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

Bac 2022, Centres étrangers : exercice 4

12 mai 2022 · 7 points

Une urne contient des jetons blancs et noirs tous indiscernables au toucher.

Une partie consiste à prélever au hasard successivement et avec remise deux jetons de cette urne.

On établit la règle de jeu suivante:

  • un joueur perd 9 euros si les deux jetons tirés sont de couleur blanche

  • un joueur perd 1 euro si les deux jetons tirés sont de couleur noire

  • un joueur gagne 5 euros si les deux jetons tirés sont de couleurs différentes.

  1. On considère que l'urne contient 2 jetons noirs et 3 jetons blancs.

    1. Modéliser la situation à l'aide d'un arbre pondéré.

    2. Calculer la probabilité de perdre 99 € sur une partie.

  2. On considère maintenant que l'urne contient 3 jetons blancs et au moins deux jetons noirs mais on ne connait pas le nombre exact de jetons noirs. On appellera NN le nombre de jetons noirs.

    1. Soit XX la variable aléatoire donnant le gain du jeu pour une partie.

      Déterminer la loi de probabilité de cette variable aléatoire.

    2. Résoudre l'inéquation pour xx réel:

      −x2+30x−81>0-x^2 + 30x - 81 > 0

    3. En utilisant le résultat de la question précédente, déterminer le nombre de jetons noirs que l'urne doit contenir afin que ce jeu soit favorable au joueur.

    4. Combien de jetons noirs le joueur doit-il demander afin d'obtenir un gain moyen maximal ?

  3. On observe 1010 joueurs qui tentent leur chance en effectuant une partie de ce jeu, indépendamment les uns des autres. On suppose que 7 jetons noirs ont été placés dans l'urne (avec 3 jetons blancs).

    Quelle est la probabilité d'avoir au moins 11 joueur gagnant 55 euros?

Voir le corrigé

Question 1. a)

L'urne contient 22 jetons noirs et 33 jetons blancs, soit 55 jetons. On note BB l'évènement « le jeton tiré est blanc » et NN l'évènement « le jeton tiré est noir ».

Les jetons sont indiscernables au toucher, donc le tirage d'un jeton est équiprobable, et

P(B)=35,P(N)=25.P(B)=\dfrac35,\qquad P(N)=\dfrac25.

Les deux jetons sont tirés avec remise : la composition de l'urne est la même au second tirage et les deux tirages sont indépendants. Les probabilités du second tirage ne dépendent donc pas du résultat du premier.

L'arbre pondéré comporte deux niveaux :

  • au premier tirage, la branche BB de poids 35\dfrac35 et la branche NN de poids 25\dfrac25

  • au second tirage, à partir de chacune de ces deux branches, la branche BB de poids 35\dfrac35 et la branche NN de poids 25\dfrac25.

On en déduit les probabilités des quatre issues, en multipliant les poids le long des branches :

P(BB)=35×35=925,P(BN)=P(NB)=35×25=625,P(NN)=25×25=425.P(BB)=\dfrac35\times\dfrac35=\dfrac9{25},\qquad P(BN)=P(NB)=\dfrac35\times\dfrac25=\dfrac6{25},\qquad P(NN)=\dfrac25\times\dfrac25=\dfrac4{25}.

Vérification : 925+625+625+425=1\dfrac9{25}+\dfrac6{25}+\dfrac6{25}+\dfrac4{25}=1.

Question 1. b)

Le joueur perd 99 euros lorsque les deux jetons tirés sont blancs, c'est-à-dire lorsque l'évènement BBBB est réalisé.

D'après l'arbre,

P(BB)=35×35=925=0,36.P(BB)=\dfrac35\times\dfrac35=\dfrac9{25}=0{,}36.

Donc la probabilité de perdre 99 euros sur une partie est 925=0,36\dfrac9{25}=0{,}36.

Réponse : P(BB)=925=0,36P(BB)=\dfrac9{25}=0{,}36.

Question 2. a)

L'urne contient maintenant 33 jetons blancs et NN jetons noirs, soit N+3N+3 jetons au total, avec N⩾2N\geqslant2.

À chaque tirage, P(B)=3N+3P(B)=\dfrac3{N+3} et P(N)=NN+3P(N)=\dfrac N{N+3}. Les tirages se font avec remise, donc ils sont indépendants.

La variable aléatoire XX prend les valeurs −9-9, −1-1 et 55.

  • X=−9X=-9 si les deux jetons sont blancs :

    P(X=−9)=3N+3×3N+3=9(N+3)2.P(X=-9)=\dfrac3{N+3}\times\dfrac3{N+3}=\dfrac9{(N+3)^2}.

