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

Bac 2024, Amérique du Nord : exercice 1

21 mai 2024 · jour 1 · 5 points

Un jeu vidéo récompense par un objet tiré au sort les joueurs ayant remporté un défi. L'objet tiré peut être « commun » ou « rare ». Deux types d'objets communs ou rares sont disponibles, des épées et des boucliers.

Les concepteurs du jeu vidéo ont prévu que :

  • la probabilité de tirer un objet rare est de 7 %

  • si on tire un objet rare, la probabilité que ce soit une épée est de 80 %

  • si on tire un objet commun, la probabilité que ce soit une épée est de 40 %.

Les parties A et B sont indépendantes.

Partie A

Un joueur vient de remporter un défi et tire au sort un objet. On note :

  • RR l'évènement « le joueur tire un objet rare »

  • EE l'évènement « le joueur tire une épée »

  • R‾\overline{R} et E‾\overline{E} les évènements contraires des évènements RR et EE.

  1. Dresser un arbre pondéré modélisant la situation, puis calculer P(R∩E)P(R \cap E).

  2. Calculer la probabilité de tirer une épée.

  3. Le joueur a tiré une épée. Déterminer la probabilité que ce soit un objet rare. Arrondir le résultat au millième.

Partie B

Un joueur remporte 3030 défis.

On note XX la variable aléatoire correspondant au nombre d'objets rares que le joueur obtient après avoir remporté 3030 défis. Les tirages successifs sont considérés comme indépendants.

  1. Déterminer, en justifiant, la loi de probabilité suivie par la variable aléatoire XX. Préciser ses paramètres, ainsi que son espérance.

  2. Déterminer P(X<6)P(X < 6). Arrondir le résultat au millième.

  3. Déterminer la plus grande valeur de kk telle que P(X⩾k)⩾0,5P(X \geqslant k) \geqslant 0,5. Interpréter le résultat dans le contexte de l'exercice.

  4. Les développeurs du jeu vidéo veulent proposer aux joueurs d'acheter un « ticket d'or » qui permet de tirer NN objets. La probabilité de tirer un objet rare reste de 7 %.

    Les développeurs aimeraient qu'en achetant un ticket d'or, la probabilité qu'un joueur obtienne au moins un objet rare lors de ces NN tirages soit supérieure ou égale à 0,950,95.

    Déterminer le nombre minimum d'objets à tirer pour atteindre cet objectif. On veillera à détailler la démarche mise en œuvre.

Voir le corrigé

Partie A

Question 1.

On traduit les données de l'énoncé en probabilités :

P(R)=0,07,PR(E)=0,8,PR‾(E)=0,4.P(R)=0{,}07,\qquad P_R(E)=0{,}8,\qquad P_{\overline{R}}(E)=0{,}4.

Les évènements RR et R‾\overline{R} sont contraires, donc

P(R‾)=1−P(R)=1−0,07=0,93.P(\overline{R})=1-P(R)=1-0{,}07=0{,}93.

De même, la somme des poids des branches issues d'un même nœud vaut 11 :

PR(E‾)=1−0,8=0,2,PR‾(E‾)=1−0,4=0,6.P_R(\overline{E})=1-0{,}8=0{,}2,\qquad P_{\overline{R}}(\overline{E})=1-0{,}4=0{,}6.

L'arbre pondéré se construit ainsi :

  • du départ partent deux branches : RR de poids 0,070{,}07 et R‾\overline{R} de poids 0,930{,}93

  • de RR partent deux branches : EE de poids 0,80{,}8 et E‾\overline{E} de poids 0,20{,}2

  • de R‾\overline{R} partent deux branches : EE de poids 0,40{,}4 et E‾\overline{E} de poids 0,60{,}6.

L'évènement R∩ER\cap E correspond au chemin RR puis EE. D'après la formule des probabilités conditionnelles :

P(R∩E)=P(R)×PR(E)P(R\cap E)=P(R)\times P_R(E)

P(R∩E)=0,07×0,8=0,056.P(R\cap E)=0{,}07\times 0{,}8=0{,}056.

Donc la probabilité de tirer un objet rare qui est une épée est 0,0560{,}056.

Réponse : P(R∩E)=0,056P(R\cap E)=0{,}056.

Question 2.

