reprend ce chapitre de zéro le reprend dans cet ordre.

  1. 1Nombres réels, racines et ensemblesSecondaire 3
  2. 2Statistique : échantillonnage, diagrammes et mesuresSecondaire 3
  3. 3Nuage de points, corrélation et régressionSecondaire 4 SN4
  4. 4Les statistiques descriptives

L'essentiel

Incompatibles et indépendants n'ont rien à voir

  • INCOMPATIBLES : P(AB)=0P(A\cap B)=0, les deux ne peuvent pas se produire ensemble.
  • INDÉPENDANTS : P(AB)=P(A)×P(B)P(A\cap B)=P(A)\times P(B), savoir que l'un s'est produit ne change rien à l'autre.
  • Deux événements incompatibles de probabilités non nulles ne sont JAMAIS indépendants : si AA arrive, BB devient impossible.
  • Réunion : P(AB)=P(A)+P(B)P(AB)P(A\cup B)=P(A)+P(B)-P(A\cap B), le dernier terme ne disparaissant que si les événements sont incompatibles.
ABABincompatiblessécantsP(A et B) = 0P(A et B) non nul
À gauche, aucun recouvrement : les événements sont incompatibles, donc dépendants. À droite, une intersection non vide : l'indépendance devient possible et se teste par le produit.

Ces deux mots se ressemblent en français et désignent des situations opposées. Une question qui donne P(A)P(A), P(B)P(B) et P(AB)P(A\cup B) attend presque toujours qu'on teste l'indépendance par le produit.

Conditionner, et ne jamais retourner la barre

  • P(AB)=P(AB)P(B)P(A\mid B)=\dfrac{P(A\cap B)}{P(B)} : ce qui suit la barre devient le nouvel univers.
  • Bayes : P(AB)=P(BA)P(A)P(B)P(A\mid B)=\dfrac{P(B\mid A)\,P(A)}{P(B)}, où P(B)P(B) se calcule par les probabilités totales.
  • P(AB)P(A\mid B) et P(BA)P(B\mid A) sont deux nombres différents, parfois très différents : un test fiable à 99%99\,\% peut n'avoir qu'une chance sur trois d'être juste quand il est positif.

L'arbre pondéré rend Bayes presque automatique : la première branche porte la cause, la seconde l'observation, et la probabilité conditionnelle demandée remonte l'arbre à l'envers.

Quelle loi, et à quelles conditions

  • BINOMIALE : nn essais INDÉPENDANTS, deux issues, probabilité pp constante. P(X=k)=(nk)pk(1p)nkP(X=k)=\binom{n}{k}p^{k}(1-p)^{n-k}, μ=np\mu=np, σ=np(1p)\sigma=\sqrt{np(1-p)}.
  • POISSON : comptage d'événements rares sur une durée ou une surface. P(X=k)=eλλkk!P(X=k)=\dfrac{e^{-\lambda}\lambda^{k}}{k!}, avec E(X)=V(X)=λE(X)=V(X)=\lambda, propriété qui sert de test de diagnostic.
  • NORMALE : on convertit par z=xμσz=\dfrac{x-\mu}{\sigma} puis on lit la table. Repères : 68%68\,\% dans ±1σ\pm 1\sigma, 95%95\,\% dans ±2σ\pm 2\sigma, 99,7%99{,}7\,\% dans ±3σ\pm 3\sigma.
  • Approximation normale de la binomiale, licite si np5np\geq 5 ET n(1p)5n(1-p)\geq 5, avec une correction de continuité de 0,50{,}5.
68 %95 % entre les deux traits extérieurs-1+1-2+2en écarts-types depuis la moyenne
Les repères de la loi normale se lisent en écarts-types : 68%68\,\% de la population entre 1-1 et +1+1, 95%95\,\% entre 2-2 et +2+2.

