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

Fiche 3 : la loi binomiale

Huit exercices pour maîtriser la loi binomiale :

  • reconnaître (ou non) un modèle binomial ;
  • écrire la loi complète, l'espérance, la variance et l'écart-type ;
  • calculer P(X=k)P(X=k), P(X≤k)P(X\le k), P(X≥k)P(X\ge k) ;
  • un QCM répondu au hasard ;
  • le mode d'une loi binomiale (démonstration) ;
  • un gain aléatoire ;
  • des scripts Python ;
  • vrai/faux.

Toutes les corrections sont rédigées comme on l'attend au bac :

  • le modèle est justifié avec nn, pp et le succès ;
  • la formule de P(X=k)P(X=k) est citée ;
  • les inégalités sont traitées avec les complémentaires ;
  • l'espérance et la variance sont interprétées.

💡 Le modèle de rédaction d'une loi binomiale

« On répète 1010 fois, de façon identique et indépendante, une épreuve de Bernoulli de paramètre p=0,3p=0{,}3 (succès : « la pièce est défectueuse »).

Soit XX le nombre de succès.

Donc XX suit la loi binomiale B(10 ;0,3)\mathcal B(10\,;0{,}3).

Pour tout entier kk compris entre 00 et 1010 : P(X=k)=(10k) 0,3k 0,710−kP(X=k)=\dbinom{10}k\,0{,}3^k\,0{,}7^{10-k}.

P(X=3)=(103)×0,33×0,77=120×0,027×0,0823543≈0,267P(X=3)=\dbinom{10}3\times0{,}3^3\times0{,}7^7=120\times0{,}027\times0{,}0823543\approx0{,}267. »

  • Écris nn, pp et ce qu'est un succès.
  • Cite la formule, puis remplace.
  • Arrondis à la fin (trois chiffres significatifs).

⚠️ Les pièges classiques

  • Ne pas justifier l'indépendance ou la répétition à l'identique.
  • Confondre P(X≥k)=1−P(X≤k−1)P(X\ge k)=1-P(X\le k-1) avec 1−P(X≤k)1-P(X\le k).
  • Oublier le coefficient binomial (nk)\dbinom nk.
  • Utiliser pk(1−p)kp^k(1-p)^k au lieu de pk(1−p)n−kp^k(1-p)^{n-k}.

😄 Une loi binomiale, c'est un arbre qu'on a élagué : on ne garde que le nombre de succès, plus l'ordre.


Exercice 1 (★) : reconnaître une loi binomiale

Dans chaque cas, dire si XX suit une loi binomiale et, si oui, donner ses paramètres :

a. On lance 1010 fois un dé équilibré. XX est le nombre de « 66 » obtenus.

b. On tire simultanément 33 boules dans une urne de 1010 boules dont 44 rouges. XX est le nombre de boules rouges.

c. Un élève répond au hasard aux 2020 questions d'un QCM à 44 propositions dont une seule est exacte. XX est le nombre de bonnes réponses.

d. On lance un dé équilibré jusqu'à obtenir un « 66 ». XX est le nombre de lancers.

✏️ Correction de l'exercice 1

Cas a

On répète 1010 fois, de façon identique et indépendante, une épreuve de Bernoulli de succès « obtenir 66 », de probabilité 16\dfrac16.

✅ XX suit B(10 ;16)\mathcal B\left(10\,;\dfrac16\right).

Cas b

Le tirage est simultané, donc sans remise : les tirages successifs ne sont pas indépendants.

❌ XX ne suit pas une loi binomiale. (Elle suit une loi hypergéométrique, hors programme.)

Cas c

Chacune des 2020 questions est une épreuve de Bernoulli indépendante, de succès « bonne réponse », de probabilité 14\dfrac14.

✅ XX suit B(20 ;0,25)\mathcal B(20\,;0{,}25).

Cas d

Le nombre d'épreuves n'est pas fixé à l'avance : XX est un rang, pas un nombre de succès.

❌ XX ne suit pas une loi binomiale (c'est le rang du premier succès).


Exercice 2 (★★) : la loi complète

Soit XX une variable aléatoire suivant la loi B(5 ;0,4)\mathcal B(5\,;0{,}4).

1. Donner la loi de XX sous forme de tableau et vérifier que la somme des probabilités vaut 11.

2. Calculer E(X)E(X), V(X)V(X), σ(X)\sigma(X).

3. Calculer P(X≥3)P(X\ge3).

✏️ Correction de l'exercice 2

Question 1

P(X=k)=(5k) 0,4k 0,65−kP(X=k)=\dbinom5k\,0{,}4^k\,0{,}6^{5-k}.