  • X=−1X=-1 si les deux jetons sont noirs :

    P(X=−1)=NN+3×NN+3=N2(N+3)2.P(X=-1)=\dfrac N{N+3}\times\dfrac N{N+3}=\dfrac{N^2}{(N+3)^2}.

  • X=5X=5 si les deux jetons sont de couleurs différentes, c'est-à-dire BNBN ou NBNB. Ces deux issues sont incompatibles :

    P(X=5)=2×3N+3×NN+3=6N(N+3)2.P(X=5)=2\times\dfrac3{N+3}\times\dfrac N{N+3}=\dfrac{6N}{(N+3)^2}.

Vérification : la somme des probabilités vaut

9+N2+6N(N+3)2=(N+3)2(N+3)2=1.\dfrac{9+N^2+6N}{(N+3)^2}=\dfrac{(N+3)^2}{(N+3)^2}=1.

La loi de probabilité de XX est donc :

P(X=−9)=9(N+3)2,P(X=−1)=N2(N+3)2,P(X=5)=6N(N+3)2.P(X=-9)=\dfrac9{(N+3)^2},\qquad P(X=-1)=\dfrac{N^2}{(N+3)^2},\qquad P(X=5)=\dfrac{6N}{(N+3)^2}.

On en déduit l'espérance, utile pour la suite :

E(X)=−9×9(N+3)2−1×N2(N+3)2+5×6N(N+3)2=−81−N2+30N(N+3)2=−N2+30N−81(N+3)2.E(X)=-9\times\dfrac9{(N+3)^2}-1\times\dfrac{N^2}{(N+3)^2}+5\times\dfrac{6N}{(N+3)^2}=\dfrac{-81-N^2+30N}{(N+3)^2}=\dfrac{-N^2+30N-81}{(N+3)^2}.

Donc XX prend les valeurs −9-9, −1-1 et 55 avec les probabilités indiquées ci-dessus.

Question 2. b)

On étudie le trinôme −x2+30x−81-x^{2}+30x-81. Son discriminant est

Δ=302−4×(−1)×(−81)=900−324=576=242>0.\Delta=30^{2}-4\times(-1)\times(-81)=900-324=576=24^{2}>0.

Il admet donc deux racines réelles distinctes :

x1=−30−242×(−1)=27,x2=−30+242×(−1)=3.x_1=\dfrac{-30-24}{2\times(-1)}=27,\qquad x_2=\dfrac{-30+24}{2\times(-1)}=3.

Le coefficient de x2x^{2} est −1<0-1<0. Donc le trinôme est strictement positif entre ses deux racines et strictement négatif à l'extérieur.

Donc l'ensemble des solutions de l'inéquation −x2+30x−81>0-x^{2}+30x-81>0 est l'intervalle ]3 ;27[]3\,;27[.

Réponse : S=]3 ;27[\mathcal{S}=]3\,;27[.

Question 2. c)

Le jeu est favorable au joueur si son gain moyen est strictement positif, c'est-à-dire si E(X)>0E(X)>0.

Comme (N+3)2>0(N+3)^{2}>0, le signe de E(X)E(X) est celui de −N2+30N−81-N^{2}+30N-81. D'après la question 2. b),

E(X)>0  ⟺  −N2+30N−81>0  ⟺  3<N<27.E(X)>0\iff-N^{2}+30N-81>0\iff3<N<27.

Le nombre NN de jetons noirs est un entier. Donc N∈{4 ;5 ;… ;26}N\in\{4\,;5\,;\dots\,;26\}.

Donc le jeu est favorable au joueur si l'urne contient entre 44 et 2626 jetons noirs (bornes comprises).

Réponse : 4⩽N⩽264\leqslant N\leqslant26.

Question 2. d)

On étudie la fonction EE définie sur [2 ;+∞[[2\,;+\infty[ par

E(x)=−x2+30x−81(x+3)2.E(x)=\dfrac{-x^{2}+30x-81}{(x+3)^{2}}.

Elle est dérivable comme quotient de fonctions dérivables dont le dénominateur ne s'annule pas. On pose u(x)=−x2+30x−81u(x)=-x^{2}+30x-81 et v(x)=(x+3)2v(x)=(x+3)^{2}, avec u′(x)=−2x+30u'(x)=-2x+30 et v′(x)=2(x+3)v'(x)=2(x+3).

