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Terminale Spé Maths / Chapitre 13 : Sommes de variables aléatoires et concentration

Fiche 1 : espérance, variance et écart-type

Huit exercices pour maîtriser l'espérance et la variance :

  • espérance, variance, écart-type d'une loi donnée ;
  • un dé et un gain affine ;
  • un jeu de loterie ;
  • transformation affine et variable centrée réduite ;
  • la loi de Bernoulli et sa variance maximale ;
  • linéarité de l'espérance ;
  • un script Python ;
  • vrai/faux.

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

  • la loi est écrite sous forme de tableau ;
  • la formule utilisée est citée ;
  • E(X2)E(X^2) est calculée séparément avant la variance ;
  • le résultat est interprété (gain moyen, dispersion) ;
  • la conclusion nomme la propriété (linéarité, transformation affine).

💡 Le modèle de rédaction d'un calcul d'espérance et de variance

« La variable XX prend les valeurs −1-1, 00, 22, 55 avec les probabilités 0,10{,}1, 0,30{,}3, 0,40{,}4, 0,20{,}2.

E(X)=−1×0,1+0×0,3+2×0,4+5×0,2=1,7E(X)=-1\times0{,}1+0\times0{,}3+2\times0{,}4+5\times0{,}2=1{,}7.

E(X2)=1×0,1+0+4×0,4+25×0,2=6,7E\left(X^2\right)=1\times0{,}1+0+4\times0{,}4+25\times0{,}2=6{,}7. D'après la formule de König-Huygens :

V(X)=E(X2)−E(X)2=6,7−1,72=3,81V(X)=E\left(X^2\right)-E(X)^2=6{,}7-1{,}7^2=3{,}81. Donc σ(X)=3,81≈1,95\sigma(X)=\sqrt{3{,}81}\approx1{,}95. »

  • Vérifie que la somme des probabilités vaut 11.
  • Calcule E(X)E(X), puis E(X2)E\left(X^2\right), puis V(X)=E(X2)−E(X)2V(X)=E\left(X^2\right)-E(X)^2.
  • Interprète : « en moyenne… », « écart typique de… ».

⚠️ Les pièges classiques

  • Oublier de mettre au carré les valeurs dans E(X2)E\left(X^2\right), ou calculer (E(X2))\left(E(X^2)\right) à la place de E(X)2E(X)^2.
  • Écrire V(aX+b)=aV(X)+bV(aX+b)=aV(X)+b : c'est a2V(X)a^2V(X).
  • Écrire σ(aX)=a σ(X)\sigma(aX)=a\,\sigma(X) pour a<0a<0 : c'est ∣a∣ σ(X)|a|\,\sigma(X).
  • Trouver une variance négative sans s'alerter.

😄 Une variance négative, c'est comme une distance négative : ça n'existe pas, et ça dit surtout que tu as fait une erreur de signe quelque part.


Exercice 1 (★) : une loi discrète

Une variable aléatoire XX a pour loi :

xix_i −1-1 00 22 55
P(X=xi)P(X=x_i) 0,10{,}1 0,30{,}3 0,40{,}4 0,20{,}2

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

✏️ Correction de l'exercice 1

Les probabilités ont pour somme 0,1+0,3+0,4+0,2=10{,}1+0{,}3+0{,}4+0{,}2=1 ✓.

E(X)=−1×0,1+0×0,3+2×0,4+5×0,2=−0,1+0+0,8+1E(X)=-1\times0{,}1+0\times0{,}3+2\times0{,}4+5\times0{,}2=-0{,}1+0+0{,}8+1

✅ E(X)=1,7E(X)=1{,}7

E(X2)=(−1)2×0,1+0+22×0,4+52×0,2=0,1+1,6+5E\left(X^2\right)=(-1)^2\times0{,}1+0+2^2\times0{,}4+5^2\times0{,}2=0{,}1+1{,}6+5

E(X2)=6,7E\left(X^2\right)=6{,}7

D'après la formule de König-Huygens :

V(X)=E(X2)−E(X)2=6,7−2,89V(X)=E\left(X^2\right)-E(X)^2=6{,}7-2{,}89

✅ V(X)=3,81V(X)=3{,}81

✅ σ(X)=3,81≈1,95\sigma(X)=\sqrt{3{,}81}\approx1{,}95


Exercice 2 (★★) : un dé et un gain

On lance un dé équilibré à six faces. Soit XX le résultat.

