Première Spé Maths / Chapitre 10 : Variables aléatoires
Variables aléatoires : le cours
Tu joues à un jeu où tu peux gagner ou perdre de l'argent. À la longue, est-ce que tu gagnes ou tu perds ? Une variable aléatoire et son espérance répondent à cette question avec un seul nombre.
Dans ce chapitre, tu apprends à décrire un résultat numérique dû au hasard par une variable aléatoire, à calculer sa loi, son espérance, sa variance et son écart type, puis à simuler une variable aléatoire avec Python.
Dans tout le cours, tu verras des astuces 💡, des pièges ⚠️ et un peu d'humour 😄.
🎯 Comment utiliser ce cours
- Lis une partie, puis fais tout de suite la fiche correspondante.
- Retiens le fil rouge : la loi donne tout : espérance, variance et écart type se calculent à partir du tableau.
- Avant de calculer, définis la variable et liste ses valeurs possibles.
1. Variable aléatoire réelle
Quand on lance un dé, l'issue est une face. Mais ce qui t'intéresse est souvent un nombre qui dépend de cette issue : un gain, un nombre de piles, une somme. C'est exactement ce qu'est une variable aléatoire.
Définition. Soit l'univers (fini) d'une expérience aléatoire. Une variable aléatoire réelle est une fonction définie sur et à valeurs réelles :
À chaque issue , elle associe un nombre réel . Les valeurs possibles de sont les nombres obtenus quand parcourt .
Exemple 1 (deux pièces). On lance deux fois une pièce équilibrée. L'univers est (les quatre issues sont équiprobables). Soit le nombre de piles :
| Issue | ||||
|---|---|---|---|---|
Les valeurs possibles de sont , et .
Exemple 2 (jeu de dé). On lance un dé équilibré. Pour , ou , on perd €. Pour ou , on gagne €. Pour , on gagne €. Ici et est le gain algébrique en euros :
| Issue | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
Les valeurs possibles de sont , et . Deux issues différentes peuvent donner la même valeur : une fonction n'a pas besoin d'être injective.
Notations. Pour un réel :
- est l'événement formé des issues telles que ; sa probabilité se note ;
- est l'événement formé des issues telles que ; sa probabilité se note .
On définit de la même façon , , , .
Exemple (deux pièces). donc . Et donc .
Passer de la langue naturelle aux symboles (et inversement) est une capacité attendue. Voici les traductions à connaître :
| En français | En symboles |
|---|---|
| « vaut » | |
| « est au plus égal à » | |
| « est strictement inférieur à » | |
| « est au moins égal à » | |
| « est strictement supérieur à » | |
| « est compris entre et (bornes incluses) » | |
| « est différent de » |
💡 Astuce. Pour modéliser une situation avec une variable aléatoire, réponds à trois questions : 1. Quel est le nombre qui m'intéresse (gain, nombre de succès, somme) ? 2. Quelles sont ses valeurs possibles ? 3. Quelle est son unité ?
📜 Un peu d'histoire. Les origines du « calcul des probabilités » remontent au XVIIe siècle. Pascal, Huygens, Moivre, Bernoulli, Euler et d'Alembert utilisent déjà les notions de variable aléatoire et d'espérance pour des problèmes de jeux, d'assurances et d'astronomie. La description actuelle, avec un univers, ne s'impose que vers 1930 : l'univers joue le rôle de « source d'aléas », et la variable aléatoire, présente depuis l'origine sans définition précise, apparaît alors comme une fonction définie sur l'univers.
⚠️ Pièges :
- Confondre l'issue (une face, une suite de piles et de faces) avec la valeur (un nombre).
- Oublier une valeur possible de (par exemple ).
- Écrire au lieu de , ou l'inverse.
- Traduire « au moins » par : c'est .
😄 « Au plus » et « au moins » : deux petits mots, des milliers de points perdus en contrôle.
2. Loi d'une variable aléatoire
Définition. Si a pour valeurs possibles , la loi de est la donnée des probabilités . On la présente dans un tableau. On a toujours
Pourquoi la somme vaut ? Les événements ne se chevauchent pas et, ensemble, ils contiennent toutes les issues de .
Exemple 1 (deux pièces).
Exemple 2 (jeu de dé). (issues , , ), (issues , ) et (issue ).
Calculer : on additionne les probabilités des valeurs . Ici et .
Trois façons de trouver une loi : (a) univers équiprobable : on compte les issues favorables à chaque ; (b) un tableau ou une urne : on lit les effectifs ; (c) un arbre pondéré, qu'on additionne chemin par chemin.