P(X=0)=0,65=0,07776P(X=0)=0{,}6^5=0{,}07776

P(X=1)=5×0,4×0,64=0,2592P(X=1)=5\times0{,}4\times0{,}6^4=0{,}2592

P(X=2)=10×0,42×0,63=0,3456P(X=2)=10\times0{,}4^2\times0{,}6^3=0{,}3456

P(X=3)=10×0,43×0,62=0,2304P(X=3)=10\times0{,}4^3\times0{,}6^2=0{,}2304

P(X=4)=5×0,44×0,6=0,0768P(X=4)=5\times0{,}4^4\times0{,}6=0{,}0768

P(X=5)=0,45=0,01024P(X=5)=0{,}4^5=0{,}01024

La somme est 0,07776+0,2592+0,3456+0,2304+0,0768+0,01024=10{,}07776+0{,}2592+0{,}3456+0{,}2304+0{,}0768+0{,}01024=1 ✓

Question 2

E(X)=np=5×0,4E(X)=np=5\times0{,}4

✅ E(X)=2E(X)=2

V(X)=np(1−p)=5×0,4×0,6V(X)=np(1-p)=5\times0{,}4\times0{,}6

✅ V(X)=1,2V(X)=1{,}2

✅ σ(X)=1,2≈1,095\sigma(X)=\sqrt{1{,}2}\approx1{,}095

Question 3

P(X≥3)=P(X=3)+P(X=4)+P(X=5)=0,2304+0,0768+0,01024P(X\ge3)=P(X=3)+P(X=4)+P(X=5)=0{,}2304+0{,}0768+0{,}01024

✅ P(X≥3)=0,31744P(X\ge3)=0{,}31744


Exercice 3 (★★) : un lot de pièces

Dans un lot, chaque pièce est défectueuse avec la probabilité 0,30{,}3, indépendamment des autres. On prélève 1010 pièces. XX est le nombre de pièces défectueuses.

1. Justifier que XX suit une loi binomiale et donner ses paramètres.

2. Calculer P(X=3)P(X=3).

3. Calculer P(X≤2)P(X\le2).

4. Calculer la probabilité qu'il y ait au moins une pièce défectueuse.

✏️ Correction de l'exercice 3

Question 1

On répète 1010 fois, de façon identique et indépendante, une épreuve de Bernoulli de succès « la pièce est défectueuse », de probabilité 0,30{,}3.

✅ XX suit la loi binomiale B(10 ;0,3)\mathcal B(10\,;0{,}3).

Question 2

P(X=3)=(103)×0,33×0,77=120×0,027×0,0823543P(X=3)=\dbinom{10}3\times0{,}3^3\times0{,}7^7=120\times0{,}027\times0{,}0823543

✅ P(X=3)≈0,267P(X=3)\approx0{,}267

Question 3

P(X≤2)=P(X=0)+P(X=1)+P(X=2)P(X\le2)=P(X=0)+P(X=1)+P(X=2)

P(X=0)=0,710≈0,0282P(X=0)=0{,}7^{10}\approx0{,}0282, P(X=1)=10×0,3×0,79≈0,1211P(X=1)=10\times0{,}3\times0{,}7^9\approx0{,}1211, P(X=2)=45×0,32×0,78≈0,2335P(X=2)=45\times0{,}3^2\times0{,}7^8\approx0{,}2335

✅ P(X≤2)≈0,383P(X\le2)\approx0{,}383

(Avec la calculatrice : fonction de répartition binomiale.)

Question 4

P(X≥1)=1−P(X=0)=1−0,710P(X\ge1)=1-P(X=0)=1-0{,}7^{10}

✅ P(X≥1)≈0,972P(X\ge1)\approx0{,}972


Exercice 4 (★★) : le QCM au hasard

Un QCM comporte 2020 questions, chacune à 44 propositions dont une seule exacte. Un élève répond au hasard. XX est le nombre de bonnes réponses.

1. Donner la loi de XX.

2. Calculer E(X)E(X) et σ(X)\sigma(X).

3. Calculer P(X=10)P(X=10) et P(X≥10)P(X\ge10). Commenter.

✏️ Correction de l'exercice 4

Question 1

Les 2020 réponses sont indépendantes, avec la probabilité de succès 0,250{,}25.

