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Première Spé Maths / Chapitre 10 : Variables aléatoires

Fiche 2 : espérance, variance et écart type

Sept exercices pour maîtriser l'espérance, la variance et l'écart type :

  • EE, VV et σ\sigma par la définition puis par König-Huygens ;
  • une loi avec paramètres ;
  • la linéarité de l'espérance (démonstration et applications) ;
  • la démonstration de König-Huygens ;
  • comparer deux lois de même espérance ;
  • le lien statistiques et probabilités ;
  • vrai/faux.

Toutes les corrections sont rédigées comme on l'attend d'une bonne copie :

  • la variable aléatoire est définie avant tout calcul ;
  • la formule (espérance, König-Huygens) est citée, puis les valeurs sont substituées ;
  • chaque résultat est interprété avec l'unité du contexte.

💡 Le modèle de rédaction pour une espérance et une variance

« E(X)=∑xipi=0×0,5+1×0,3+4×0,2=1,1E(X)=\sum x_ip_i=0\times0{,}5+1\times0{,}3+4\times0{,}2=1{,}1. D'après la formule de König-Huygens, V(X)=E(X2)−E(X)2=3,5−1,21=2,29V(X)=E(X^2)-E(X)^2=3{,}5-1{,}21=2{,}29, donc σ(X)=2,29≈1,51\sigma(X)=\sqrt{2{,}29}\approx1{,}51. »

  • Cite la formule.
  • Écris chaque terme du calcul.
  • Termine par σ(X)\sigma(X) si on le demande.

⚠️ Les pièges classiques

  • Oublier de mettre au carré dans E(X2)E(X^2).
  • Écrire V(X)=E(X2)−E(X)V(X)=E(X^2)-E(X) sans carré.
  • Donner la variance à la place de l'écart type.
  • Oublier le signe d'une perte.

😄 La variance d'un élève qui révise la veille : très grande. L'espérance de sa note : on en reparle.


Exercice 1 (★) : espérance, variance, écart type

On reprend la variable XX de l'exercice 3 de la fiche 1 : P(X=0)=0,5P(X=0)=0{,}5, P(X=1)=0,3P(X=1)=0{,}3 et P(X=4)=0,2P(X=4)=0{,}2.

1. Calculer E(X)E(X).

2. Calculer E(X2)E(X^2) puis V(X)V(X) avec la formule de König-Huygens.

3. En déduire σ(X)\sigma(X) (valeur approchée au centième).

4. Retrouver V(X)V(X) avec la définition.

✏️ Correction de l'exercice 1

Question 1

E(X)=0×0,5+1×0,3+4×0,2=0,3+0,8=1,1E(X)=0\times0{,}5+1\times0{,}3+4\times0{,}2=0{,}3+0{,}8=1{,}1.

✅ E(X)=1,1E(X)=1{,}1.

Question 2

E(X2)=02×0,5+12×0,3+42×0,2=0,3+3,2=3,5E(X^2)=0^2\times0{,}5+1^2\times0{,}3+4^2\times0{,}2=0{,}3+3{,}2=3{,}5.

V(X)=E(X2)−E(X)2=3,5−1,12=3,5−1,21=2,29V(X)=E(X^2)-E(X)^2=3{,}5-1{,}1^2=3{,}5-1{,}21=2{,}29.

✅ V(X)=2,29V(X)=2{,}29.

Question 3

✅ σ(X)=2,29≈1,51\sigma(X)=\sqrt{2{,}29}\approx1{,}51.

Question 4

V(X)=0,5 (0−1,1)2+0,3 (1−1,1)2+0,2 (4−1,1)2=0,605+0,003+1,682=2,29V(X)=0{,}5\,(0-1{,}1)^2+0{,}3\,(1-1{,}1)^2+0{,}2\,(4-1{,}1)^2=0{,}605+0{,}003+1{,}682=2{,}29.

✅ Les deux méthodes donnent V(X)=2,29V(X)=2{,}29.


Exercice 2 (★★) : loi avec paramètres

Une variable aléatoire XX prend les valeurs 00, 11, 22 et 33 avec P(X=0)=0,2P(X=0)=0{,}2, P(X=1)=aP(X=1)=a, P(X=2)=bP(X=2)=b et P(X=3)=0,2P(X=3)=0{,}2. On sait que E(X)=1,5E(X)=1{,}5.

1. Écrire deux équations vérifiées par aa et bb.

2. En déduire aa et bb.

3. Calculer V(X)V(X) et σ(X)\sigma(X) (valeur approchée au centième).

✏️ Correction de l'exercice 2

Question 1

La somme des probabilités vaut 11 : 0,2+a+b+0,2=10{,}2+a+b+0{,}2=1, soit a+b=0,6a+b=0{,}6.