Le paramètre de Poisson est proportionnel à la durée observée : λ=4\lambda=4 par heure devient λ=2\lambda=2 sur une demi-heure. C'est l'ajustement que les copies oublient le plus souvent.

Espérance et variance d'une variable discrète

  • E(X)=xiP(xi)E(X)=\sum x_{i}P(x_{i}) : une moyenne à LONG TERME, souvent une valeur que XX ne prend jamais.
  • V(X)=E(X2)[E(X)]2V(X)=E(X^{2})-[E(X)]^{2}, et l'écart-type en est la racine carrée.
  • Un jeu est équitable si E(X)=0E(X)=0 pour le joueur ; toute maison de jeu vit d'une espérance négative pour le client.

Écrire l'unité de E(X)E(X) évite l'erreur d'interprétation : « 0,25-0{,}25 dollar par partie » se comprend, « 0,25-0{,}25 » ne se comprend pas.

Les pièges qui coûtent des points

Les erreurs ci-dessous sont celles que je corrige le plus souvent en séance. Chacune coûte des points sur une copie, même quand le raisonnement est juste.

1. Traiter deux événements incompatibles comme indépendants

2 points, et la question d'indépendance vaut souvent le double

Ce qu'il ne faut pas écrire

« AA et BB ne peuvent pas arriver ensemble, donc ils n'ont aucune influence l'un sur l'autre : P(AB)=P(A)P(B)P(A\cap B)=P(A)P(B). »

Ce qu'il faut écrire

« Ils sont incompatibles, donc P(AB)=0P(A\cap B)=0, ce qui est différent de P(A)P(B)P(A)P(B) dès que les deux probabilités sont non nulles : ils sont dépendants. »

Pourquoi : Savoir que AA s'est produit rend BB impossible : c'est l'influence maximale, l'exact contraire de l'indépendance.

2. Retourner une probabilité conditionnelle

3 points, c'est la question de raisonnement de l'examen

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le test détecte 99%99\,\% des malades, donc si je suis positif j'ai 99%99\,\% de chances d'être malade. »

Ce qu'il faut écrire

« P(positifmalade)=0,99P(\text{positif}\mid\text{malade})=0{,}99, mais P(maladepositif)=9999+198=13P(\text{malade}\mid\text{positif})=\dfrac{99}{99+198}=\dfrac{1}{3}. »

100 malades9900 sainstest positiftest négatif9919819702297 tests positifs, dont 99 malades : une chance sur trois
Sur 1000010\,000 personnes dont 1%1\,\% de malades, un test sensible à 99%99\,\% et spécifique à 98%98\,\% produit 9999 vrais positifs contre 198198 faux positifs.

Pourquoi : Quand la maladie est rare, les faux positifs issus de l'immense population saine dépassent en nombre les vrais positifs. Seule la probabilité totale au dénominateur le fait apparaître.

3. Appliquer la binomiale à un tirage sans remise

2 points, et le résultat reste plausible, donc invérifiable

Ce qu'il ne faut pas écrire

« On tire 55 cartes dans un jeu de 5252, donc XX suit une binomiale de paramètres n=5n=5 et p=452p=\dfrac{4}{52}. »

Ce qu'il faut écrire

« Sans remise, pp change à chaque tirage : il faut un arbre conditionnel ou la loi hypergéométrique (ak)(bnk)(a+bn)\dfrac{\binom{a}{k}\binom{b}{n-k}}{\binom{a+b}{n}}. »

Pourquoi : La binomiale exige des essais indépendants de probabilité constante. Elle reste acceptable si l'échantillon ne dépasse pas environ 5%5\,\% de la population, ce qui n'est pas le cas ici.