✅ XX suit B(20 ;0,25)\mathcal B(20\,;0{,}25).

Question 2

E(X)=20×0,25E(X)=20\times0{,}25

✅ E(X)=5E(X)=5

V(X)=20×0,25×0,75=3,75V(X)=20\times0{,}25\times0{,}75=3{,}75

✅ σ(X)=3,75≈1,94\sigma(X)=\sqrt{3{,}75}\approx1{,}94

Question 3

P(X=10)=(2010)×0,2510×0,7510P(X=10)=\dbinom{20}{10}\times0{,}25^{10}\times0{,}75^{10}

✅ P(X=10)≈0,0099P(X=10)\approx0{,}0099

P(X≥10)=1−P(X≤9)P(X\ge10)=1-P(X\le9)

✅ P(X≥10)≈0,0139P(X\ge10)\approx0{,}0139

Commentaire : en répondant au hasard, l'élève a environ 1,4 %1{,}4\,\% de chances d'obtenir la moyenne ou plus. La note attendue est 55 bonnes réponses sur 2020.


Exercice 5 (★★★) : le mode d'une loi binomiale

Soit X∼B(n,p)X\sim\mathcal B(n,p) avec 0<p<10<p<1.

1. Montrer que, pour 0≤k≤n−10\le k\le n-1 : P(X=k+1)P(X=k)=(n−k) p(k+1)(1−p)\dfrac{P(X=k+1)}{P(X=k)}=\dfrac{(n-k)\,p}{(k+1)(1-p)}.

2. Montrer que P(X=k+1)>P(X=k)  ⟺  k+1<(n+1)pP(X=k+1)>P(X=k)\iff k+1<(n+1)p.

3. Application : déterminer la valeur la plus probable de XX pour B(10 ;0,3)\mathcal B(10\,;0{,}3).

✏️ Correction de l'exercice 5

Question 1

P(X=k+1)P(X=k)=(nk+1)pk+1(1−p)n−k−1(nk) pk(1−p)n−k=(nk+1)(nk)×p1−p\frac{P(X=k+1)}{P(X=k)}=\frac{\dbinom n{k+1}p^{k+1}(1-p)^{n-k-1}}{\dbinom nk\,p^k(1-p)^{n-k}}=\frac{\dbinom n{k+1}}{\dbinom nk}\times\frac p{1-p}

Or (nk+1)(nk)=n!(k+1)! (n−k−1)!×k! (n−k)!n!=n−kk+1\dfrac{\dbinom n{k+1}}{\dbinom nk}=\dfrac{n!}{(k+1)!\,(n-k-1)!}\times\dfrac{k!\,(n-k)!}{n!}=\dfrac{n-k}{k+1}.

✅ P(X=k+1)P(X=k)=(n−k) p(k+1)(1−p)\dfrac{P(X=k+1)}{P(X=k)}=\dfrac{(n-k)\,p}{(k+1)(1-p)}

Question 2

Comme toutes les probabilités sont strictement positives, P(X=k+1)>P(X=k)P(X=k+1)>P(X=k) équivaut à un rapport supérieur à 11 :

(n−k) p>(k+1)(1−p)  ⟺  np−kp>k+1−kp−p  ⟺  (n+1)p>k+1(n-k)\,p>(k+1)(1-p)\iff np-kp>k+1-kp-p\iff(n+1)p>k+1

✅ P(X=k+1)>P(X=k)  ⟺  k+1<(n+1)pP(X=k+1)>P(X=k)\iff k+1<(n+1)p

Question 3

Pour n=10n=10 et p=0,3p=0{,}3 : (n+1)p=3,3(n+1)p=3{,}3. La suite P(X=k)P(X=k) croît tant que k+1<3,3k+1<3{,}3, c'est-à-dire pour k=0,1,2k=0{,}1{,}2, puis décroît.

Donc P(X=3)P(X=3) est la plus grande probabilité.

✅ La valeur la plus probable est 33 (P(X=3)≈0,267P(X=3)\approx0{,}267).


Exercice 6 (★★) : un jeu de pile ou face

Un joueur lance 1010 fois une pièce truquée qui donne « pile » avec la probabilité 0,60{,}6.

Il gagne 33 € par pile et perd 22 € par face.

On note XX le nombre de « pile » et GG son gain algébrique.