L'espérance vaut 1,51{,}5 : 0×0,2+a+2b+3×0,2=1,50\times0{,}2+a+2b+3\times0{,}2=1{,}5, soit a+2b=0,9a+2b=0{,}9.

Question 2

On soustrait : (a+2b)−(a+b)=0,9−0,6(a+2b)-(a+b)=0{,}9-0{,}6, donc b=0,3b=0{,}3 puis a=0,3a=0{,}3.

✅ a=0,3a=0{,}3 et b=0,3b=0{,}3.

Vérification : 0,2+0,3+0,3+0,2=10{,}2+0{,}3+0{,}3+0{,}2=1.

Question 3

E(X2)=0,3+4×0,3+9×0,2=0,3+1,2+1,8=3,3E(X^2)=0{,}3+4\times0{,}3+9\times0{,}2=0{,}3+1{,}2+1{,}8=3{,}3.

V(X)=3,3−1,52=3,3−2,25=1,05V(X)=3{,}3-1{,}5^2=3{,}3-2{,}25=1{,}05.

✅ V(X)=1,05V(X)=1{,}05 et σ(X)=1,05≈1,02\sigma(X)=\sqrt{1{,}05}\approx1{,}02.


Exercice 3 (★★) : linéarité de l’espérance

1. Soit XX une variable aléatoire de valeurs x1x_1, x2x_2, x3x_3 et de probabilités p1p_1, p2p_2, p3p_3. Soient a≠0a\neq0 et bb deux réels. La variable aX+baX+b prend les valeurs axi+bax_i+b avec les probabilités pip_i. Démontrer que E(aX+b)=aE(X)+bE(aX+b)=aE(X)+b.

2. On lance un dé équilibré. On reçoit en euros le double du résultat DD, et la partie coûte 55 €. Soit G=2D−5G=2D-5 le gain algébrique. Calculer E(D)E(D) puis E(G)E(G).

3. Pour quelle mise le jeu est-il équitable ?

4. Un temps d'attente XX, en minutes, vaut 00, 55 ou 1010 avec les probabilités 0,20{,}2, 0,50{,}5 et 0,30{,}3. Calculer E(X)E(X) puis l'espérance E(Y)E(Y) de ce temps exprimé en secondes (Y=60XY=60X).

✏️ Correction de l'exercice 3

Question 1

Par définition de l'espérance appliquée à aX+baX+b :

E(aX+b)=∑i=13(axi+b)pi=a∑i=13xipi+b∑i=13piE(aX+b)=\sum_{i=1}^{3}(ax_i+b)p_i=a\sum_{i=1}^{3}x_ip_i+b\sum_{i=1}^{3}p_i

Or ∑xipi=E(X)\sum x_ip_i=E(X) et ∑pi=1\sum p_i=1.

✅ Donc E(aX+b)=aE(X)+bE(aX+b)=aE(X)+b.

Question 2

E(D)=1+2+3+4+5+66=3,5E(D)=\dfrac{1+2+3+4+5+6}6=3{,}5.

Par linéarité de l'espérance, E(G)=2E(D)−5=2×3,5−5=2E(G)=2E(D)-5=2\times3{,}5-5=2.

✅ E(G)=2E(G)=2 : le jeu est favorable au joueur, qui gagne 22 € en moyenne par partie.

Question 3

Avec une mise mm, E(2D−m)=7−mE(2D-m)=7-m. Le jeu est équitable lorsque 7−m=07-m=0.

✅ La mise équitable est m=7m=7 €.

Question 4

E(X)=0×0,2+5×0,5+10×0,3=2,5+3=5,5E(X)=0\times0{,}2+5\times0{,}5+10\times0{,}3=2{,}5+3=5{,}5.

E(Y)=E(60X)=60 E(X)=60×5,5=330E(Y)=E(60X)=60\,E(X)=60\times5{,}5=330.

✅ En moyenne, l'attente est de 5,55{,}5 minutes, soit 330330 secondes.


Exercice 4 (★★★) : démonstration de König-Huygens

Soit XX une variable aléatoire de valeurs x1,…,xnx_1,\dots,x_n, de probabilités p1,…,pnp_1,\dots,p_n et d'espérance μ\mu. On veut démontrer que V(X)=E(X2)−μ2V(X)=E(X^2)-\mu^2.

1. Développer (xi−μ)2(x_i-\mu)^2.

2. En déduire V(X)=∑pixi2−2μ∑pixi+μ2∑piV(X)=\sum p_ix_i^2-2\mu\sum p_ix_i+\mu^2\sum p_i.

3. Conclure.

4. Application : XX vaut 11, 33 ou 55 avec les probabilités 0,250{,}25, 0,50{,}5 et 0,250{,}25. Calculer V(X)V(X) avec la formule, puis avec la définition.

