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

Bac 2022, Groupe I : exercice 1

19 mai 2022 · 6 points

Les résultats seront arrondis si besoin à 10−410^{- 4} près

Une étude statistique réalisée dans une entreprise fournit les informations suivantes :

  • 48 % des salariés sont des femmes. Parmi elles, 16,516,5 % exercent une profession de cadre

  • 52 % des salariés sont des hommes. Parmi eux, 21,521,5 % exercent une profession de cadre.

On choisit une personne au hasard parmi les salariés. On considère les évènements suivants:

  • FF: « la personne choisie est une femme »

  • CC: « la personne choisie exerce une profession de cadre ».

  1. Représenter la situation par un arbre pondéré.

  2. Calculer la probabilité que la personne choisie soit une femme qui exerce une profession de cadre.

    1. Démontrer que la probabilité que la personne choisie exerce une profession de cadre est égale à 0,1910,191.

    2. Les évènements FF et CC sont-ils indépendants ? Justifier.

  3. Calculer la probabilité de FF sachant CC, notée PC(F)P_C(F). Interpréter le résultat dans le contexte de l'exercice.

  4. On choisit au hasard un échantillon de 1515 salariés. Le grand nombre de salariés dans l'entreprise permet d'assimiler ce choix à un tirage avec remise.

    On note XX la variable aléatoire donnant le nombre de cadres au sein de l'échantillon de 15 salariés.

    On rappelle que la probabilité qu'un salarié choisi au hasard soit un cadre est égale à 0,1910,191.

    1. Justifier que XX suit une loi binomiale dont on précisera les paramètres.

    2. Calculer la probabilité que l'échantillon contienne au plus 1 cadre.

    3. Déterminer l'espérance de la variable aléatoire XX.

  5. Soit nn un entier naturel.

    On considère dans cette question un échantillon de nn salariés.

    Quelle doit être la valeur minimale de nn pour que la probabilité qu'il y ait au moins un cadre au sein de l'échantillon soit supérieure ou égale à 0,990,99 ?

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On note FF l'évènement « la personne choisie est une femme » et CC l'évènement « la personne choisie exerce une profession de cadre ».

Question 1.

Traduisons les données de l'énoncé en probabilités :

  • P(F)=0,48P(F)=0{,}48 et P(F‾)=0,52P(\overline{F})=0{,}52

  • PF(C)=0,165P_F(C)=0{,}165, donc PF(C‾)=1−0,165=0,835P_F(\overline{C})=1-0{,}165=0{,}835

  • PF‾(C)=0,215P_{\overline{F}}(C)=0{,}215, donc PF‾(C‾)=1−0,215=0,785P_{\overline{F}}(\overline{C})=1-0{,}215=0{,}785.

L'arbre pondéré comporte deux branches issues de la racine : FF de poids 0,480{,}48 et F‾\overline{F} de poids 0,520{,}52.

De la branche FF partent deux branches : CC de poids 0,1650{,}165 et C‾\overline{C} de poids 0,8350{,}835.

De la branche F‾\overline{F} partent deux branches : CC de poids 0,2150{,}215 et C‾\overline{C} de poids 0,7850{,}785.

Question 2.

D'après la formule des probabilités composées (définition de la probabilité conditionnelle) :

P(F∩C)=P(F)×PF(C).P(F\cap C)=P(F)\times P_F(C).

On obtient :

P(F∩C)=0,48×0,165=0,0792.P(F\cap C)=0{,}48\times 0{,}165=0{,}0792.

Donc la probabilité que la personne choisie soit une femme qui exerce une profession de cadre est 0,07920{,}0792.

Réponse : P(F∩C)=0,0792P(F\cap C)=0{,}0792.

Question 3.

a) Les évènements FF et F‾\overline{F} forment une partition de l'univers : ils sont incompatibles et leur réunion est l'univers entier, et ils sont de probabilités non nulles.

D'après la formule des probabilités totales :

P(C)=P(F∩C)+P(F‾∩C).P(C)=P(F\cap C)+P(\overline{F}\cap C).

On a P(F∩C)=0,0792P(F\cap C)=0{,}0792 d'après la question 2, et

P(F‾∩C)=P(F‾)×PF‾(C)=0,52×0,215=0,1118.P(\overline{F}\cap C)=P(\overline{F})\times P_{\overline{F}}(C)=0{,}52\times 0{,}215=0{,}1118.

Donc

P(C)=0,0792+0,1118=0,191.P(C)=0{,}0792+0{,}1118=0{,}191.

Ainsi la probabilité que la personne choisie exerce une profession de cadre est égale à 0,1910{,}191.

b) Deux évènements FF et CC sont indépendants si et seulement si P(F∩C)=P(F)×P(C)P(F\cap C)=P(F)\times P(C).

D'une part, P(F∩C)=0,0792P(F\cap C)=0{,}0792.

D'autre part,

P(F)×P(C)=0,48×0,191=0,09168.P(F)\times P(C)=0{,}48\times 0{,}191=0{,}09168.

Ces deux nombres sont différents : 0,0792≠0,091680{,}0792\neq 0{,}09168.

Donc les évènements FF et CC ne sont pas indépendants.

Question 4.

Par définition de la probabilité conditionnelle (avec P(C)≠0P(C)\neq 0) :

PC(F)=P(F∩C)P(C)=0,07920,191.P_C(F)=\dfrac{P(F\cap C)}{P(C)}=\dfrac{0{,}0792}{0{,}191}.

