Probabilités

Décrire le hasard, calculer une probabilité et interpréter un conditionnement : apprends à passer du langage courant aux ensembles, tableaux et arbres pondérés.

ÉvénementsÉquiprobabilitéProbabilité conditionnelleArbres pondérés

1. Vocabulaire des probabilités

Expérience aléatoire, issue et univers

  • Une expérience aléatoire possède plusieurs résultats possibles et son résultat ne peut pas être prévu avec certitude.
  • Une issue est un résultat possible.
  • L’univers, noté Ω, est l’ensemble de toutes les issues.

Pour un lancer de dé à six faces : Ω = {1 ; 2 ; 3 ; 4 ; 5 ; 6}.

Événements

Un événement est une partie de l’univers. L’événement A : « obtenir un nombre pair » s’écrit A = {2 ; 4 ; 6}.

  • un événement élémentaire contient une seule issue ;
  • l’événement impossible est ∅ ;
  • l’événement certain est Ω.

2. Opérations sur les événements

Événement contraire

L’événement contraire de A, noté A, contient les issues de Ω qui n’appartiennent pas à A.

Si A = {2 ; 4 ; 6}, alors A = {1 ; 3 ; 5}.

Réunion et intersection

  • A ∪ B signifie « A ou B », éventuellement les deux ;
  • A ∩ B signifie « A et B ».

Avec A = {2 ; 4 ; 6} et B = {4 ; 5 ; 6} : A ∪ B = {2 ; 4 ; 5 ; 6} et A ∩ B = {4 ; 6}.

Si A ∩ B = ∅, les événements sont incompatibles.

Traduction : « ou » correspond à ∪ ; « et » correspond à ∩.

3. Loi de probabilité sur un univers fini

Propriétés

  • 0 ≤ P(A) ≤ 1 ;
  • P(∅) = 0 et P(Ω) = 1 ;
  • la somme des probabilités des issues vaut 1 ;
  • P(A) est la somme des probabilités des issues de A.

L’ensemble des probabilités attribuées aux issues constitue une loi de probabilité.

Exemple - Loi non équiprobable

IssueabcTotal
Probabilité0,200,350,451

Pour E = {a ; c} : P(E) = 0,20 + 0,45 = 0,65.

4. Équiprobabilité

Définition et formule

Il y a équiprobabilité lorsque toutes les issues ont la même probabilité.

P(A) = nombre de cas favorables / nombre de cas possibles = Card(A) / Card(Ω)

Cette formule s’utilise uniquement lorsque l’équiprobabilité est justifiée.

Exemple

Pour un dé équilibré, si A est « obtenir un nombre pair », alors P(A) = 3/6 = 1/2.

Modéliser : dire qu’un dé est équilibré ou qu’un tirage est effectué au hasard permet de choisir un modèle d’équiprobabilité. Ce choix est une hypothèse.

5. Calculer avec des événements

Événement contraire

P(A) = 1 - P(A)

Si P(A) = 0,35, alors P(A) = 0,65.

Réunion de deux événements

P(A ∪ B) = P(A) + P(B) - P(A ∩ B)

On retire l’intersection, comptée deux fois. Si A et B sont incompatibles, P(A ∪ B) = P(A) + P(B).

Exemple

Si P(A) = 1/2, P(B) = 1/2 et P(A ∩ B) = 1/3, alors P(A ∪ B) = 1/2 + 1/2 - 1/3 = 2/3.

6. Fréquences et probabilité

Version vulgarisée de la loi des grands nombres

Lorsqu’une expérience est répétée un grand nombre de fois dans les mêmes conditions, la fréquence observée d’un événement est généralement proche de sa probabilité.

Une simulation sur calculatrice, tableur ou Python permet d’observer cette stabilisation, mais la fréquence expérimentale reste une approximation.

7. Probabilité conditionnelle

Définition

Pour P(A) ≠ 0, la probabilité de B sachant A, notée PA(B), est :

PA(B) = P(A ∩ B) / P(A)

On limite l’univers aux situations où A est réalisé.

Exemple - Tableau croisé d’effectifs

On choisit au hasard un élève parmi 200 élèves.