Exemple (arbre). Un tireur réussit chaque tir avec la probabilité , les deux tirs étant indépendants. Soit le nombre de tirs réussis. L'arbre est construit comme au chapitre 9 (répétition d'épreuves de Bernoulli) : on multiplie le long d'un chemin.
correspond à deux chemins ( et ) : .
On vérifie : . Le nombre de succès n'est ici qu'un exemple de variable aléatoire : sa loi se lit sur l'arbre.
💡 Astuce. Pour trouver une loi : 1. liste les valeurs possibles, 2. calcule la probabilité de chaque événement , 3. vérifie que la somme vaut .
La vérification de la somme détecte la moitié des erreurs en trois secondes.
⚠️ Pièges :
- Oublier une valeur possible de .
- Penser que toutes les valeurs sont équiprobables : n'a rien d'une fatalité.
- Une somme de probabilités différente de : la loi est fausse.
😄 Une loi de probabilité dont la somme fait n'est pas une loi : c'est un budget de vacances.
3. Espérance
Définition. L'espérance de est
C'est la moyenne pondérée des valeurs de par leurs probabilités.
Exemple (jeu de dé).
Interprétation. Si l'on joue un très grand nombre de fois, le gain moyen par partie est proche de : ici, environ € gagné par partie. C'est ce que tu vérifieras par simulation à la fin du chapitre. L'espérance ne dit rien sur le résultat d'une seule partie.
Jeu équitable. Un jeu est équitable lorsque l'espérance du gain algébrique est nulle. Il est favorable au joueur si elle est positive, défavorable si elle est négative.
💡 Astuce. Pour un jeu avec une mise , calcule d'abord l'espérance de la somme que tu reçois, puis retranche la mise : . Le jeu est équitable pour .
⚠️ Pièges :
- n'est pas une valeur prise par : l'espérance d'un dé est , qu'on ne peut pas obtenir.
- Ne confonds pas gain brut (somme reçue) et gain algébrique (mise déduite).
- Pense aux valeurs négatives : une perte compte avec le signe .
😄 « J'ai toujours de la chance au loto, j'ai déjà perdu douze fois d'affilée. » Ton espérance a une autre opinion.
4. Linéarité de l'espérance
Propriété (linéarité de l'espérance). Pour tous réels et :
Démonstration. Si , la variable prend les valeurs avec les probabilités . Donc
Si , la variable est constante égale à , d'espérance : la formule reste vraie.
Exemples. Si la partie coûte €, le gain net est et . Si l'on double tous les gains, . Et pour changer d'unité : si est un temps en minutes, est le même temps en secondes et .
⚠️ Pièges :
- : la linéarité ne passe pas à travers le carré.
- Dans , le s'ajoute une seule fois, sans être multiplié par .
5. Variance et écart type
L'espérance donne la valeur moyenne. Il faut aussi mesurer la dispersion des valeurs autour de cette moyenne.
Définition. La variance de , notée , et l'écart type sont :
Interprétation. La variance est la moyenne (pondérée) des carrés des écarts à l'espérance. Plus les valeurs sont éloignées de , plus et sont grands. L'écart type a la même unité que .
Exemple (deux jeux de même espérance). Jeu : on gagne € ou on perd €, avec la probabilité chacun. Jeu : on gagne € ou on perd €, avec la probabilité chacun. Dans les deux cas . Mais
Le jeu est équitable comme le jeu , mais bien plus risqué : ses résultats sont dix fois plus dispersés.
Formule de König-Huygens.
Démonstration. Notons . On développe , puis on utilise et :
(Si deux valeurs ont le même carré, on regroupe leurs termes : la somme ne change pas.)
Exemple (jeu de dé). . Donc
💡 Astuce. Avec des valeurs entières, König-Huygens est presque toujours plus rapide que la définition : tu calcules , puis , puis tu soustrais.
Une variance est toujours positive ou nulle (somme de termes positifs). Si tu trouves un nombre négatif, cherche l'erreur.
🚀 Pour aller plus loin, hors programme. Pour tous réels et , et : ajouter ne change pas la dispersion, multiplier par la multiplie par . Ce résultat n'est pas au programme de Première : si tu as besoin de la variance de , calcule d'abord la loi de puis applique la définition ou König-Huygens.
Autre approfondissement facultatif du programme : l'étude de la fonction , qui est un polynôme du second degré dont le minimum est (voir la fiche 3).
⚠️ Pièges :
- Oublier de mettre au carré : .
- Écrire (sans carré).
- Donner la variance quand on demande l'écart type : n'oublie pas la racine carrée.
- L'écart type a la même unité que , la variance a l'unité au carré.
