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Terminale Spé Maths / Chapitre 12 : Succession d'épreuves et loi binomiale / Annales du bac

Bac 2022, Amérique du Nord : exercice 1

18 mai 2022 · 7 points

Chaque chaque jour où il travaille, Paul doit se rendre à la gare pour rejoindre son lieu de travail en train. Pour cela, il prend son vélo deux fois sur trois et, si il ne prend pas son vélo, il prend sa voiture.

  1. Lorsqu'il prend son vélo pour rejoindre la gare, Paul ne rate le train qu'une fois sur 50 alors que, lorsqu'il prend sa voiture pour rejoindre la gare Paul rate son train une fois sur 10.

    On considère une journée au hasard lors de laquelle Paul sera à la gare pour prendre le train qui le conduira au travail.

    On note:

    • VV l'évènement « Paul prend son vélo pour rejoindre la gare »

    • RR l'évènement « Paul rate son train ».

    1. Faire un arbre pondéré résumant la situation.

    2. Montrer que la probabilité que Paul rate son train est égale à 7150\dfrac{7}{150}.

    3. Paul a raté son train. Déterminer la valeur exacte de la probabilité qu'il ait pris son vélo pour rejoindre la gare.

  2. On choisit au hasard un mois pendant lequel Paul s'est rendu 2020 jours à la gare pour rejoindre son lieu de travail selon les modalités décrites en préambule.

    On suppose que, pour chacun de ces 20 jours, le choix entre le vélo et la voiture est indépendant des choix des autres jours.

    On note XX la variable aléatoire donnant le nombre de jours où Paul prend son vélo sur ces 2020 jours.

    1. Déterminer la loi suivie par la variable aléatoire XX. Préciser ses paramètres.

    2. Quelle est la probabilité que Paul prenne son vélo exactement 1010 jours sur ces 2020 jours pour se rendre à la gare ? On arrondira la probabilité cherchée à 10−310^{-3}.

    3. Quelle est la probabilité que Paul prenne son vélo au moins 1010 jours sur ces 20 jours pour se rendre à la gare ? On arrondira la probabilité cherchée à 10−310^{-3}.

    4. En moyenne, combien de jours sur une période choisie au hasard de 20 jours pour se rendre à la gare, Paul prend-il son vélo ? On arrondira la réponse à l'entier.

  3. Dans le cas où Paul se rend à la gare en voiture, on note TT la variable aléatoire donnant le temps de trajet nécessaire pour se rendre à la gare. La durée du trajet est donnée en minutes, arrondie à la minute. La loi de probabilité de TT est donnée par le tableau ci-dessous :

    kk (en minutes)101112131415161718
    P(T=k)P(T = k)0,140,130,130,120,120,110,100,080,07

    Déterminer l'espérance de la variable aléatoire TT et interpréter cette valeur dans le contexte de l'exercice.

Voir le corrigé

Question 1. a) Traduisons les données de l'énoncé en probabilités.

Paul prend son vélo deux fois sur trois, sinon sa voiture. Donc

P(V)=23etP(V‾)=1−23=13.P(V)=\dfrac23\qquad\text{et}\qquad P(\overline{V})=1-\dfrac23=\dfrac13.

Lorsqu'il prend son vélo, il rate son train une fois sur 5050 :

PV(R)=150doncPV(R‾)=1−150=4950.P_V(R)=\dfrac1{50}\qquad\text{donc}\qquad P_V(\overline{R})=1-\dfrac1{50}=\dfrac{49}{50}.

Lorsqu'il prend sa voiture, il rate son train une fois sur 1010 :

PV‾(R)=110doncPV‾(R‾)=1−110=910.P_{\overline{V}}(R)=\dfrac1{10}\qquad\text{donc}\qquad P_{\overline{V}}(\overline{R})=1-\dfrac1{10}=\dfrac9{10}.

L'arbre pondéré comporte donc deux branches issues du départ : VV (pondérée par 23\dfrac23) et V‾\overline{V} (pondérée par 13\dfrac13). De VV partent deux branches RR (pondérée par 150\dfrac1{50}) et R‾\overline{R} (pondérée par 4950\dfrac{49}{50}). De V‾\overline{V} partent deux branches RR (pondérée par 110\dfrac1{10}) et R‾\overline{R} (pondérée par 910\dfrac9{10}).

Question 1. b) Les évènements VV et V‾\overline{V} sont incompatibles et leur réunion est l'univers : ils forment une partition de l'univers.

D'après la formule des probabilités totales,

P(R)=P(V∩R)+P(V‾∩R).P(R)=P(V\cap R)+P(\overline{V}\cap R).

Chaque terme se calcule avec la formule des probabilités conditionnelles :

P(R)=P(V)×PV(R)+P(V‾)×PV‾(R)=23×150+13×110=2150+130=2150+5150=7150.\begin{aligned} P(R)&=P(V)\times P_V(R)+P(\overline{V})\times P_{\overline{V}}(R)\\ &=\dfrac23\times\dfrac1{50}+\dfrac13\times\dfrac1{10}\\ &=\dfrac{2}{150}+\dfrac{1}{30}\\ &=\dfrac{2}{150}+\dfrac{5}{150}\\ &=\dfrac7{150}. \end{aligned}

Donc la probabilité que Paul rate son train est égale à 7150\dfrac7{150}.

Question 1. c) On cherche la probabilité que Paul ait pris son vélo sachant qu'il a raté son train, c'est-à-dire PR(V)P_R(V).