1. Exprimer GG en fonction de XX.

2. Calculer E(G)E(G), V(G)V(G) et σ(G)\sigma(G).

✏️ Correction de l'exercice 6

Question 1

XX suit B(10 ;0,6)\mathcal B(10\,;0{,}6). Il y a XX piles et 10−X10-X faces :

✅ G=3X−2(10−X)=5X−20G=3X-2(10-X)=5X-20

Question 2

E(X)=10×0,6=6E(X)=10\times0{,}6=6 et V(X)=10×0,6×0,4=2,4V(X)=10\times0{,}6\times0{,}4=2{,}4.

E(G)=5E(X)−20=30−20E(G)=5E(X)-20=30-20

✅ E(G)=10E(G)=10

V(G)=52 V(X)=25×2,4V(G)=5^2\,V(X)=25\times2{,}4

✅ V(G)=60V(G)=60

✅ σ(G)=60≈7,75\sigma(G)=\sqrt{60}\approx7{,}75

Interprétation : en moyenne, le joueur gagne 1010 € sur 1010 lancers, avec un écart-type d'environ 7,757{,}75 €.


Exercice 7 (★★) : Python

On utilise les fonctions du cours :

from math import comb

def binomiale(n, p, k):
    return comb(n, k) * p**k * (1 - p)**(n - k)

def repartition(n, p, k):
    return sum(binomiale(n, p, i) for i in range(k + 1))

1. Que renvoient binomiale(5, 0.4, 2) et repartition(10, 0.3, 2) ? Retrouver ces valeurs.

2. Écrire une fonction loi(n, p) qui renvoie la liste des P(X=k)P(X=k) pour kk de 00 à nn, puis un test qui vérifie que la somme vaut 11 (à 10−1210^{-12} près) pour B(20 ;0,25)\mathcal B(20\,;0{,}25).

✏️ Correction de l'exercice 7

Question 1

binomiale(5, 0.4, 2) renvoie 0.3456 : c'est P(X=2)P(X=2) de l'exercice 2.

repartition(10, 0.3, 2) renvoie environ 0.3828 : c'est P(X≤2)P(X\le2) de l'exercice 3.

✅ Les valeurs coïncident avec les calculs.

Question 2

def loi(n, p):
    return [binomiale(n, p, k) for k in range(n + 1)]

L = loi(20, 0.25)
print(abs(sum(L) - 1) < 1e-12)

Le script affiche True : la somme des probabilités est (0,25+0,75)20=1\left(0{,}25+0{,}75\right)^{20}=1 (formule du binôme), aux erreurs d'arrondi près.


Exercice 8 (★★) : vrai ou faux

Justifier chaque réponse :

1. Si X∼B(n,p)X\sim\mathcal B(n,p), alors P(X=0)=(1−p)nP(X=0)=(1-p)^n.

2. L'espérance d'une loi binomiale est toujours un entier.

3. Si X∼B(n,p)X\sim\mathcal B(n,p), alors n−X∼B(n,1−p)n-X\sim\mathcal B(n,1-p).

4. P(X≥k)=1−P(X≤k)P(X\ge k)=1-P(X\le k).

5. Si X∼B(n,12)X\sim\mathcal B\left(n,\dfrac12\right), alors P(X=k)=P(X=n−k)P(X=k)=P(X=n-k).

✏️ Correction de l'exercice 8

Affirmation 1

P(X=0)=(n0) p0(1−p)n=(1−p)nP(X=0)=\dbinom n0\,p^0(1-p)^n=(1-p)^n.

✅ Vrai.

Affirmation 2

Contre-exemple : n=5n=5 et p=0,4p=0{,}4 donnent E(X)=2E(X)=2, mais avec p=0,3p=0{,}3, E(X)=1,5E(X)=1{,}5.

❌ Faux.

Affirmation 3

n−Xn-X est le nombre d'échecs, chaque épreuve étant un échec avec la probabilité 1−p1-p.

✅ Vrai.

Affirmation 4

1−P(X≤k)=P(X>k)=P(X≥k+1)1-P(X\le k)=P(X>k)=P(X\ge k+1), différent de P(X≥k)P(X\ge k).

❌ Faux. Il faut P(X≥k)=1−P(X≤k−1)P(X\ge k)=1-P(X\le k-1).

Affirmation 5

P(X=n−k)=(nn−k)(12)n−k(12)k=(nk)(12)n=P(X=k)P(X=n-k)=\dbinom n{n-k}\left(\dfrac12\right)^{n-k}\left(\dfrac12\right)^k=\dbinom nk\left(\dfrac12\right)^n=P(X=k).

