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Première Spé Maths / Chapitre 10 : Variables aléatoires

Guide de rédaction : variables aléatoires

Ce guide complète le Guide de rédaction général. Il rassemble, pour le chapitre Variables aléatoires, les quatorze situations qui reviennent en contrôle et, pour chacune, la rédaction modèle. Dans ce chapitre, la rédaction consiste surtout à définir la variable aléatoire, à vérifier que la somme des probabilités vaut 11, à citer la formule et à interpréter le résultat.

🎯 Le principe du chapitre

Dans un exercice sur une variable aléatoire, un correcteur regarde surtout cinq choses :

  • la variable définie avec son unité et ses valeurs ;
  • la loi écrite en tableau, somme vérifiée ;
  • la formule citée (espérance, König-Huygens, linéarité) ;
  • le calcul avec les valeurs substituées ;
  • l'interprétation par une phrase.

1. Les quatorze situations et leur rédaction modèle

Situation 1 : définir la variable aléatoire et ses valeurs

« Soit XX le gain algébrique du joueur, en euros. L'univers est Ω={1 ;… ;6}\Omega=\{1\,;\dots;6\} et X(ω)=−1X(\omega)=-1 si ω⩽3\omega\leqslant3, 11 si ω∈{4 ;5}\omega\in\{4\,;5\} et 44 si ω=6\omega=6. XX prend les valeurs −1-1, 11 et 44. »

⚠️ Écris l'unité, l'univers et les valeurs possibles.

Situation 2 : traduire une phrase en symboles

« La probabilité que le gain soit au plus égal à 11 € s'écrit P(X⩽1)=P(X=−1)+P(X=1)=56P(X\leqslant1)=P(X=-1)+P(X=1)=\dfrac56. »

« Au plus » : ⩽\leqslant. « Au moins » : ⩾\geqslant. « Strictement » : << ou >>.

Situation 3 : écrire la loi et vérifier la somme

« La loi de XX est donnée par le tableau suivant. Vérification : 12+13+16=1\dfrac12+\dfrac13+\dfrac16=1. »

Situation 4 : obtenir la loi à partir d'un arbre

« Les tirs sont indépendants : on multiplie le long d'un chemin. Deux chemins réalisent {X=1}\{X=1\} : P(X=1)=0,7×0,3+0,3×0,7=0,42P(X=1)=0{,}7\times0{,}3+0{,}3\times0{,}7=0{,}42. »

Pour construire l'arbre, voir la rédaction du chapitre 9.

Situation 5 : calculer l'espérance

« E(X)=∑xipi=−1×12+1×13+4×16=12E(X)=\sum x_ip_i=-1\times\dfrac12+1\times\dfrac13+4\times\dfrac16=\dfrac12. »

Situation 6 : interpréter l'espérance

« En moyenne, sur un grand nombre de parties, le joueur gagne 0,500{,}50 € par partie. »

⚠️ L'espérance n'est pas le résultat d'une seule partie.

Situation 7 : étudier un jeu équitable et la mise

« Soit RR la somme reçue. E(R)=2,5E(R)=2{,}5 €. Le gain algébrique est G=R−mG=R-m, d'espérance E(R)−mE(R)-m. Le jeu est équitable si E(G)=0E(G)=0, donc pour m=2,5m=2{,}5 €. »

Situation 8 : utiliser la linéarité de l'espérance

« G=2D−5G=2D-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. »

Cite la propriété : E(aX+b)=aE(X)+bE(aX+b)=aE(X)+b.

Situation 9 : calculer la variance avec König-Huygens

« E(X2)=72E(X^2)=\dfrac72. D'après la formule de König-Huygens, V(X)=E(X2)−E(X)2=72−14=134V(X)=E(X^2)-E(X)^2=\dfrac72-\dfrac14=\dfrac{13}4. »

Situation 10 : donner et interpréter l'écart type

« σ(X)=V(X)=132≈1,80\sigma(X)=\sqrt{V(X)}=\dfrac{\sqrt{13}}2\approx1{,}80 €. Les gains s'écartent en moyenne d'environ 1,801{,}80 € de leur espérance. »

Situation 11 : trouver une loi avec paramètres

« La somme vaut 11 : a+b=0,6a+b=0{,}6. L'espérance vaut 1,51{,}5 : a+2b=0,9a+2b=0{,}9. On soustrait : b=0,3b=0{,}3, puis a=0,3a=0{,}3. Vérification : la somme des probabilités vaut bien 11. »

Situation 12 : comparer deux dispersions

« Les deux jeux ont la même espérance, 1010 €. Comme σ(XB)≈3,54<σ(XA)=10\sigma(X_B)\approx3{,}54<\sigma(X_A)=10, les gains du jeu BB sont moins dispersés : le jeu BB est moins risqué. »

Situation 13 : rédiger la démonstration de König-Huygens

« Soit μ=E(X)\mu=E(X). V(X)=∑pi(xi−μ)2=∑pixi2−2μ∑pixi+μ2∑piV(X)=\sum p_i(x_i-\mu)^2=\sum p_ix_i^2-2\mu\sum p_ix_i+\mu^2\sum p_i. Or ∑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)−2μ2+μ2=E(X2)−μ2V(X)=E(X^2)-2\mu^2+\mu^2=E(X^2)-\mu^2. »

La démonstration de E(aX+b)=aE(X)+bE(aX+b)=aE(X)+b se rédige de même : ∑(axi+b)pi=a∑xipi+b∑pi\sum(ax_i+b)p_i=a\sum x_ip_i+b\sum p_i.

Situation 14 : écrire et commenter une simulation

« moyenne(n) simule nn gains et renvoie leur moyenne mm. Pour n=100n=100, on a obtenu m=0,7m=0{,}7 : l'écart avec μ=0,5\mu=0{,}5 est 0,20{,}2. Lors de plusieurs exécutions, mm varie ; on observe qu'elle est en général plus proche de μ\mu quand nn augmente. »

Parle d'observation, jamais de preuve.

2. Les erreurs qui coûtent des points

  • Oublier une valeur possible de XX.
  • Ne pas vérifier que la somme des probabilités vaut 11.
  • Oublier de mettre au carré dans E(X2)E(X^2), ou écrire V(X)=E(X2)−E(X)V(X)=E(X^2)-E(X).
  • Donner la variance quand on demande l'écart type.
  • Oublier le signe d'une perte dans un jeu.
  • Ne pas interpréter l'espérance.

✅ Check-list avant de rendre la copie

  • J'ai défini XX avec son unité et ses valeurs.
  • J'ai vérifié que la somme vaut 11.
  • J'ai cité la formule utilisée.
  • J'ai interprété le résultat avec l'unité.
  • Pour une simulation, j'ai parlé d'observation et non de preuve.

😄 Un correcteur qui voit « E(X)=0,5E(X)=0{,}5 » avec la formule citée et la phrase d'interprétation sourit. Sans la phrase, il se demande si 0,50{,}5 est un prix, un âge ou une température.

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

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