Devoir 2 - LAMFA - Université de Picardie Jules Verne

S4 Maths 2007-2008
Probabilités Elémentaires
Université de Picardie Jules Verne
Faculté de Mathématiques et d’Informatique
Devoir 2
Année 2007-2008
Licence mention Mathématiques - Deuxième année - Semestre 4
Probabilités élémentaires
Devoir 2
A rendre le lundi 28 avril 2008
Exercice.
Un sac S contient cinq jetons : deux sont numérotés 1 et les trois autres sont numérotés 2.
Les parties A, B et C de cet exercice sont indépendantes, elles correspondent à des expériences aléatoires
différentes utilisant le sac S mentionné ci-dessus.
Partie A
1) On extrait deux jetons simultanément de S. Calculer la probabilité que ces deux jetons portent le numéro
2.
2) Dans cette question on considère le sac S et on effectue 2100 tirages simultanés de deux jetons avec
remise (les deux jetons obtenus à chaque tirage sont remis dans le sac S avant le tirage des deux jetons
suivants). On désigne par X la variable aléatoire égale au nombre de tirages où les deux jetons tirés portent le
numéro 2 .
a) Reconnaître la loi de probabilité de la variable aléatoire X. Justifier la réponse.
b) En déduire l’espérance mathématique et la variance de X.
Partie B
On effectue une série illimitée de tirages avec remise d’un jeton dans le sac S. On désigne par Y la variable
aléatoire égale au nombre de tirages effectués avant le tirage amenant un jeton numéroté 1 pour la première
fois.
1) a) Justifier que la variable aléatoire Z  Y  1 suit une loi usuelle que l’on précisera.
b) En déduire la loi de probabilité de Y.
2) a) Préciser l’espérance mathématique et la variance de Z.
b) En déduire l’espérance mathématique et la variance de Y.
Partie C
On extrait successivement et avec remise deux jetons du sac S. On désigne par X 1 la variable aléatoire
égale à la somme des numéros des deux jetons tirés, et par X 2 la variable aléatoire égale au maximum des
numéros des deux jetons tirés.
1) Donner la loi de probabilité du couple X 1 , X 2 , en utilisant un tableau à double entrée.
2) En déduire la loi de probabilité de X 1 et celle de X 2 .
3) Les variables aléatoires X 1 et X 2 sont-elles indépendantes ?
Problème.
On considère une suite infinie de lancers d’une pièce équilibrée, c’est-à-dire pour laquelle, à chaque
lancer, les apparitions de "pile" et de "face" sont équiprobables. On admet que cette expérience est modélisée
par un espace probabilisé , A, P que l’on ne cherchera pas à décrire.
Pour tout entier naturel n non nul, le n-ième lancer est appelé lancer de rang n et on désigne par F n
l’événement "face apparaît au lancer de rang n" et par F n l’événement "pile apparaît au lancer de rang n"
Deux joueurs J et J ′ s’affrontent dans le jeu dont les règles sont les suivantes :
- le joueur J est gagnant si la configuration "pile, pile, face" apparaît dans la suite des résultats des
lancers, avant que la configuration "face, pile, pile" n’apparaisse ;
- le joueur J ′ est gagnant si la configuration "face, pile, pile" apparaît dans la suite des résultats des
lancers, avant que la configuration "pile, pile, face" n’apparaisse ;
- si l’un des joueurs est gagnant, l’autre est perdant ;
- si aucune des deux configurations "pile, pile, face" et "face, pile, pile" n’apparaît, il n’y a pas de
gagnant, et les deux joueurs sont perdants.
Stéphane Ducay
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On se propose de démontrer que, dans ce jeu, il y a toujours un gagnant, et que le joueur J ′ possède un net
avantage sur le joueur J.
1. Pour tout entier naturel n non nul, on désigne par D n l’événement "lors des n premiers lancers,
n’apparaissent jamais deux piles consécutifs", par d n la probabilité de D n .
1.a. Justifier les égalités d 1  1 et d 2  3 .
4
1.b. En considérant les résultats des lancers de rang 1, 2 et 3, calculer d 3 .
1.c. A l’aide de la formule des probabilités complètes et des événements F n2 et F n1 ∩ F n2 , établir l’égalité :
pour tout entier naturel n non nul, d n2  1 d n1  1 d n .
2
4
1.d. Montrer qu’il existe deux constantes réelles  et  (que l’on ne déterminera pas) telles que
n
n
1 5
1− 5