✅ Vrai.


Exercice 9 (★★) : la planche de Galton

Dans une planche de Galton à 1010 rangées, une bille rencontre 1010 clous. À chaque clou, elle va à droite avec la probabilité 12\dfrac12 ou à gauche avec la probabilité 12\dfrac12, indépendamment des clous précédents. On note KK le nombre de déplacements à droite : la bille tombe dans la case KK.

1. Quelle est la loi de KK ?

2. Calculer P(K=5)P(K=5) et P(4⩽K⩽6)P(4\leqslant K\leqslant6).

3. Calculer E(K)E(K). Commenter le résultat sur la figure.

123456789101002001104512021025221012045101
Planche de Galton à 10 rangées : effectifs sur 1024 billes selon la case d'arrivée k
✏️ Correction de l'exercice 9

Question 1

Dix épreuves de Bernoulli identiques et indépendantes, de probabilité de succès « droite » égale à 12\dfrac12.

✅ KK suit la loi binomiale B(10 ; 12)\mathcal B\left(10\,;\,\dfrac12\right).

Question 2

P(K=k)=(10k)1210=(10k)1024P(K=k)=\dbinom{10}k\dfrac1{2^{10}}=\dfrac{\binom{10}k}{1024}.

P(K=5)=2521024≈0,246P(K=5)=\dfrac{252}{1024}\approx0{,}246.

P(4⩽K⩽6)=210+252+2101024=6721024≈0,656P(4\leqslant K\leqslant6)=\dfrac{210+252+210}{1024}=\dfrac{672}{1024}\approx0{,}656.

✅ P(K=5)≈0,246P(K=5)\approx0{,}246 et P(4⩽K⩽6)≈0,656P(4\leqslant K\leqslant6)\approx0{,}656.

Question 3

E(K)=np=10×12=5E(K)=np=10\times\dfrac12=5.

✅ L'histogramme est symétrique autour de 55 et en forme de cloche : les billes se concentrent au centre.


🎯 Ce qui peut tomber au bac

  • Reconnaître et justifier une loi binomiale, avec nn, pp et le succès (exercices 1, 3, 4).
  • Calculer P(X=k)P(X=k), P(X≤k)P(X\le k), P(X≥k)P(X\ge k) (exercices 2, 3, 4).
  • Espérance, variance et interprétation (exercices 2, 4, 6).
  • Un script Python pour la loi binomiale (exercice 7).

QCM : vérifie tes acquis

10 questions, une seule bonne réponse chacune. Choisis une réponse : la correction s'affiche tout de suite. Ton score est enregistré dans Mon espace.

Question 1 sur 10

Quelle est l'espérance d'une variable de loi B(5 ;0,4)\mathcal B(5\,;0{,}4) ?

Question 2 sur 10

Quelle est la formule de P(X=k)P(X=k) pour X∼B(n,p)X\sim\mathcal B(n,p) ?

Question 3 sur 10

Pour X∼B(10 ;0,3)X\sim\mathcal B(10\,;0{,}3), que vaut P(X≥1)P(X\ge1) ?

Question 4 sur 10

Pour justifier que XX suit une loi binomiale, il faut :

Question 5 sur 10

Un élève répond au hasard à 2020 questions à 44 propositions. Combien de bonnes réponses obtient-il en moyenne ?

Question 6 sur 10

Dans l'exercice 2, pour X∼B(5 ;0,4)X\sim\mathcal B(5\,;0{,}4), que vaut V(X)V(X) ?

Question 7 sur 10

Dans l'exercice 3 (pièces défectueuses, p=0,3p=0{,}3, n=10n=10), que vaut P(X≥1)P(X\ge1) ?

Question 8 sur 10

Dans l'exercice 4 (QCM de 2020 questions, 44 propositions), quelle est l'espérance du nombre de bonnes réponses en répondant au hasard ?

Question 9 sur 10

Dans l'exercice 5, pour X∼B(10 ;0,3)X\sim\mathcal B(10\,;0{,}3), quelle est la valeur la plus probable ?

Question 10 sur 10

Dans l'exercice 6, avec XX le nombre de « pile » sur 1010 lancers (p=0,6p=0{,}6) et G=5X−20G=5X-20, que vaut E(G)E(G) ?

Un doute sur ce chapitre ? On en parle ensemble, sans engagement.

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