1. Calculer E(X)E(X), V(X)V(X) et σ(X)\sigma(X).

2. Un joueur gagne 2X−52X-5 euros. On note G=2X−5G=2X-5. Calculer E(G)E(G), V(G)V(G) et σ(G)\sigma(G).

✏️ Correction de l'exercice 2

Question 1

Chaque valeur de 11 à 66 a la probabilité 16\dfrac16.

E(X)=1+2+3+4+5+66=216E(X)=\dfrac{1+2+3+4+5+6}6=\dfrac{21}6

✅ E(X)=72=3,5E(X)=\dfrac72=3{,}5

E(X2)=1+4+9+16+25+366=916E\left(X^2\right)=\dfrac{1+4+9+16+25+36}6=\dfrac{91}6

V(X)=916−(72)2=182−14712V(X)=\dfrac{91}6-\left(\dfrac72\right)^2=\dfrac{182-147}{12}

✅ V(X)=3512≈2,92V(X)=\dfrac{35}{12}\approx2{,}92

✅ σ(X)=3512≈1,71\sigma(X)=\sqrt{\dfrac{35}{12}}\approx1{,}71

Question 2

G=2X−5G=2X-5 est une transformation affine de XX.

E(G)=2E(X)−5=7−5E(G)=2E(X)-5=7-5

✅ E(G)=2E(G)=2

V(G)=22 V(X)=4×3512V(G)=2^2\,V(X)=4\times\dfrac{35}{12}

✅ V(G)=353≈11,67V(G)=\dfrac{35}3\approx11{,}67

✅ σ(G)=∣2∣ σ(X)=23512≈3,42\sigma(G)=|2|\,\sigma(X)=2\sqrt{\dfrac{35}{12}}\approx3{,}42

Interprétation : le joueur gagne en moyenne 22 € par partie, avec un écart typique de 3,423{,}42 €.


Exercice 3 (★★) : une loterie

Un ticket de loterie coûte 55 €.

Il rapporte 100100 € avec la probabilité 0,010{,}01, 1010 € avec la probabilité 0,10{,}1 et rien sinon.

On note GG le gain net (rapport moins la mise).

1. Donner la loi de GG.

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

✏️ Correction de l'exercice 3

Question 1

Gain net : 100−5=95100-5=95 (probabilité 0,010{,}01), 10−5=510-5=5 (probabilité 0,10{,}1), −5-5 sinon (probabilité 1−0,01−0,1=0,891-0{,}01-0{,}1=0{,}89).

gig_i −5-5 55 9595
P(G=gi)P(G=g_i) 0,890{,}89 0,10{,}1 0,010{,}01

Question 2

E(G)=−5×0,89+5×0,1+95×0,01=−4,45+0,5+0,95E(G)=-5\times0{,}89+5\times0{,}1+95\times0{,}01=-4{,}45+0{,}5+0{,}95

✅ E(G)=−3E(G)=-3

E(G2)=25×0,89+25×0,1+9 025×0,01=22,25+2,5+90,25=115E\left(G^2\right)=25\times0{,}89+25\times0{,}1+9\,025\times0{,}01=22{,}25+2{,}5+90{,}25=115

V(G)=115−(−3)2V(G)=115-(-3)^2

✅ V(G)=106V(G)=106

✅ σ(G)=106≈10,30\sigma(G)=\sqrt{106}\approx10{,}30

Interprétation : en moyenne, un joueur perd 33 € par ticket. Le jeu est défavorable au joueur.


Exercice 4 (★★) : transformation affine

Soit XX une variable aléatoire avec E(X)=3E(X)=3 et V(X)=4V(X)=4.

1. Calculer l'espérance, la variance et l'écart-type de Y=−2X+5Y=-2X+5.

2. Calculer l'espérance et la variance de Z=X−32Z=\dfrac{X-3}2. Comment appelle-t-on ZZ ?

✏️ Correction de l'exercice 4

Question 1

E(Y)=−2×3+5E(Y)=-2\times3+5

✅ E(Y)=−1E(Y)=-1

V(Y)=(−2)2×4V(Y)=(-2)^2\times4

✅ V(Y)=16V(Y)=16

✅ σ(Y)=∣−2∣×σ(X)=2×2=4\sigma(Y)=|-2|\times\sigma(X)=2\times2=4

Question 2

σ(X)=4=2\sigma(X)=\sqrt4=2, et Z=X−E(X)σ(X)Z=\dfrac{X-E(X)}{\sigma(X)}.

