Cours de Probabilité
1. Rappels sur la théorie des ensembles
Définition
Soit deux ensembles A et B. On note :
A
B leur union
A
B leur intersection
A le complémentaire de l’ensemble A
A
B signifie que l’ensemble A est contenu dans l’ensemble B
A
B signifie que l’ensemble A n’est pas contenu dans l’ensemble B
On utilise les accolades { } pour désigner un ensemble
désigne l’ensemble vide
Illustration :
C
BA
5
1
3
6
2
4
L’espace étudié correspond aux chiffres 1 à 6. Dans cet espace on définit
A = {2,4,6}
comme l’ensemble
des chiffres pairs et
B
= {3,6} celui des multiples de 3.
A B = {2,3,4,6}
A B = {6}
A
= {1,3,5}
= ensemble des chiffres impaires
B A,
l’élément
{3}
ne fait pas parti de
A
Propriétés sur les ensembles
Commutativité : A
B = B
A
Associativité : (A
B)
C = A
(B
C)
Distributivité : A
(B
C) = (A
B)
(A
C)
Transitivité : A
B et B
C
A
C
du Complémentaire :
=
=
ABBA
BABA
BABA
Illustration suite :
B
C = {1,3,5,6} d’où A (B
C) = {6}
(A B) = {6} et (A C) = d’où (A B)
(A C) = {6}
B
A
={1,5]
Nguyen The
1
A
= {1,3,5}
et
B
=
{1,2,4,
5} d’où
B
A
= {1,5}
2. Rappels sur les dénombrements
Permutations
Permutations de n individus sur n places : n ! = n
×
(n-1)
×
(n-2)
×
×
3
×
2
×
1
0 ! = 1 par convention
Illustration :
Dans une salle de classe de 8 places, 8 étudiants (E1, E2, …, E8) peuvent s’asseoir où ils veulent. Le
nombre de configurations possibles pour placer les 8 étudiants est de
8 ! = 8× 7× 6×× 1 = 40320
.
Le premier élève qui arrive (E1) a 8 possibilités
Le second (E2) en a 7
Etc.
Le dernier (E8) n’a plus le choix, il a une seule place
Examinons le cas des deux premiers étudiants en détail :
E1 a 8 possibilités, représentées ci-dessous et pour chacune E2 a 7 places possibles. Donc, on compte pour
E1 et E2 :
7+7+7+7+7+7+7+7 = 8× 7
possibilités de les placer dans la classe.
E1
E1
E1
E1
E1
E1
E1
E1
Le raisonnement se poursuit ainsi de suite jusqu’à E8.
Arrangements
Arrangements de k individus sur n places : )!(
!
kn
n
Ak
n
=
Illustration suite :
Nguyen The
2
Au lieu d’avoir 8 élèves, seulement
k=2
élèves viennent. Le nombre de configurations possibles pour placer
les
k=2
étudiants sur les
n=8
places de la classe est d’après le calcul précédent de 8×7. Dans l’arrangement,
on enlève les permutations dues aux 6 élèves absents, soit : 78
123456
12345678
)!28(
!8 ×=
××××× ×
×
×
×
×
×
×
=
= 56
Combinaisons
Combinaisons de k individus sur n places : )!(!
!
knk
n
Ck
n
=
Illustration suite :
Les personnes ne sont plus identifiées (l’ordre n’est plus pris en compte). On a
k=2
élèves présents. Dans la
combinaison, on enlève les permutations des élèves absents et les permutations des
k=2
individus sur les
mêmes places, ce qui correspond respectivement aux termes
(n-k) !
et
k !
du dénominateur. En effet :
E2 E1
E1 E2
Correspond à une seule configuration, car on ne tient plus compte de l’ordre (1,2,…8)
E E
Au final, on compte : 2874
12
78
12345612
12345678 =×=
×
×
=
××××××× ××××
×
×× possibilités.
3. Probabilités
Définition d’une expérience aléatoire
Une expérience est aléatoire si son résultat n’est pas connu à l’avance.
Une issue ou une réalisation est le résultat observé d’une expérience aléatoire
Un évènement désigne toute assertion basée sur le résultat d’une expérience aléatoire
On note
l’ensemble des résultats d’une expérience aléatoire
Un évènement élémentaire (ou fondamental) désigne un élément de
On définit :
est un évènement impossible
est un évènement certain
Deux évènements A et B sont incompatibles si et seulement si A
B =
Illustration :
L’utilisation d’un dé est une expérience aléatoire. Prenons un dé à 6 faces, alors
= {1,2,3,4,5,6}
. On
définit deux évènements :
A
= « l’issue du jet de dé est le chiffre 1 »
B
= « l’issue du jet de dé est un chiffre pair »
A ={1}
est un évènement élémentaire,
B = {2,4,6}
est un évènement. Comme
A B = ,
les deux
évènements sont incompatibles. En effet, le résultat du jet de dé ne peut pas être à la fois pair et égal à 1.