D'après la formule (uv)′=u′v−uv′v2\left(\dfrac uv\right)'=\dfrac{u'v-uv'}{v^{2}},

E′(x)=(−2x+30)(x+3)2−(−x2+30x−81)×2(x+3)(x+3)4=(−2x+30)(x+3)−2(−x2+30x−81)(x+3)3=−2x2+24x+90+2x2−60x+162(x+3)3=−36x+252(x+3)3=36(7−x)(x+3)3.\begin{aligned} E'(x)&=\dfrac{(-2x+30)(x+3)^{2}-\left(-x^{2}+30x-81\right)\times2(x+3)}{(x+3)^{4}}\\ &=\dfrac{(-2x+30)(x+3)-2\left(-x^{2}+30x-81\right)}{(x+3)^{3}}\\ &=\dfrac{-2x^{2}+24x+90+2x^{2}-60x+162}{(x+3)^{3}}\\ &=\dfrac{-36x+252}{(x+3)^{3}}=\dfrac{36(7-x)}{(x+3)^{3}}. \end{aligned}

Pour x⩾2x\geqslant2, (x+3)3>0(x+3)^{3}>0. Donc E′(x)E'(x) est du signe de 7−x7-x :

  • E′(x)>0E'(x)>0 sur [2 ;7[[2\,;7[, donc EE est strictement croissante sur [2 ;7][2\,;7]

  • E′(x)<0E'(x)<0 sur ]7 ;+∞[]7\,;+\infty[, donc EE est strictement décroissante sur [7 ;+∞[[7\,;+\infty[.

La fonction EE admet donc un maximum en x=7x=7, qui est un entier. Le gain moyen est maximal pour N=7N=7, et vaut

E(X)=−49+210−81100=80100=0,8 euro.E(X)=\dfrac{-49+210-81}{100}=\dfrac{80}{100}=0{,}8\text{ euro}.

Donc le joueur doit demander 77 jetons noirs pour obtenir un gain moyen maximal, égal à 0,80{,}8 euro par partie.

Réponse : N=7N=7, avec un gain moyen de 0,80{,}8 euro.

Question 3.

L'urne contient 77 jetons noirs et 33 jetons blancs, soit 1010 jetons. D'après la question 2. a), pour un joueur,

P(X=5)=6×7(7+3)2=42100=0,42.P(X=5)=\dfrac{6\times7}{(7+3)^{2}}=\dfrac{42}{100}=0{,}42.

Soit YY le nombre de joueurs qui gagnent 55 euros parmi les 1010 joueurs. Chaque joueur effectue une partie, qui est une épreuve de Bernoulli de succès « gagner 55 euros » de probabilité 0,420{,}42. Les 1010 parties sont identiques et indépendantes. Donc YY suit la loi binomiale de paramètres n=10n=10 et p=0,42p=0{,}42.

L'évènement « au moins un joueur gagne 55 euros » est l'évènement contraire de {Y=0}\{Y=0\}. Donc

P(Y⩾1)=1−P(Y=0)=1−(100)×0,420×0,5810=1−0,5810≈0,996.P(Y\geqslant1)=1-P(Y=0)=1-\binom{10}{0}\times0{,}42^{0}\times0{,}58^{10}=1-0{,}58^{10}\approx0{,}996.

Donc la probabilité qu'au moins un joueur gagne 55 euros est environ 0,9960{,}996, arrondie au millième.

Réponse : P(Y⩾1)=1−0,5810≈0,996P(Y\geqslant1)=1-0{,}58^{10}\approx0{,}996.

Points clés attendus

  • Justifier l'indépendance des deux tirages par le tirage avec remise, et multiplier les poids le long des branches.

  • Pour la loi de XX, ne pas oublier le facteur 22 pour les couleurs différentes (issues BNBN et NBNB) et vérifier que la somme des probabilités vaut 11.

  • Étudier le signe du trinôme avec le discriminant et le signe du coefficient de x2x^{2}, puis traduire en nombre entier de jetons.

  • Dériver l'espérance comme quotient pour déterminer le nombre de jetons noirs donnant le gain moyen maximal.

  • Justifier la loi binomiale (1010 épreuves identiques et indépendantes, p=0,42p=0{,}42) et passer par l'évènement contraire.

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.

Les autres exercices de ce sujet

  • Exercice 1 · 7 points · Dérivation et convexité · Primitives et équations différentielles · Limites de fonctions
  • Exercice 2 · 7 points · Suites · Dérivation et convexité · Fonction logarithme
  • Exercice 3 · 7 points · Orthogonalité et distances dans l'espace

Revoir le cours

Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2022 (Centres étrangers, 12 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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