4. Oublier la correction de continuité

1,5 point, et l'écart grandit quand $n$ est petit

Ce qu'il ne faut pas écrire

« P(X10)P(X\leq 10) avec μ=10\mu=10 : je prends z=1010σ=0z=\dfrac{10-10}{\sigma}=0, donc 0,50{,}5. »

Ce qu'il faut écrire

« La valeur discrète 1010 occupe l'intervalle [9,5;10,5][9{,}5\,;10{,}5] : je prends z=10,510σz=\dfrac{10{,}5-10}{\sigma}. »

10128la barre va de 9,5 à 10,5on coupe ici
La barre de 1010 s'étend de 9,59{,}5 à 10,510{,}5 : pour inclure la valeur 1010 entière sous la courbe, la borne d'intégration est 10,510{,}5.

Pourquoi : On remplace un histogramme par une courbe : chaque barre a une largeur de 11, et l'aire à intégrer va jusqu'au bord de la barre, pas jusqu'à son centre.

5. Prendre l'espérance pour une prédiction

1,5 point sur la question d'interprétation

Ce qu'il ne faut pas écrire

« E(X)=2,4E(X)=2{,}4 enfants par famille, donc une famille a deux ou trois enfants. »

Ce qu'il faut écrire

« E(X)=2,4E(X)=2{,}4 est une moyenne à long terme sur un grand nombre de familles ; aucune famille n'a 2,42{,}4 enfant. »

Pourquoi : L'espérance est un centre de gravité, pas une valeur observable. C'est exactement pour cela qu'un jeu équitable se définit par E(X)=0E(X)=0 et non par « on gagne autant qu'on perd ».

6. Confondre arrangement et combinaison

2 points, et le facteur d'erreur est $k!$

Ce qu'il ne faut pas écrire

« On choisit 33 délégués parmi 1010 : 10!7!=720\dfrac{10!}{7!}=720 possibilités. »

Ce qu'il faut écrire

« L'ordre ne compte pas, donc (103)=120\binom{10}{3}=120 ; on diviserait par 3!=63!=6 le résultat précédent. »

Pourquoi : Le test tient en une phrase : si permuter les objets choisis donne une situation différente, l'ordre compte. Trois délégués restent les mêmes trois délégués quel que soit l'ordre du tirage.

7. Garder le paramètre de Poisson d'une autre durée

2 points, tout le calcul qui suit est faux

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Il arrive 66 clients par heure, donc sur 2020 minutes λ=6\lambda=6. »

Ce qu'il faut écrire

« λ\lambda est proportionnel à la durée : sur 2020 minutes, λ=6×2060=2\lambda=6\times\dfrac{20}{60}=2. »

Pourquoi : Le paramètre de Poisson EST le nombre moyen d'événements sur la fenêtre observée. Changer de fenêtre change le paramètre, comme changer d'unité change un débit.

8. Additionner des probabilités qui se recouvrent

1,5 point, et parfois une probabilité supérieure à $1$

Ce qu'il ne faut pas écrire

« P(pair)+P(supeˊrieur aˋ 4)=36+26=56P(\text{pair})+P(\text{supérieur à }4)=\dfrac{3}{6}+\dfrac{2}{6}=\dfrac{5}{6}. »

Ce qu'il faut écrire

« Les deux événements partagent le 66 : P(AB)=36+2616=46P(A\cup B)=\dfrac{3}{6}+\dfrac{2}{6}-\dfrac{1}{6}=\dfrac{4}{6}. »

Pourquoi : La formule d'addition simple est réservée aux événements incompatibles. Un total supérieur à 11 est le signal le plus visible de cette erreur.

9. Lire la table normale du mauvais côté

2 points, et une conclusion inversée sur le contrôle de qualité

Ce qu'il ne faut pas écrire

« La table donne 0,93320{,}9332 pour z=1,5z=1{,}5, donc P(Z>1,5)=0,9332P(Z>1{,}5)=0{,}9332. »

Ce qu'il faut écrire

« La table donne l'aire à GAUCHE : P(Z>1,5)=10,9332=0,0668P(Z>1{,}5)=1-0{,}9332=0{,}0668. »

Pourquoi : Un contrôle de bon sens suffit : une valeur au-dessus de la moyenne ne peut pas concerner 93%93\,\% de la population. Toute probabilité de queue est petite.