Les évènements RR et R‾\overline{R} forment une partition de l'univers : ils sont incompatibles et leur réunion est l'univers entier, avec P(R)≠0P(R)\neq 0 et P(R‾)≠0P(\overline{R})\neq 0.

D'après la formule des probabilités totales :

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

On calcule le second terme :

P(R‾∩E)=P(R‾)×PR‾(E)=0,93×0,4=0,372.P(\overline{R}\cap E)=P(\overline{R})\times P_{\overline{R}}(E)=0{,}93\times 0{,}4=0{,}372.

On en déduit

P(E)=0,056+0,372=0,428.P(E)=0{,}056+0{,}372=0{,}428.

Donc la probabilité de tirer une épée est 0,4280{,}428.

Réponse : P(E)=0,428P(E)=0{,}428.

Question 3.

On cherche la probabilité que l'objet soit rare sachant que c'est une épée, c'est-à-dire PE(R)P_E(R). Comme P(E)=0,428≠0P(E)=0{,}428\neq 0, la définition de la probabilité conditionnelle s'applique :

PE(R)=P(E∩R)P(E)=0,0560,428≈0,131.P_E(R)=\dfrac{P(E\cap R)}{P(E)}=\dfrac{0{,}056}{0{,}428}\approx 0{,}131.

Donc, sachant que le joueur a tiré une épée, la probabilité que ce soit un objet rare est environ 0,1310{,}131 (arrondie au millième).

Réponse : PE(R)=0,0560,428≈0,131P_E(R)=\dfrac{0{,}056}{0{,}428}\approx 0{,}131.

Partie B

Question 1.

Chaque défi remporté donne lieu à un tirage au sort, qui n'a que deux issues : l'objet est rare (succès) avec la probabilité p=0,07p=0{,}07, ou il ne l'est pas.

Cette épreuve est donc une épreuve de Bernoulli de paramètre 0,070{,}07.

Le joueur remporte 3030 défis, donc on répète 3030 fois cette épreuve, avec les mêmes probabilités à chaque fois, et les tirages sont considérés comme indépendants d'après l'énoncé.

La variable aléatoire XX compte le nombre de succès dans cette répétition de 3030 épreuves de Bernoulli identiques et indépendantes. Donc XX suit la loi binomiale de paramètres n=30n=30 et p=0,07p=0{,}07.

Son espérance est

E(X)=np=30×0,07=2,1.E(X)=np=30\times 0{,}07=2{,}1.

Donc XX suit la loi binomiale B(30 ;0,07)\mathcal{B}(30\,;0{,}07) et, en moyenne, le joueur obtient 2,12{,}1 objets rares sur 3030 défis.

Réponse : X∼B(30 ;0,07)X\sim\mathcal{B}(30\,;0{,}07) et E(X)=2,1E(X)=2{,}1.

Question 2.

XX prend des valeurs entières, donc l'évènement {X<6}\{X<6\} est égal à l'évènement {X⩽5}\{X\leqslant 5\} :

P(X<6)=P(X⩽5).P(X<6)=P(X\leqslant 5).

À la calculatrice, avec la loi binomiale de paramètres 3030 et 0,070{,}07, on obtient

P(X⩽5)≈0,984.P(X\leqslant 5)\approx 0{,}984.

Donc la probabilité que le joueur obtienne strictement moins de 66 objets rares est environ 0,9840{,}984 (arrondie au millième).

Réponse : P(X<6)≈0,984P(X<6)\approx 0{,}984.

Question 3.

Pour tout entier kk, on a P(X⩾k+1)=P(X⩾k)−P(X=k)⩽P(X⩾k)P(X\geqslant k+1)=P(X\geqslant k)-P(X=k)\leqslant P(X\geqslant k) : la fonction k↦P(X⩾k)k\mapsto P(X\geqslant k) est donc décroissante. Il suffit alors de repérer le dernier entier pour lequel elle reste supérieure ou égale à 0,50{,}5.

À la calculatrice, on calcule P(X⩾k)=1−P(X⩽k−1)P(X\geqslant k)=1-P(X\leqslant k-1) pour les premières valeurs de kk :

P(X⩾1)≈0,887,P(X⩾2)=1−P(X⩽1)≈0,631,P(X\geqslant 1)\approx 0{,}887,\qquad P(X\geqslant 2)=1-P(X\leqslant 1)\approx 0{,}631,

P(X⩾3)=1−P(X⩽2)≈0,351.P(X\geqslant 3)=1-P(X\leqslant 2)\approx 0{,}351.