😄 Une variance négative, c'est une dispersion qui range sa chambre mieux qu'un nombre ne le peut : on a fait une erreur de calcul.
6. Lien avec les statistiques
Une série statistique peut se lire comme une variable aléatoire : on tire au hasard, avec équiprobabilité, un individu de la population, et est la valeur observée sur cet individu. Alors les proportions deviennent des probabilités, la moyenne devient l'espérance et l'écart type de la série devient .
Exemple. Cinq élèves ont obtenu , , , et . On tire un élève au hasard et est sa note.
On retrouve la moyenne de la série et son écart type .
7. Algorithmique : espérance, variance, écart type
Une loi se stocke dans une liste de couples (x, p). Les trois fonctions suivantes appliquent les définitions :
from math import sqrt
def esperance(loi):
return sum(x * p for x, p in loi)
def variance(loi):
m = esperance(loi)
return sum(p * (x - m) ** 2 for x, p in loi)
def ecart_type(loi):
return sqrt(variance(loi))
loi = [(-1, 1/2), (1, 1/3), (4, 1/6)]
print(esperance(loi), variance(loi), ecart_type(loi))
Le script affiche 0.49999999999999994 3.25 1.8027756377319946 : on retrouve , et , avec les erreurs d'arrondi habituelles des flottants.
Exemple d'algorithme : la fréquence des lettres d'un texte. On parcourt le texte, on compte chaque lettre, puis on divise par le nombre de lettres. C'est la loi de l'expérience « tirer au hasard une lettre du texte ».
def frequences(texte):
comptes = {}
total = 0
for c in texte.lower():
if c.isalpha():
comptes[c] = comptes.get(c, 0) + 1
total += 1
return {c: n / total for c, n in comptes.items()}
print(frequences("variable aleatoire"))
Le texte contient lettres dont fois la lettre a : la fréquence de a est . Pour obtenir une variable réelle, on associe un nombre à chaque lettre : par exemple si la lettre est une voyelle et sinon. Alors est la proportion de voyelles du texte (ici ).
8. Expérimentation : simuler une variable aléatoire
Une variable aléatoire se simule : on répète l'expérience et on calcule la moyenne des résultats obtenus sur un échantillon de taille . Pour le jeu de dé du paragraphe 3 :
from random import randint
def gain():
de = randint(1, 6)
if de <= 3:
return -1
if de <= 5:
return 1
return 4
def moyenne(n):
total = 0
for _ in range(n):
total += gain()
return total / n
La moyenne d'un échantillon est elle-même aléatoire : elle change à chaque exécution. On compare à l'espérance pour des tailles de plus en plus grandes :
mu = 0.5
for n in [10, 100, 1000, 10000]:
m = moyenne(n)
print(n, m, abs(m - mu))
Exemple d'exécution : on a obtenu pour , pour , pour et pour . Chez toi, les valeurs seront différentes. On observe que la distance est en général de plus en plus petite quand augmente, sans que ce soit toujours le cas d'une exécution à l'autre.
On quantifie cet écart en simulant échantillons de taille et en calculant la proportion de ceux pour lesquels :
from math import sqrt
def proportion(N, n, mu, sigma):
ok = 0
for _ in range(N):
m = moyenne(n)
if abs(m - mu) <= 2 * sigma / sqrt(n):
ok += 1
return ok / N
print(proportion(1000, 100, 0.5, sqrt(13) / 2))
Ici . Lors d'une exécution, on a obtenu une proportion de : environ des moyennes d'échantillons sont à une distance de inférieure ou égale à . C'est une observation expérimentale et non un théorème démontré ici. Elle montre que l'espérance peut être estimée par une moyenne observée, avec une précision de l'ordre de .
💡 Astuce. Pour diviser l'intervalle par , il faut quatre fois plus d'observations. La précision coûte cher.
🎯 Ce qui peut tomber en contrôle
- Définir une variable aléatoire, décrire et ses valeurs possibles.
- Traduire une phrase en symboles (, ) et inversement.
- Écrire la loi d'une variable aléatoire (tableau, urne, arbre) et vérifier que la somme vaut .
- Calculer , et (avec König-Huygens).
- Utiliser ; connaître et refaire les deux démonstrations (linéarité, König-Huygens).
- Étudier un jeu équitable ou une mise.
- Lire ou écrire un script (espérance, variance, écart type, moyenne d'un échantillon, proportion).
Tu as maintenant le cours. Passe aux trois fiches, aux exercices de synthèse, puis au Guide de rédaction du chapitre.
Un doute sur ce chapitre ? On en parle ensemble, sans engagement.
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