Quelle méthode choisir

Les quatre cas du dénombrement

Deux questions dans cet ordre : l'ordre compte-t-il ? peut-on répéter un objet ?

  • Si l'ordre compte et les répétitions sont permises nkn^{k}

    Exemple : un code de 44 chiffres : 104=1000010^{4}=10\,000

  • Si l'ordre compte, sans répétition arrangement n!(nk)!\dfrac{n!}{(n-k)!}

    Exemple : podium de 33 parmi 1010 : 720720

  • Si l'ordre ne compte pas, sans répétition combinaison (nk)=n!k!(nk)!\binom{n}{k}=\dfrac{n!}{k!(n-k)!}

    Exemple : 33 délégués parmi 1010 : 120120

  • Si on permute des objets dont certains sont identiques n!n1!n2!\dfrac{n!}{n_{1}!\,n_{2}!\cdots}

    Exemple : anagrammes de MISSISSIPPI

Cas particulier à connaître : les permutations circulaires valent (n1)!(n-1)!, parce qu'une rotation de toute la table ne change pas le placement relatif des convives.

Quelle loi pour quelle expérience

On décrit l'expérience en une phrase avant de nommer une loi.

  • Si nn essais fixés, deux issues, remise ou population très grande loi binomiale

    Exemple : 200200 pièces contrôlées, 3%3\,\% de défauts

  • Si tirage sans remise dans une population petite loi hypergéométrique, ou un arbre conditionnel

    Exemple : 55 cartes tirées d'un jeu de 5252

  • Si comptage d'événements rares sur une durée, une longueur ou une surface loi de Poisson, avec λ\lambda ajusté à la fenêtre observée

    Exemple : appels reçus en 2020 minutes

  • Si variable continue, ou binomiale avec np5np\geq 5 et n(1p)5n(1-p)\geq 5 loi normale, avec correction de continuité dans le second cas

    Exemple : P(X10)P(X\geq 10) devient P(Y9,5)P(Y\geq 9{,}5)

Poisson approche aussi la binomiale quand nn est grand et pp petit, avec λ=np\lambda=np. Les deux approximations donnent alors des résultats voisins, ce qui fournit une vérification gratuite.

La rédaction attendue

Le correcteur coche des étapes. Les voici dans l'ordre, avec la phrase de conclusion qu'il attend mot pour mot.

Rédiger un calcul de Bayes

Quand l'utiliser : L'énoncé donne une fiabilité de test, un taux de détection ou une proportion de défauts, et demande la probabilité inverse.

  1. 1 Nommer les événements par une lettre et une phrase complète, en français.
  2. 2 Écrire les données sous forme conditionnelle, en repérant ce qui est donné : P(positifmalade)P(\text{positif}\mid\text{malade}), pas l'inverse.
  3. 3 Calculer la probabilité totale du dénominateur par les deux chemins de l'arbre.
  4. 4 Appliquer Bayes, puis commenter le résultat au regard de la rareté de la cause.

Phrase de conclusion

« P(M+)=0,99×0,010,99×0,01+0,02×0,99=13P(M\mid +)=\dfrac{0{,}99\times 0{,}01}{0{,}99\times 0{,}01+0{,}02\times 0{,}99}=\dfrac{1}{3} : malgré un test fiable, un positif sur trois seulement correspond à un malade. »

Le piège : Écrire le dénominateur avec la seule branche des malades, ce qui redonne mécaniquement 0,990{,}99.

Barème : 1 point les notations, 1 point la probabilité totale, 1 point le quotient, 1 point le commentaire.

Justifier l'emploi d'une approximation normale

Quand l'utiliser : L'énoncé propose une binomiale à grand nn et demande une probabilité cumulée.