✏️ Correction de l'exercice 4

Question 1

(xi−μ)2=xi2−2μxi+μ2(x_i-\mu)^2=x_i^2-2\mu x_i+\mu^2.

Question 2

Par définition V(X)=∑ipi(xi−μ)2=∑ipi(xi2−2μxi+μ2)V(X)=\sum_{i}p_i(x_i-\mu)^2=\sum_i p_i(x_i^2-2\mu x_i+\mu^2). On distribue pip_i puis on sépare la somme en trois :

V(X)=∑pixi2−2μ∑pixi+μ2∑pi.V(X)=\sum p_ix_i^2-2\mu\sum p_ix_i+\mu^2\sum p_i.

Question 3

On a ∑pixi2=E(X2)\sum p_ix_i^2=E(X^2), ∑pixi=μ\sum p_ix_i=\mu et ∑pi=1\sum p_i=1.

Donc V(X)=E(X2)−2μ×μ+μ2×1=E(X2)−μ2V(X)=E(X^2)-2\mu\times\mu+\mu^2\times1=E(X^2)-\mu^2.

✅ V(X)=E(X2)−(E(X))2V(X)=E(X^2)-\bigl(E(X)\bigr)^2.

Question 4

μ=0,25+1,5+1,25=3\mu=0{,}25+1{,}5+1{,}25=3 et E(X2)=0,25+4,5+6,25=11E(X^2)=0{,}25+4{,}5+6{,}25=11.

Avec la formule : V(X)=11−32=2V(X)=11-3^2=2.

Avec la définition : 0,25 (1−3)2+0,5 (3−3)2+0,25 (5−3)2=1+0+1=20{,}25\,(1-3)^2+0{,}5\,(3-3)^2+0{,}25\,(5-3)^2=1+0+1=2.

✅ Les deux méthodes donnent V(X)=2V(X)=2.


Exercice 5 (★★) : comparer deux jeux

Deux jeux proposent un gain en euros. Dans le jeu AA, le gain XAX_A vaut 00 ou 2020 avec la probabilité 12\dfrac12 chacun. Dans le jeu BB, le gain XBX_B vaut 55, 1010 ou 1515 avec les probabilités 0,250{,}25, 0,50{,}5 et 0,250{,}25.

1. Calculer E(XA)E(X_A) et E(XB)E(X_B).

2. Calculer V(XA)V(X_A), V(XB)V(X_B) puis les écarts types.

3. Quel jeu choisir pour limiter le risque ? Rédiger une phrase d'interprétation.

✏️ Correction de l'exercice 5

Question 1

E(XA)=0×12+20×12=10E(X_A)=0\times\dfrac12+20\times\dfrac12=10. E(XB)=5×0,25+10×0,5+15×0,25=1,25+5+3,75=10E(X_B)=5\times0{,}25+10\times0{,}5+15\times0{,}25=1{,}25+5+3{,}75=10.

✅ Les deux jeux ont la même espérance : 1010 €.

Question 2

V(XA)=12(0−10)2+12(20−10)2=100V(X_A)=\dfrac12(0-10)^2+\dfrac12(20-10)^2=100 donc σ(XA)=10\sigma(X_A)=10 €.

V(XB)=0,25 (5−10)2+0,5 (10−10)2+0,25 (15−10)2=6,25+0+6,25=12,5V(X_B)=0{,}25\,(5-10)^2+0{,}5\,(10-10)^2+0{,}25\,(15-10)^2=6{,}25+0+6{,}25=12{,}5 donc σ(XB)=12,5≈3,54\sigma(X_B)=\sqrt{12{,}5}\approx3{,}54 €.

Question 3

✅ Les gains moyens sont égaux mais σ(XB)<σ(XA)\sigma(X_B)<\sigma(X_A) : les gains du jeu BB sont moins dispersés autour de 1010 €. Pour limiter le risque, on choisit le jeu BB.


Exercice 6 (★★) : statistiques et probabilités

Les notes d'une classe de 2020 élèves sont données par le tableau.

Note881010121214141616
Effectif 22 44 66 55 33

On tire au hasard un élève de la classe (équiprobabilité) et on note XX sa note.

1. Donner la loi de XX.

2. Calculer E(X)E(X) et comparer avec la moyenne de la série.

3. Calculer V(X)V(X) et σ(X)\sigma(X). Retrouver l'écart type de la série par sa définition 120∑ni(xi−m)2\sqrt{\dfrac1{20}\sum n_i(x_i-m)^2}.