Arrondie à 10−410^{-4} près :

PC(F)≈0,4147.P_C(F)\approx 0{,}4147.

Interprétation : sachant que la personne choisie est un cadre, la probabilité que ce soit une femme est d'environ 0,41470{,}4147. Autrement dit, environ 41,47 %41{,}47\,\% des cadres de l'entreprise sont des femmes.

Réponse : PC(F)=0,07920,191≈0,4147P_C(F)=\dfrac{0{,}0792}{0{,}191}\approx 0{,}4147.

Question 5.

a) Le choix d'un salarié est une épreuve de Bernoulli de succès « le salarié choisi est un cadre », de probabilité p=0,191p=0{,}191.

On répète cette épreuve 1515 fois. Le tirage étant assimilé à un tirage avec remise, ces 1515 épreuves sont identiques et indépendantes.

La variable aléatoire XX compte le nombre de succès au cours de ces 1515 épreuves.

Donc XX suit la loi binomiale de paramètres n=15n=15 et p=0,191p=0{,}191.

b) L'évènement « l'échantillon contient au plus un cadre » est {X⩽1}\{X\leqslant 1\}.

On a :

P(X⩽1)=P(X=0)+P(X=1)=(150) 0,1910 0,80915+(151) 0,1911 0,80914=0,80915+15×0,191×0,80914.\begin{aligned} P(X\leqslant 1)&=P(X=0)+P(X=1)\\ &=\binom{15}{0}\,0{,}191^{0}\,0{,}809^{15}+\binom{15}{1}\,0{,}191^{1}\,0{,}809^{14}\\ &=0{,}809^{15}+15\times 0{,}191\times 0{,}809^{14}. \end{aligned}

À la calculatrice, arrondie à 10−410^{-4} près :

P(X⩽1)≈0,1890.P(X\leqslant 1)\approx 0{,}1890.

Donc la probabilité que l'échantillon contienne au plus un cadre est environ 0,18900{,}1890.

Réponse : P(X⩽1)≈0,1890P(X\leqslant 1)\approx 0{,}1890.

c) L'espérance d'une variable aléatoire suivant la loi binomiale de paramètres nn et pp est E(X)=npE(X)=np.

Ici :

E(X)=15×0,191=2,865.E(X)=15\times 0{,}191=2{,}865.

Donc, en moyenne, un échantillon de 1515 salariés contient 2,8652{,}865 cadres.

Réponse : E(X)=2,865E(X)=2{,}865.

Question 6.

Soit XnX_n la variable aléatoire donnant le nombre de cadres dans un échantillon de nn salariés. Comme à la question 5, XnX_n suit la loi binomiale de paramètres nn et 0,1910{,}191.

On a :

P(Xn⩾1)=1−P(Xn=0)=1−0,809n.P(X_n\geqslant 1)=1-P(X_n=0)=1-0{,}809^{n}.

On cherche le plus petit entier naturel nn tel que P(Xn⩾1)⩾0,99P(X_n\geqslant 1)\geqslant 0{,}99.

On résout :

1−0,809n⩾0,99  ⟺  0,809n⩽0,01  ⟺  ln⁡(0,809n)⩽ln⁡(0,01)  ⟺  nln⁡(0,809)⩽ln⁡(0,01).\begin{aligned} 1-0{,}809^{n}\geqslant 0{,}99&\iff 0{,}809^{n}\leqslant 0{,}01\\ &\iff \ln\left(0{,}809^{n}\right)\leqslant \ln(0{,}01)\\ &\iff n\ln(0{,}809)\leqslant \ln(0{,}01). \end{aligned}
La deuxième équivalence vient de la stricte croissance de la fonction ln⁡\ln sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[.

Or 0<0,809<10<0{,}809<1, donc ln⁡(0,809)<0\ln(0{,}809)<0. En divisant par ce nombre négatif, on change le sens de l'inégalité :

n⩾ln⁡(0,01)ln⁡(0,809)≈21,73.n\geqslant\dfrac{\ln(0{,}01)}{\ln(0{,}809)}\approx 21{,}73.

Le plus petit entier nn vérifiant cette condition est donc n=22n=22.

Vérification : 1−0,80921≈0,9883<0,991-0{,}809^{21}\approx 0{,}9883<0{,}99 et 1−0,80922≈0,9906⩾0,991-0{,}809^{22}\approx 0{,}9906\geqslant 0{,}99.

Donc il faut un échantillon d'au moins 2222 salariés pour que la probabilité qu'il contienne au moins un cadre soit supérieure ou égale à 0,990{,}99.

Réponse : nmin⁡=22n_{\min}=22.

Points clés attendus

  • Traduire les pourcentages de l'énoncé en probabilités conditionnelles et compléter l'arbre avec les évènements contraires.

  • Citer la formule des probabilités totales en précisant que FF et F‾\overline{F} forment une partition de l'univers.

  • Tester l'indépendance en comparant P(F∩C)P(F\cap C) et P(F)×P(C)P(F)\times P(C).

  • Justifier la loi binomiale : 1515 épreuves de Bernoulli identiques et indépendantes (tirage avec remise), puis donner nn et pp.

  • Résoudre l'inéquation avec ln⁡\ln en changeant le sens de l'inégalité car ln⁡(0,809)<0\ln(0{,}809)<0.

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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2022 (Groupe I, 19 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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