En retard RÀ l’heure RTotal
Prend le bus B206080
Ne prend pas le bus B10110120
Total30170200

PB(R) = 20/80 = 0,25 : parmi les élèves prenant le bus, 25 % sont en retard.

PR(B) = 20/30 = 2/3 : parmi les élèves en retard, deux tiers prennent le bus.

Attention au sens : PA(B) et PB(A) répondent à deux questions différentes.

8. Arbres pondérés

Règles de lecture

  • les probabilités des branches issues d’un même nœud ont pour somme 1 ;
  • une probabilité sur une seconde branche est conditionnelle ;
  • la probabilité d’un chemin est le produit des probabilités de ses branches.

Exemple : moyen de transport et retard

Dans un lycée, 60 % des élèves viennent en bus. Parmi ceux qui prennent le bus, 30 % sont en retard. Parmi les autres élèves, 10 % sont en retard.

On note B : « l'élève prend le bus » et R : « l'élève est en retard ».

Arbre pondéré à deux branches Le premier niveau sépare les élèves qui prennent le bus et ceux qui ne le prennent pas. Chaque branche se sépare ensuite entre retard et absence de retard. Départ B B R R R R 0,60 0,40 0,30 0,70 0,10 0,90 B ∩ R B ∩ R B ∩ R B ∩ R

Par exemple, le chemin B → R correspond à « prendre le bus et être en retard » :

P(B ∩ R) = P(B) × PB(R) = 0,60 × 0,30 = 0,18.

La probabilité qu'un élève soit en retard est la somme des deux chemins qui aboutissent à R :

P(R) = 0,60 × 0,30 + 0,40 × 0,10 = 0,22.

9. Erreurs fréquentes

  • supposer une équiprobabilité sans la justifier ;
  • confondre « et » avec « ou » ;
  • oublier de retirer l’intersection dans la formule de la réunion ;
  • confondre P(A ∩ B), PA(B) et PB(A) ;
  • additionner les probabilités le long d’un chemin ;
  • donner une probabilité hors de l’intervalle [0 ; 1].

Exercices d’entraînement

Exercice 1 - Univers et événements

On lance un dé équilibré. On note A : « obtenir un multiple de 2 » et B : « obtenir un nombre supérieur ou égal à 4 ».

  1. Écrire Ω, A, B et A.
  2. Déterminer A ∩ B et A ∪ B.
  3. Calculer leurs probabilités.
Afficher la correction
  1. Le dé comporte six faces : Ω = {1 ; 2 ; 3 ; 4 ; 5 ; 6}. On a A = {2 ; 4 ; 6}, B = {4 ; 5 ; 6} et l’événement contraire de A = {1 ; 3 ; 5}.
  2. L’intersection contient les issues communes : A ∩ B = {4 ; 6}. La réunion rassemble les issues appartenant à au moins un des deux événements : A ∪ B = {2 ; 4 ; 5 ; 6}.
  3. Le dé est équilibré : les six issues sont équiprobables. Donc P(A ∩ B) = 2/6 = 1/3 et P(A ∪ B) = 4/6 = 2/3. On a aussi P(A) = P(B) = 3/6 = 1/2 et P(événement contraire de A) = 1/2.

Exercice 2 - Loi de probabilité

Une roue donne les gains 0 €, 2 € ou 5 € avec les probabilités 0,50 ; 0,35 et 0,15.

  1. Vérifier qu’il s’agit d’une loi de probabilité.
  2. Calculer la probabilité de gagner au moins 2 €.
Afficher la correction
  1. Chaque probabilité est comprise entre 0 et 1 et leur somme vaut 0,50 + 0,35 + 0,15 = 1. Il s’agit donc d’une loi de probabilité.
  2. « Gagner au moins 2 € » signifie gagner 2 € ou 5 €. Ces issues sont distinctes : P(gain ≥ 2 €) = 0,35 + 0,15 = 0,50, soit 50 %. On retrouve 1 − P(gain = 0 €) = 1 − 0,50 = 0,50.

Exercice 3 - Réunion et contraire

On sait que P(A) = 0,55, P(B) = 0,40 et P(A ∩ B) = 0,20.