4. Calculer la probabilité que la note soit au moins égale à 1212.

✏️ Correction de l'exercice 6

Question 1

Il y a 2020 élèves équiprobables.

xix_i881010121214141616
P(X=xi)P(X=x_i) 0,100{,}10 0,200{,}20 0,300{,}30 0,250{,}25 0,150{,}15

Vérification : 0,10+0,20+0,30+0,25+0,15=10{,}10+0{,}20+0{,}30+0{,}25+0{,}15=1.

Question 2

E(X)=8×0,1+10×0,2+12×0,3+14×0,25+16×0,15=0,8+2+3,6+3,5+2,4=12,3E(X)=8\times0{,}1+10\times0{,}2+12\times0{,}3+14\times0{,}25+16\times0{,}15=0{,}8+2+3{,}6+3{,}5+2{,}4=12{,}3.

La moyenne de la série est 2×8+4×10+6×12+5×14+3×1620=24620=12,3\dfrac{2\times8+4\times10+6\times12+5\times14+3\times16}{20}=\dfrac{246}{20}=12{,}3.

✅ E(X)E(X) est égale à la moyenne de la série : 12,312{,}3.

Question 3

E(X2)=64×0,1+100×0,2+144×0,3+196×0,25+256×0,15=6,4+20+43,2+49+38,4=157E(X^2)=64\times0{,}1+100\times0{,}2+144\times0{,}3+196\times0{,}25+256\times0{,}15=6{,}4+20+43{,}2+49+38{,}4=157.

V(X)=157−12,32=157−151,29=5,71V(X)=157-12{,}3^2=157-151{,}29=5{,}71.

Par la définition de la série : 2×4,32+4×2,32+6×0,32+5×1,72+3×3,7220=114,220=5,71\dfrac{2\times4{,}3^2+4\times2{,}3^2+6\times0{,}3^2+5\times1{,}7^2+3\times3{,}7^2}{20}=\dfrac{114{,}2}{20}=5{,}71.

✅ V(X)=5,71V(X)=5{,}71 et σ(X)=5,71≈2,39\sigma(X)=\sqrt{5{,}71}\approx2{,}39 : c'est l'écart type de la série.

Question 4

✅ P(X⩾12)=0,3+0,25+0,15=0,7P(X\geqslant12)=0{,}3+0{,}25+0{,}15=0{,}7 (soit 1414 élèves sur 2020).


Exercice 7 (★★) : vrai ou faux

Justifier chaque réponse :

1. L'espérance d'une variable aléatoire est toujours une valeur que XX peut prendre.

2. Si E(X)=0E(X)=0, alors XX est la variable nulle.

3. Une variance est toujours positive ou nulle, et si V(X)=0V(X)=0 alors XX ne prend qu'une seule valeur.

4. E(3X−1)=3E(X)−1E(3X-1)=3E(X)-1.

✏️ Correction de l'exercice 7

Affirmation 1

Pour un dé, E(X)=3,5E(X)=3{,}5 n'est pas une valeur possible.

❌ Faux.

Affirmation 2

Contre-exemple : XX vaut −1-1 ou 11 avec la probabilité 12\dfrac12 chacun. Alors E(X)=0E(X)=0 mais XX n'est jamais nulle.

❌ Faux.

Affirmation 3

V(X)=∑pi(xi−μ)2V(X)=\sum p_i(x_i-\mu)^2 est une somme de termes positifs ou nuls. Si elle vaut 00, chaque terme est nul : pour chaque valeur possible (pi>0p_i>0), xi=μx_i=\mu. Donc XX n'a qu'une seule valeur.

✅ Vrai.

Affirmation 4

C'est la linéarité de l'espérance avec a=3a=3 et b=−1b=-1.

✅ Vrai.


🎯 Ce qui peut tomber en contrôle

  • Espérance, variance, écart type (exercice 1).
  • Loi avec paramètres : deux équations (exercice 2).
  • Linéarité et mise équitable (exercice 3).
  • Démontrer König-Huygens (exercice 4).
  • Comparer deux lois par l'écart type (exercice 5).
  • Série statistique et variable aléatoire (exercice 6).

QCM : vérifie tes acquis

5 questions, une seule bonne réponse chacune. Choisis une réponse : la correction s'affiche tout de suite. Ton score est enregistré dans Mon espace.

Question 1 sur 5

XX vaut 00 ou 44 avec les probabilités 0,750{,}75 et 0,250{,}25. Alors E(X)=E(X)= :

Question 2 sur 5

La formule de König-Huygens donne V(X)=V(X)= :

Question 3 sur 5

Si E(X)=3E(X)=3, alors E(2X+1)=E(2X+1)= :

Question 4 sur 5

L'écart type de XX est :

Question 5 sur 5

Deux jeux ont la même espérance. Le plus dispersé est celui qui a :

Un doute sur ce chapitre ? On en parle ensemble, sans engagement.

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