E(Z)=E(X)−32=0E(Z)=\dfrac{E(X)-3}2=0

V(Z)=(12)2×V(X)=14×4=1V(Z)=\left(\dfrac12\right)^2\times V(X)=\dfrac14\times4=1

✅ ZZ est la variable centrée réduite associée à XX : E(Z)=0E(Z)=0 et V(Z)=1V(Z)=1.


Exercice 5 (★★★) : la variance d'une loi de Bernoulli

Soit XX une variable de Bernoulli de paramètre pp.

1. Calculer E(X)E(X) et V(X)V(X).

2. Étudier la fonction f:p↦p(1−p)f:p\mapsto p(1-p) sur [0 ;1][0\,;1]. Pour quelle valeur de pp la variance est-elle maximale ? Quelle est cette valeur maximale ?

✏️ Correction de l'exercice 5

Question 1

XX prend la valeur 11 avec la probabilité pp et 00 avec la probabilité 1−p1-p.

E(X)=1×p+0×(1−p)E(X)=1\times p+0\times(1-p)

✅ E(X)=pE(X)=p

X2=XX^2=X (car 02=00^2=0 et 12=11^2=1), donc E(X2)=pE\left(X^2\right)=p.

V(X)=p−p2V(X)=p-p^2

✅ V(X)=p(1−p)V(X)=p(1-p)

Question 2

f(p)=p−p2f(p)=p-p^2 est dérivable sur [0 ;1][0\,;1] et f′(p)=1−2pf'(p)=1-2p.

f′(p)>0  ⟺  p<12f'(p)>0\iff p<\dfrac12. Donc ff est croissante sur [0 ;12]\left[0\,;\dfrac12\right] et décroissante sur [12 ;1]\left[\dfrac12\,;1\right].

f(12)=12×12=14f\left(\dfrac12\right)=\dfrac12\times\dfrac12=\dfrac14.

✅ La variance est maximale pour p=12p=\dfrac12, et vaut 14\dfrac14.

Conséquence : pour tout pp, p(1−p)≤14p(1-p)\le\dfrac14. On utilisera cette majoration avec l'inégalité de Bienaymé-Tchebychev.


Exercice 6 (★★) : linéarité de l'espérance

Soient XX et YY deux variables aléatoires avec E(X)=2E(X)=2, E(X2)=5E\left(X^2\right)=5 et E(Y)=−1E(Y)=-1.

1. Calculer E(3X−2Y+4)E(3X-2Y+4).

2. Calculer V(X)V(X), puis V(3X+4)V(3X+4).

3. Peut-on calculer V(3X−2Y+4)V(3X-2Y+4) avec ces données ?

✏️ Correction de l'exercice 6

Question 1

Par linéarité de l'espérance :

E(3X−2Y+4)=3E(X)−2E(Y)+4=6+2+4E(3X-2Y+4)=3E(X)-2E(Y)+4=6+2+4

✅ E(3X−2Y+4)=12E(3X-2Y+4)=12

Question 2

V(X)=E(X2)−E(X)2=5−4V(X)=E\left(X^2\right)-E(X)^2=5-4

✅ V(X)=1V(X)=1

V(3X+4)=32 V(X)V(3X+4)=3^2\,V(X)

✅ V(3X+4)=9V(3X+4)=9

Question 3

Non. Pour calculer V(3X−2Y+4)V(3X-2Y+4), il faudrait connaître V(Y)V(Y) et savoir si XX et YY sont indépendantes (si oui : V=9V(X)+4V(Y)V=9V(X)+4V(Y)).

❌ On ne peut pas conclure avec ces seules données.