Nguyen The
3
Définition d’une probabilité
Soit A, un ensemble de parties de
, et (A,
) un espace probabilisable, on appelle probabilité
l’application, notée P(.) de A dans [0,1] :P : A
[0,1]
a
P(a)
Telle que :
P(
) = 1
Deux évènements a
A et b
A étant incompatibles alors P(a
b)=P(a) + P(b)
La dernière condition se généralise :
Soit (an)n>0 une suite d’évènements incompatibles 2 à 2, alors P(
n>0 a
n) =
n>0 P(an),
n>0 an = a1
a2
an
an+1
(union de tous les évènements de la suite)
n>0 P(an) = P(a1) + P(a2) +…+ P(an) + P(an-1) +… (somme de toutes les probabilités des
évènements de la suite)
Illustration :
Trois exemples d’espaces probabilisables pour le lancé de dé, où
= {1,2,3,4,5,6} :
A = {
,
}
A =P(
) = l’ensemble de toutes les parties de
=
{
,{1},{2},{3},{4},{5},{6},{1,2},{1,3},…,{5,6},{1,2,3},…,{4,5,6},{1,2,3,4},…,{3,4,5,6},{1,2,3,4,5},…,{2,3,4,5,6},
}
A = {
,{2,4,6},{1,3,5},
}
Dans le dernier cas, A
= {,pair={2,4,6},impair={1,3,5},}
, on considère seulement les évènements pairs et
impairs
P(pair)
= probabilité que l’issue appartienne à
{2,4,6}
= 3 chiffres pairs /6 possibilités=1/2
De même
P(impair)
=1/2
P(
) =
P(pair impair) = P(pair) + P(impair) = 1/2 + 1/2 =1
.
Propriétés
Soit a
A et b
A
P( a) = 1 –P(a)
P(
) = 0
a
b
P(a)
P(b)
P(a b) = P(a) + P(b) – P(a
b)
a et b sont incompatibles si et seulement si P(a
b) = 0
Equiprobabilité
Soit l’espace probabilisé (A,
, P), la probabilité d’un évènement a
A, quand
est un
ensemble fini dont les éléments sont équiprobables vaut P(a) = Card(a)/Card(
). Card(a) est
le cardinal de l’ensemble a, ce terme désigne le nombre d’éléments de a.
Illustration :
Prenons un dé à 6 faces, alors
= {1,2,3,4,5,6}
. On définit deux évènements :
A
= « l’issue du jet de dé est le chiffre 1 »
B
= « l’issue du jet de dé est un chiffre pair »
Nguyen The
4
Card() =
6 est un nombre fini, si le dé n’est pas pi,
o
n peut appliquer le raisonnement d’équiprobabilité,
P(A)
=Card(A)/Card() = 1 6
et
P(B) = 3 6=1/2. A
et
B
sont deux évènements incompatibles et
P(A B) =
P() = 0.
/ /
Probabilité conditionnelle
Soit l’espace probabilisé (A,
, P), la probabilité conditionnelle d’un évènement b
A sachant
a
A se note P(b/a) ou Pa(b) et vaut )(
)(
)/( aP
baP
abP
=.
Remarque :
Cette équation peut aussi s’écrire sous la forme : )()/()()/()( aPabPbPbaPbaP ×
=
×
=
, qui se
généralise pour n évènements a1,…,an
A :
P(a1
a2
an-1
an-2) =P(a1)
×
P(a2/a1)
×
×
P(an-1/a1,a2,…,an-2)
×
P(an/a1,a2,…,an-2,an-1)
Illustration :
C
BA
5
1
3
6
2
4
Reprenons le jeu du dé à 6 faces, dans l’espace probabilisé (P(
),
,P) avec trois évènements
A = {2,4,6}, B={3,6} et C={5,1}. Nous sommes dans le cadre de l’équiprobabilité et P(A) =
1/2, P(B) = 1/3, P(C) = 1/3. La probabilité conditionnelle P(B/A) = P(A
B = partie grisée
sur le graphique)/P(A) = P(issue = 6)/P(A) = (1/6)/(1/2) = 1/3. Remarque : quand on
conditionne, on restreint l’espace
. Dans notre exemple, on restreint
à A.
4. Evènements indépendants pour
P(.)
Soit l’espace probabilisé (A,
, P), deux évènements a
A et b
A sont indépendants si et
seulement si P(a
b) = P(a)
×
P(b).
Généralisation : n évènements a1,…,an
A sont mutuellement indépendants si et seulement si
P(a1
a2
an-1
an-2) =P(a1)
×
P(a2)
×
×
P(an-1)
×
P(an)
Définition découlant des probabilités conditionnelles :
Soit a
A et b
A P(b/a) = P(b) ou P(a/b) = P(a) a et b sont indépendants
Illustration :
Dans le jeu du lancé de dé, l’évènement
A
= « issue =1 » et
B
= « issue paire » sont-ils indépendants ? Pour
le savoir on calcule d’un côté
P(A B) =P() = 0
et de l’autre
P(A)×P(B) = (1/6) × (1/2) = 1/12
. Comme
P(A B) P(A)×P(B),
les évènements sont dépendants
.
Nguyen The
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