D'après la définition de la probabilité conditionnelle (avec P(R)≠0P(R)\neq 0),

PR(V)=P(R∩V)P(R).P_R(V)=\dfrac{P(R\cap V)}{P(R)}.

On a P(R∩V)=P(V)×PV(R)=23×150=2150P(R\cap V)=P(V)\times P_V(R)=\dfrac23\times\dfrac1{50}=\dfrac2{150}. Donc

PR(V)=21507150=27.P_R(V)=\dfrac{\frac{2}{150}}{\frac{7}{150}}=\dfrac27.

Donc, sachant que Paul a raté son train, la probabilité qu'il ait pris son vélo est 27\dfrac27.

Réponse : PR(V)=27P_R(V)=\dfrac27.

Question 2. a) Justifions que XX suit une loi binomiale.

On répète 2020 fois la même épreuve de Bernoulli : « Paul prend son vélo », de probabilité de succès p=23p=\dfrac23. Ces 2020 épreuves sont identiques et, d'après l'énoncé, indépendantes les unes des autres. La variable aléatoire XX compte le nombre de succès.

Donc XX suit la loi binomiale de paramètres n=20n=20 et p=23p=\dfrac23, notée B(20 ;23)\mathcal{B}\left(20\,;\dfrac23\right).

Question 2. b) Pour une loi binomiale, P(X=k)=(nk)pk(1−p)n−kP(X=k)=\binom{n}{k}p^k(1-p)^{n-k}. Donc

P(X=10)=(2010)(23)10(13)10.P(X=10)=\binom{20}{10}\left(\dfrac23\right)^{10}\left(\dfrac13\right)^{10}.

À la calculatrice, avec (2010)=184 756\binom{20}{10}=184\,756, on obtient P(X=10)≈0,054P(X=10)\approx 0{,}054 (arrondi au millième).

Donc la probabilité que Paul prenne son vélo exactement 1010 jours sur 2020 est environ 0,0540{,}054.

Réponse : P(X=10)≈0,054P(X=10)\approx 0{,}054.

Question 2. c) On cherche

P(X⩾10)=∑k=1020(20k)(23)k(13)20−k.P(X\geqslant 10)=\sum_{k=10}^{20}\binom{20}{k}\left(\dfrac23\right)^{k}\left(\dfrac13\right)^{20-k}.

À la calculatrice (fonction de répartition de la loi binomiale), on obtient P(X⩾10)≈0,962P(X\geqslant 10)\approx 0{,}962 (arrondi au millième).

Donc la probabilité que Paul prenne son vélo au moins 1010 jours sur 2020 est environ 0,9620{,}962.

Réponse : P(X⩾10)≈0,962P(X\geqslant 10)\approx 0{,}962.

Question 2. d) Le nombre moyen de jours de vélo est l'espérance de XX. Pour une loi binomiale,

E(X)=np=20×23=403≈13,3.E(X)=np=20\times\dfrac23=\dfrac{40}{3}\approx 13{,}3.

Arrondi à l'entier, on obtient 1313.

Donc, en moyenne, Paul prend son vélo 1313 jours sur 2020.

Réponse : E(X)=403E(X)=\dfrac{40}{3}, soit environ 1313 jours.

Question 3. L'espérance de TT est E(T)=∑k×P(T=k)E(T)=\sum k\times P(T=k) :

E(T)=10×0,14+11×0,13+12×0,13+13×0,12+14×0,12+15×0,11+16×0,10+17×0,08+18×0,07=1,4+1,43+1,56+1,56+1,68+1,65+1,6+1,36+1,26=13,5.\begin{aligned} E(T)&=10\times 0{,}14+11\times 0{,}13+12\times 0{,}13+13\times 0{,}12+14\times 0{,}12\\ &\quad+15\times 0{,}11+16\times 0{,}10+17\times 0{,}08+18\times 0{,}07\\ &=1{,}4+1{,}43+1{,}56+1{,}56+1{,}68+1{,}65+1{,}6+1{,}36+1{,}26\\ &=13{,}5. \end{aligned}

Les probabilités du tableau ont pour somme 11, ce qui est cohérent avec une loi de probabilité.

Interprétation : lorsque Paul se rend à la gare en voiture, la durée du trajet est en moyenne de 13,513{,}5 minutes sur un grand nombre de trajets.

Réponse : E(T)=13,5E(T)=13{,}5 minutes.

Points clés attendus

  • Citer la formule des probabilités totales en précisant la partition {V ;V‾}\{V\,;\overline{V}\}.

  • Utiliser la définition de la probabilité conditionnelle pour la probabilité « à l'envers » PR(V)P_R(V).

  • Justifier la loi binomiale : 2020 épreuves de Bernoulli identiques et indépendantes, avec n=20n=20 et p=23p=\dfrac23.

  • Donner les valeurs approchées demandées au millième et l'espérance arrondie à l'entier.

  • Interpréter l'espérance de TT en contexte (durée moyenne du trajet en voiture).

Corrigé rédigé par + qu'un prof. Cherche d'abord seul, puis compare avec ta propre rédaction.

Comment t'entraîner

Chronomètre-toi, rédige sur papier comme le jour du bac, puis seulement après regarde le cours. Si tu bloques sur une question, écris « on admet que… » et passe à la suivante.

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Revoir le cours

Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2022 (Amérique du Nord, 18 mai 2022), ministère de l'Éducation nationale. Énoncé mis en forme pour le web à partir du tapuscrit de l'APMEP (Denis Vergès) ; figures issues des fichiers de l'APMEP. En cas de doute sur un détail, le sujet officiel fait foi.

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