  1. Calculer P(A).
  2. Calculer P(A ∪ B).
Afficher la correction
  1. La probabilité de l’événement contraire est 1 − P(A) = 1 − 0,55 = 0,45.
  2. On utilise la formule de la réunion : P(A ∪ B) = 0,55 + 0,40 − 0,20 = 0,75. On soustrait l’intersection pour éviter de compter deux fois les situations où A et B se réalisent simultanément.

Exercice 4 - Tableau croisé

Reprendre le tableau des 200 élèves.

  1. Calculer P(B), P(R) et P(B ∩ R).
  2. Calculer PB(R) et PR(B).
  3. Interpréter les résultats.
Afficher la correction
  1. Chaque élève a la même probabilité d’être choisi. On rapporte les effectifs au total de 200 élèves : P(B) = 80/200 = 0,40, P(R) = 30/200 = 0,15 et P(B ∩ R) = 20/200 = 0,10.
  2. Parmi les 80 élèves prenant le bus, 20 sont en retard : PB(R) = 20/80 = 0,25. Parmi les 30 élèves en retard, 20 prennent le bus : PR(B) = 20/30 = 2/3 ≈ 0,667.
  3. Sur l’ensemble des élèves, 40 % prennent le bus, 15 % sont en retard et 10 % cumulent ces deux caractéristiques. Parmi ceux qui prennent le bus, 25 % sont en retard ; parmi ceux qui sont en retard, environ 66,7 % prennent le bus. Les deux probabilités conditionnelles utilisent des populations de référence différentes.

Exercice 5 - Arbre pondéré

Dans une entreprise, 70 % des salariés travaillent sur site. Parmi eux, 20 % utilisent le vélo.

  1. Commencer un arbre avec S : « travailler sur site » et V : « utiliser le vélo ».
  2. Calculer P(S ∩ V).
  3. Interpréter le résultat.
Afficher la correction
  1. Au premier niveau de l’arbre, on place S avec la probabilité 0,70 et son contraire avec la probabilité 0,30. À partir de S, on place V avec PS(V) = 0,20 et son contraire avec 0,80. L’énoncé ne donne pas la probabilité d’utiliser le vélo parmi les salariés ne travaillant pas sur site : les poids correspondants restent inconnus.
  2. On multiplie les probabilités le long du chemin S puis V : P(S ∩ V) = P(S) × PS(V) = 0,70 × 0,20 = 0,14.
  3. 14 % de l’ensemble des salariés travaillent sur site et utilisent le vélo. Il s’agit d’une intersection. Les données ne permettent pas, sans information supplémentaire, de calculer P(V) pour l’ensemble des salariés.

Exercice 6 - Simulation

Simuler 100, puis 1 000 lancers d’une pièce équilibrée avec un tableur, une calculatrice ou Python. Comparer la fréquence de « pile » à la probabilité théorique 0,5.

Afficher la correction

Voici une simulation Python : 1 représente pile et 0 représente face. La fonction doit être appelée avec un entier n strictement positif.

from random import randint

def frequence_pile(n):
    compteur = 0
    for _ in range(n):
        if randint(0, 1) == 1:
            compteur = compteur + 1
    return compteur / n

for n in (100, 1000):
    frequence = frequence_pile(n)
    ecart = abs(frequence - 0.5)
    print(n, frequence, ecart)

Chaque appel simule un nouvel échantillon. La fonction renvoie le nombre de piles divisé par le nombre de lancers. Le programme affiche la taille, la fréquence obtenue et l’écart à 0,5.

Les valeurs numériques varient à chaque exécution. Pour 1 000 lancers, la fréquence est généralement plus proche de 0,5 que pour 100 lancers, mais ce n’est pas garanti pour deux échantillons particuliers. Une fréquence différente de 0,5 n’invalide pas le modèle de la pièce équilibrée. Répéter les simulations permet de mieux observer la stabilisation.

Vidéo

Ajoutez ici votre vidéo sur les événements, les probabilités conditionnelles et les arbres pondérés.

À retenir

Définis d’abord clairement l’univers et les événements avant de calculer.

P(A) = 1 - P(A) et P(A ∪ B) = P(A) + P(B) - P(A ∩ B).

PA(B) = P(A ∩ B)/P(A) et, dans un arbre, les probabilités d’un chemin se multiplient.