TERMINALE • SPÉCIALITÉ MATHÉMATIQUES

Variables aléatoires et lois de probabilité

Exercices progressifs • Loi de probabilité • Espérance • Variance • Écart-type

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Objectif : savoir définir une variable aléatoire discrète, déterminer sa loi de probabilité et calculer puis interpréter ses paramètres numériques \(E(X)\), \(V(X)\) et \(\sigma(X)\).

1Une roue de jeu

Une roue équilibrée est partagée en \(8\) secteurs de même taille. Les gains associés aux secteurs sont :

Gain (en €)\(-4\)\(-2\)\(0\)\(3\)\(5\)
Nombre de secteurs12221

On note \(X\) le gain algébrique obtenu lors d'une partie.

  1. Donner l'ensemble des valeurs prises par \(X\).
  2. Déterminer la loi de probabilité de \(X\).
  3. Calculer \(P(X\geq0)\).
  4. Calculer l'espérance \(E(X)\) et interpréter le résultat.

2Loi de probabilité à compléter

Une variable aléatoire \(Y\) prend les valeurs \(-2\), \(1\), \(3\) et \(6\). Sa loi est partiellement donnée :

\(y_i\)\(-2\)\(1\)\(3\)\(6\)
\(P(Y=y_i)\)\(0{,}15\)\(0{,}35\)\(0{,}30\)\(p\)
  1. Déterminer \(p\).
  2. Calculer \(P(Y\leq1)\).
  3. Calculer \(E(Y)\).
  4. Calculer \(V(Y)\), puis \(\sigma(Y)\). Arrondir l'écart-type au centième.

3Jeu équitable ?

Un sac contient \(5\) boules rouges, \(3\) boules bleues et \(2\) boules vertes, indiscernables au toucher. On tire une boule au hasard.

Le joueur gagne \(4\) € si la boule est rouge, gagne \(8\) € si elle est bleue et perd \(x\) € si elle est verte. On note \(G\) le gain algébrique du joueur.

  1. Déterminer la loi de probabilité de \(G\).
  2. Exprimer \(E(G)\) en fonction de \(x\).
  3. Déterminer \(x\) pour que le jeu soit équitable.
  4. Pour \(x=10\), le jeu est-il favorable au joueur ? Justifier.

4Comparer deux stratégies

Deux jeux donnent les gains algébriques suivants.

Jeu A :

Gain \(A\)\(-2\)\(2\)\(6\)
Probabilité\(0{,}25\)\(0{,}50\)\(0{,}25\)

Jeu B :

Gain \(B\)\(-4\)\(2\)\(8\)
Probabilité\(0{,}25\)\(0{,}50\)\(0{,}25\)
  1. Calculer \(E(A)\) et \(E(B)\).
  2. Calculer \(V(A)\) et \(V(B)\).
  3. Les deux jeux ont-ils le même gain moyen ?
  4. Lequel présente la plus grande dispersion des gains ? Interpréter.
Réflexe à retenir : pour une loi \(X\) prenant les valeurs \(x_i\) avec probabilités \(p_i\), \[ E(X)=\sum x_ip_i,\qquad V(X)=\sum x_i^2p_i-[E(X)]^2,\qquad \sigma(X)=\sqrt{V(X)}. \]
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Exercice 1

1. \(X\) peut prendre les valeurs \(\{-4;-2;0;3;5\}\).

2.

\(x_i\)\(-4\)\(-2\)\(0\)\(3\)\(5\)
\(P(X=x_i)\)\(\frac18\)\(\frac28=\frac14\)\(\frac14\)\(\frac14\)\(\frac18\)

3. \[ P(X\geq0)=\frac14+\frac14+\frac18=\boxed{\frac58}. \]

4. \[ E(X)=(-4)\frac18+(-2)\frac14+0\frac14+3\frac14+5\frac18 =\frac38=0{,}375. \] Sur un grand nombre de parties, le gain moyen du joueur est donc d'environ \(\boxed{0{,}375\text{ € par partie}}\).

Exercice 2

1. La somme des probabilités vaut \(1\) : \[ 0{,}15+0{,}35+0{,}30+p=1, \] donc \(\boxed{p=0{,}20}\).

2. \[ P(Y\leq1)=0{,}15+0{,}35=\boxed{0{,}50}. \]

3. \[ E(Y)=(-2)(0{,}15)+1(0{,}35)+3(0{,}30)+6(0{,}20)=\boxed{2{,}15}. \]

4. \[ E(Y^2)=4(0{,}15)+1(0{,}35)+9(0{,}30)+36(0{,}20)=10{,}85. \] Donc \[ V(Y)=10{,}85-(2{,}15)^2=\boxed{6{,}2275} \] et \[ \sigma(Y)=\sqrt{6{,}2275}\approx\boxed{2{,}50}. \]

Exercice 3

1. Il y a \(10\) boules : \[ P(G=4)=\frac5{10}=0{,}5,\quad P(G=8)=\frac3{10}=0{,}3,\quad P(G=-x)=\frac2{10}=0{,}2. \]

2. \[ E(G)=4(0{,}5)+8(0{,}3)-x(0{,}2)=4{,}4-0{,}2x. \]

3. Un jeu est équitable lorsque \(E(G)=0\) : \[ 4{,}4-0{,}2x=0 \quad\Longrightarrow\quad \boxed{x=22}. \]

4. Pour \(x=10\), \[ E(G)=4{,}4-2=\boxed{2{,}4}. \] L'espérance est positive : le jeu est donc favorable au joueur.

Exercice 4

1. \[ E(A)=(-2)(0{,}25)+2(0{,}50)+6(0{,}25)=\boxed{2}, \] et \[ E(B)=(-4)(0{,}25)+2(0{,}50)+8(0{,}25)=\boxed{2}. \]

2. Pour \(A\), \[ E(A^2)=4(0{,}25)+4(0{,}50)+36(0{,}25)=12, \] donc \[ V(A)=12-2^2=\boxed{8}. \] Pour \(B\), \[ E(B^2)=16(0{,}25)+4(0{,}50)+64(0{,}25)=22, \] donc \[ V(B)=22-2^2=\boxed{18}. \]

3. Oui. Les deux jeux ont la même espérance : \(\boxed{2}\).

4. Comme \(V(B)>V(A)\), le jeu B présente une plus grande dispersion : ses gains sont plus variables autour du gain moyen.