  1. 1 Écrire nn, pp, puis vérifier explicitement np5np\geq 5 et n(1p)5n(1-p)\geq 5.
  2. 2 Calculer μ=np\mu=np et σ=np(1p)\sigma=\sqrt{np(1-p)}.
  3. 3 Appliquer la correction de continuité en déplaçant la borne de 0,50{,}5 dans le sens qui INCLUT la valeur entière demandée.
  4. 4 Convertir en cote zz, lire la table, et préciser de quel côté l'aire est prise.

Phrase de conclusion

« np=65np=6\geq 5 et n(1p)=1945n(1-p)=194\geq 5, donc l'approximation normale est licite avec μ=6\mu=6 et σ2,41\sigma\approx 2{,}41. »

Le piège : Déplacer la borne du mauvais côté : pour P(X10)P(X\geq 10) on prend 9,59{,}5, pour P(X10)P(X\leq 10) on prend 10,510{,}5.

Barème : 1 point les deux conditions vérifiées, 1 point les paramètres, 1 point la correction, 1 point la lecture de table.

Vérifier avant de rendre

Cinq minutes de vérification récupèrent plus de points qu'un exercice de plus commencé à la hâte.

L'exercice type décortiqué

Contrôle de qualité : plus de dix pièces défectueuses ?

Une chaîne produit des pièces dont 3%3\,\% sont défectueuses. On en prélève 200200 au hasard dans une production continue.

Quelle est la probabilité d'y trouver au moins 1010 pièces défectueuses ?

Étape 1

Le prélèvement est petit devant la production, donc XX suit une binomiale de paramètres n=200n=200 et p=0,03p=0{,}03.

Pourquoi

La justification du modèle vaut un point à elle seule. C'est aussi elle qui autorise à ignorer l'absence de remise, puisque la production est continue.

Étape 2

np=65np=6\geq 5 et n(1p)=1945n(1-p)=194\geq 5 : l'approximation normale est licite.

Pourquoi

Les deux conditions se vérifient AVANT de changer de loi. Une approximation employée sans contrôle est comptée fausse même si le résultat est bon.

Étape 3

μ=6\mu=6 et σ=200×0,03×0,972,41\sigma=\sqrt{200\times 0{,}03\times 0{,}97}\approx 2{,}41.

Pourquoi

L'écart-type se calcule sur la binomiale d'origine, jamais sur une racine de la moyenne : cette confusion avec Poisson est l'erreur voisine la plus fréquente.

Étape 4

Correction de continuité : P(X10)P(Y9,5)P(X\geq 10)\approx P(Y\geq 9{,}5), donc z=9,562,411,45z=\dfrac{9{,}5-6}{2{,}41}\approx 1{,}45.

Pourquoi

On veut INCLURE la valeur 1010, donc on descend la borne à 9,59{,}5. Monter à 10,510{,}5 exclurait précisément la valeur que l'énoncé demande de compter.

Étape 5

Table : P(Z<1,45)=0,9265P(Z<1{,}45)=0{,}9265, donc la probabilité cherchée vaut 10,92650,0741-0{,}9265\approx 0{,}074.

Pourquoi

La table donne l'aire à gauche : on la retranche à 11 pour une queue de droite. Le résultat, environ 7%7\,\%, est bien une petite probabilité.

Étape 6

Contrôle par Poisson, λ=np=6\lambda=np=6 : on retrouve environ 0,0840{,}084.

Pourquoi

Deux approximations indépendantes qui se rejoignent valident le calcul mieux qu'une relecture. L'écart tient à la dissymétrie de la binomiale, que la normale lisse.

Conclusion rédigée

« La probabilité de trouver au moins 1010 pièces défectueuses sur 200200 est d'environ 7%7\,\%, ce qui reste plausible sans que la chaîne soit déréglée. »

L'erreur classique sur cet exercice : Prendre z=1062,41z=\dfrac{10-6}{2{,}41} sans correction, ou pire, σ=6\sigma=\sqrt{6} en confondant la binomiale avec une loi de Poisson.