On a P(X⩾2)⩾0,5P(X\geqslant 2)\geqslant 0{,}5 et P(X⩾3)<0,5P(X\geqslant 3)<0{,}5. Par décroissance, P(X⩾k)<0,5P(X\geqslant k)<0{,}5 pour tout k⩾3k\geqslant 3.

Donc la plus grande valeur de kk telle que P(X⩾k)⩾0,5P(X\geqslant k)\geqslant 0{,}5 est k=2k=2.

Interprétation : en remportant 3030 défis, le joueur a plus d'une chance sur deux d'obtenir au moins 22 objets rares, mais moins d'une chance sur deux d'en obtenir au moins 33.

Réponse : k=2k=2.

Question 4.

On répète NN fois, de façon identique et indépendante, une épreuve de Bernoulli dont la probabilité de succès « tirer un objet rare » est 0,070{,}07. La probabilité d'un échec est donc 0,930{,}93.

L'évènement « obtenir au moins un objet rare » est le contraire de l'évènement « n'obtenir aucun objet rare », dont la probabilité est 0,93N0{,}93^N par indépendance des tirages. La probabilité d'obtenir au moins un objet rare est donc

1−0,93N.1-0{,}93^N.

On cherche le plus petit entier NN tel que 1−0,93N⩾0,951-0{,}93^N\geqslant 0{,}95. On résout cette inéquation :

1−0,93N⩾0,95  ⟺  0,93N⩽0,05.1-0{,}93^N\geqslant 0{,}95\iff 0{,}93^N\leqslant 0{,}05.

La fonction logarithme népérien est strictement croissante sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[, donc elle conserve l'ordre :

0,93N⩽0,05  ⟺  ln⁡(0,93N)⩽ln⁡(0,05)  ⟺  Nln⁡(0,93)⩽ln⁡(0,05).0{,}93^N\leqslant 0{,}05\iff \ln\left(0{,}93^N\right)\leqslant\ln(0{,}05)\iff N\ln(0{,}93)\leqslant\ln(0{,}05).

Comme 0<0,93<10<0{,}93<1, on a ln⁡(0,93)<0\ln(0{,}93)<0. Diviser par ce nombre négatif change le sens de l'inégalité :

N⩾ln⁡(0,05)ln⁡(0,93).N\geqslant\dfrac{\ln(0{,}05)}{\ln(0{,}93)}.

À la calculatrice, ln⁡(0,05)ln⁡(0,93)≈41,28\dfrac{\ln(0{,}05)}{\ln(0{,}93)}\approx 41{,}28. Le plus petit entier NN vérifiant cette inégalité est donc 4242.

Vérification : 1−0,9341≈0,9490<0,951-0{,}93^{41}\approx 0{,}9490<0{,}95 et 1−0,9342≈0,9525⩾0,951-0{,}93^{42}\approx 0{,}9525\geqslant 0{,}95.

Donc il faut tirer au minimum 4242 objets pour que la probabilité d'obtenir au moins un objet rare soit supérieure ou égale à 0,950{,}95.

Réponse : N=42N=42.

Points clés attendus

  • Traduire les données en probabilités (P(R)P(R), PR(E)P_R(E), PR‾(E)P_{\overline{R}}(E)) et nommer la formule des probabilités totales en citant la partition {R ;R‾}\{R\,;\overline{R}\}.

  • Distinguer P(R∩E)P(R\cap E) de PE(R)P_E(R) : la probabilité conditionnelle se calcule en divisant par P(E)P(E).

  • Justifier la loi binomiale : répétition de 3030 épreuves de Bernoulli identiques et indépendantes, avec nn et pp précisés.

  • Passer par l'évènement contraire pour « au moins un » et justifier le changement de sens de l'inégalité en divisant par ln⁡(0,93)<0\ln(0{,}93)<0.

  • Conclure sur le contexte (nombre minimum d'objets à tirer) après avoir vérifié les entiers 4141 et 4242.

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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 2024 (Amérique du Nord, 21 mai 2024 (jour 1)), ministère de l'Éducation nationale. Énoncé mis en forme pour le web à partir du tapuscrit de l'APMEP (Denis Vergès et François Hache) ; figures issues des fichiers de l'APMEP. En cas de doute sur un détail, le sujet officiel fait foi.

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