.
pour tout entier naturel n non nul, d n  
4
4
1.e. En déduire que la série de terme général d n converge.
N
1.f. Pour tout entier naturel N non nul, on pose S N  ∑ d n . Etablir l’égalité :
n1
pour tout entier naturel N non nul, S N2  1 S N1  1 S N  5 .
4
2
4

1.g. En déduire l’égalité : ∑ d n  5.
n1
2. On désigne par T la variable aléatoire qui prend pour valeur le rang du lancer à l’issue duquel l’un des
joueurs est déclaré gagnant, si cela se produit, et la valeur 0 si aucun des joueurs n’est gagnant.
Pour tout entier naturel n non nul, l’événement T  0  T  n est donc réalisé si et seulement si
aucune des deux configurations "pile, pile, face" et "face, pile, pile" n’est apparue au cours des n premiers
lancers.
2.a. Calculer la probabilité des événements T  1, T  2 et T  3.
2.b. Soit n un entier supérieur ou égal à 2. Justifier l’égalité :
pour tout entier n supérieur ou égal à 2, PT  0  T  n  1n  d n .
2
2.c. Soit n un entier supérieur ou égal à 3. Donner une relation entre les événements T  n, T  n − 1 et
T  n. En déduire l’égalité :
pour tout entier n supérieur ou égal à 3, PT  n  1n  d n−1 − d n .
2

2.d. Calculer la somme ∑ PT  n, et montrer que la probabilité que le jeu se termine par la victoire de
n1
l’un des joueurs est égale à 1.
3. Pour tout entier n supérieur ou égal à 3, on désigne par G n l’événement "le joueur J est déclaré gagnant à
l’issue du lancer de rang n", et par g n la probabilité de G n .
3.a. Calculer g 3 et g 4 .
3.b. Soit n un entier supérieur ou égal à 3. Quelle doit être la suite des résultats de n premiers lancers pour que
le joueur J soit déclaré gagnant à l’issue du lancer de rang n ? En déduire l’égalité :
pour tout entier n supérieur ou égal à 3, g n  1n .
2
3.c. Calculer la probabilité que le joueur J soit déclaré gagnant.
3.d. En déduire la probabilité que le joueur J ′ soit déclaré gagnant, et conclure.
4. On se propose maintenant de mettre en oeuvre un programme permettant, à l’aide d’une calculatrice, de
simuler le jeu de "pile ou face" étudié dans ce problème. On considère l’algorithme suivant, dans lequel
random0; 1 donne aléatoirement la valeur 0 ou 1, ces deux valeurs étant équiprobables.
Stéphane Ducay
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Algorithme Quigagne
début
x  0; y  0; k  0;
tant que x  3 et y  3, faire
début
k  k  1 ; r  random0; 1 ;
si r  1, alors début
si x ≥ 1, alors x  2, sinon x  1 ;
si y ≥ 1, alors y  y  1 ;
fin
sinon début
si x  2, alors x  3, sinon x  0 ;
y  1;
fin
fin
si x  3, alors écrire (’...’), sinon écrire (’...’) ;
fin ;
4.a. Donner sous forme d’un tableau les valeurs prises successivement par les variables x, y et k lors de
l’exécution de cet algorithme si les valeurs données à la variable r par random0, 1 sont successivement :
a) 1,1,1,1,0 ;
b) 1,0,1,0,0,0,1,1 ;
c) 0,1,0,1,0,1,1.
4.b. Que représente la dernière valeur prise par la variable k dans l’algorithme ci-dessus, et quel texte
pourrait-on substituer aux pointillés dans la dernière instruction ? Qu’afficherait alors la calculatrice dans les
trois exemples de la question IV.1. ?
4.c. Ecrire un programme, correspondant à l’algorithme ci-dessus, utilisable sur votre calculatrice.
Stéphane Ducay
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