Exercice 7 (★★) : Python

On utilise les fonctions du cours :

def esperance(valeurs, probas):
    return sum(x * p for x, p in zip(valeurs, probas))

def variance(valeurs, probas):
    m = esperance(valeurs, probas)
    return sum(p * (x - m)**2 for x, p in zip(valeurs, probas))

1. Que renvoient esperance([-1,0,2,5], [0.1,0.3,0.4,0.2]) et variance([-1,0,2,5], [0.1,0.3,0.4,0.2]) ?

2. La formule de variance est-elle celle de la définition ou celle de König-Huygens ?

✏️ Correction de l'exercice 7

Question 1

✅ esperance renvoie 1,71{,}7 et variance renvoie 3,813{,}81 (aux arrondis près, par exemple 3.8100000000000005).

Ce sont les résultats de l'exercice 1.

Question 2

La fonction calcule ∑pi (xi−m)2\sum p_i\,(x_i-m)^2 avec m=E(X)m=E(X) : c'est la définition de la variance, pas la formule de König-Huygens.

✅ Définition.


Exercice 8 (★★) : vrai ou faux

Justifier chaque réponse :

1. Une variance peut être négative.

2. E(X+3)=E(X)+3E(X+3)=E(X)+3.

3. V(X+3)=V(X)+3V(X+3)=V(X)+3.

4. σ(−2X)=−2 σ(X)\sigma(-2X)=-2\,\sigma(X).

5. E(X2)≥E(X)2E\left(X^2\right)\ge E(X)^2.

✏️ Correction de l'exercice 8

Affirmation 1

V(X)=∑pi (xi−E(X))2V(X)=\sum p_i\,(x_i-E(X))^2 est une somme de termes positifs.

❌ Faux.

Affirmation 2

C'est la propriété E(aX+b)=aE(X)+bE(aX+b)=aE(X)+b avec a=1a=1 et b=3b=3.

✅ Vrai.

Affirmation 3

V(X+3)=V(X)V(X+3)=V(X) : ajouter une constante ne change pas la dispersion.

❌ Faux.

Affirmation 4

σ(−2X)=∣−2∣ σ(X)=2 σ(X)\sigma(-2X)=|-2|\,\sigma(X)=2\,\sigma(X), un nombre positif.

❌ Faux.

Affirmation 5

V(X)=E(X2)−E(X)2≥0V(X)=E\left(X^2\right)-E(X)^2\ge0 donc E(X2)≥E(X)2E\left(X^2\right)\ge E(X)^2.

✅ Vrai.


🎯 Ce qui peut tomber au bac

  • Le calcul de E(X)E(X), V(X)V(X), σ(X)\sigma(X) à partir d'une loi (exercices 1, 3).
  • Un gain affine et son interprétation (exercices 2 et 3).
  • La transformation affine E(aX+b)E(aX+b), V(aX+b)V(aX+b) (exercices 2, 4, 6).
  • La loi de Bernoulli et sa variance (exercice 5).

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

Pour une variable aléatoire XX et des réels aa et bb, V(aX+b)V(aX+b) vaut :

Question 2 sur 10

Pour E(X)=3E(X)=3, que vaut E(2X−5)E(2X-5) ?

Question 3 sur 10

La formule de König-Huygens s'écrit :

Question 4 sur 10

Quelle est l'espérance du résultat d'un dé équilibré à six faces ?

Question 5 sur 10

Quelle est la variance d'une variable de Bernoulli de paramètre pp ?

Question 6 sur 10

Dans l'exercice 2, avec XX le résultat d'un dé équilibré et G=2X−5G=2X-5, que vaut V(G)V(G) ?

Question 7 sur 10

Dans l'exercice 3 (loterie à 55 €), quelle est l'espérance du gain net GG ?

Question 8 sur 10

Dans l'exercice 4, avec E(X)=3E(X)=3 et V(X)=4V(X)=4, que vaut V(Y)V(Y) pour Y=−2X+5Y=-2X+5 ?

Question 9 sur 10

Dans l'exercice 5 (variance d'une loi de Bernoulli), pour quelle valeur de pp la variance p(1−p)p(1-p) est-elle maximale ?

Question 10 sur 10

Dans l'exercice 6, avec E(X)=2E(X)=2, E(X2)=5E\left(X^2\right)=5, E(Y)=−1E(Y)=-1, peut-on calculer V(3X−2Y+4)V(3X-2Y+4) avec seulement ces données ?

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

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