À savoir par cœur

  • Incompatibles : P(AB)=0P(A\cap B)=0. Indépendants : P(AB)=P(A)P(B)P(A\cap B)=P(A)P(B). Jamais les deux à la fois si les probabilités sont non nulles.
  • P(AB)=P(A)+P(B)P(AB)P(A\cup B)=P(A)+P(B)-P(A\cap B) : le dernier terme ne s'oublie que si les événements sont incompatibles.
  • P(AB)P(A\mid B) n'est pas P(BA)P(B\mid A) : Bayes passe de l'un à l'autre, et le dénominateur est une probabilité TOTALE.
  • Ordre plus répétitions nkn^{k} ; ordre seul n!(nk)!\dfrac{n!}{(n-k)!} ; ni l'un ni l'autre (nk)\binom{n}{k} ; objets identiques n!n1!n2!\dfrac{n!}{n_{1}!n_{2}!}.
  • Binomiale : μ=np\mu=np, σ=np(1p)\sigma=\sqrt{np(1-p)}. Poisson : E(X)=V(X)=λE(X)=V(X)=\lambda, ajusté à la durée observée.
  • Approximation normale si np5np\geq 5 ET n(1p)5n(1-p)\geq 5, toujours avec la correction de 0,50{,}5.
  • La table normale donne l'aire à GAUCHE ; une queue de droite se prend par complément.

Questions fréquentes

Quelle différence entre événements incompatibles et indépendants ?

Incompatibles signifie que les deux ne peuvent pas se produire en même temps, donc leur intersection est vide. Indépendants signifie que savoir que l'un s'est produit ne change rien à la probabilité de l'autre. Deux événements incompatibles de probabilités non nulles sont au contraire fortement dépendants, puisque la réalisation de l'un interdit l'autre.

Pourquoi un test fiable à 99 % peut se tromper une fois sur trois ?

Parce que la maladie est rare. Sur dix mille personnes dont un pour cent sont malades, le test repère quatre-vingt-dix-neuf vrais malades, mais il déclare aussi positifs deux pour cent des neuf mille neuf cents personnes saines, soit cent quatre-vingt-dix-huit faux positifs. Parmi tous les positifs, un tiers seulement est réellement malade.

Quand la loi binomiale ne s'applique-t-elle plus ?

Dès que les essais ne sont plus indépendants ou que la probabilité change en cours de route, ce qui est le cas d'un tirage sans remise dans une petite population. Il faut alors un arbre conditionnel ou la loi hypergéométrique. On tolère la binomiale si l'échantillon ne dépasse pas environ cinq pour cent de la population.

À quoi sert la correction de continuité ?

À passer d'une variable qui saute d'entier en entier à une courbe continue. Chaque valeur entière occupe en réalité une barre de largeur un, centrée sur elle. Pour inclure la valeur dix dans le calcul, on intègre donc jusqu'à dix et demi, et pour l'exclure jusqu'à neuf et demi. Sans ce demi, la probabilité obtenue est systématiquement décalée.

Comment choisir entre loi binomiale, de Poisson et normale ?

On décrit d'abord l'expérience. Un nombre fixé d'essais à deux issues donne la binomiale. Un comptage d'événements rares sur une durée ou une surface donne Poisson, avec un paramètre proportionnel à la fenêtre observée. La normale sert aux variables continues, et approche la binomiale quand le produit du nombre d'essais par chaque probabilité dépasse cinq.

Passer à la pratique

Exercices corrigés : Probabilités et lois de distribution

Une méthode se prouve sur une copie, pas sur une fiche. La série du même chapitre reprend chacun de ces pièges dans un exercice, avec le corrigé rédigé étape par étape.

  • 10 exercices corrigés
  • 100 points
  • 150 minutes
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Ce chapitre resservira dans

Les chapitres qui le réclament en amont, plus tard dans l'année ou dans les années suivantes.

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