Calcul de probabilités

I - Probabilité d'un évènement

1 - Notion de probabilité

La probabilité d'un évènement est la fréquence de réalisation de cet évènement lors d'un grand nombre de répétitions d'une même expérience aléatoire.

Dans l'exemple :
Si on lance un dé à 6 faces un très grand nombre de fois, on va observer que la fréquence d'apparition de chaque face est égale à 1 sur 6.

Définition 1 :
Lors d'une expérience aléatoire, on dit qu'il y a équiprobabilité lorsque toutes les issues ont la même probabilité de se réaliser.

Propriété 1 :
En situation d'équiprobabilité, la probabilité d'un évènement A est $\color{red}{p(A) = \dfrac{\text{nombre d'issues de A}}{\text{nombre d'issues de } \Omega}}$.

Dans l'exemple :

L'univers est $\Omega = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\}$ et contient 6 issues.

Soit l'évènement A "Faire un nombre pair" ; $A = \{2, 4, 6\}$ contient 3 issues.
$$ p(A) = \frac{3}{6} = 0,5 $$

Soit l'évènement B "Faire un nombre supérieur ou égal à 2" ; $B = \{2, 3, 4, 5, 6\}$ contient 5 issues.
$$ p(B) = \frac{5}{6} \approx 0,83 $$

Conséquence :

  • La probabilité d'un évènement est comprise entre 0 et 1.
  • La somme des probabilités de toutes les issues est égale à 1.

2 - Loi de probabilité

Définition 2 :

Soit $\Omega$ l'univers fini associé à une expérience aléatoire. Définir une loi de probabilité sur $\Omega$, c'est donner les probabilités $\color{red}{p_i}$ de chaque issue $\color{red}{x_i}$ de $\Omega$.

On regroupe ces résultats dans un tableau :

issue $x_i$ $x_1$ $x_2$ $\dots$ $x_n$
probabilité $p_i$ $p_1$ $p_2$ $\dots$ $p_n$

Dans l'exemple :

La probabilité de chaque issue est égale à $\dfrac{1}{6}$.

issue 1 2 3 4 5 6
probabilité $\dfrac{1}{6}$ $\dfrac{1}{6}$ $\dfrac{1}{6}$ $\dfrac{1}{6}$ $\dfrac{1}{6}$ $\dfrac{1}{6}$

On vérifie bien que :

  • chaque probabilité a une valeur comprise entre 0 et 1.
  • la somme des probabilités de chaque issue est égale à 1 $\left(\dfrac{1}{6} + \dfrac{1}{6} + \dfrac{1}{6} + \dfrac{1}{6} + \dfrac{1}{6} + \dfrac{1}{6} = \dfrac{6}{6} = 1\right)$.

3 - Propriétés

Propriété 2 :

  • Pour tous évènements A et B, $\color{red}{p(A \cup B) = p(A) + p(B) - p(A \cap B)}$.
  • Pour tout évènement A, $\color{red}{p(A) + p(\overline{A}) = 1}$.

Remarque : Si les évènements A et B sont incompatibles alors $p(A \cup B) = p(A) + p(B)$.

Dans l'exemple :

Soit A l'évènement "Faire un nombre pair" : $A = \{2, 4, 6\}$ donc $p(A) = \dfrac{3}{6}$

et D l'évènement "Faire un nombre inférieur strictement à 3" : $D = \{1, 2\}$ donc $p(D) = \dfrac{2}{6}$

$A \cup D = \{1, 2, 4, 6\}$ donc $p(A \cup D) = \dfrac{4}{6}$

$A \cap D = \{2\}$ donc $p(A \cap D) = \dfrac{1}{6}$

donc $p(A) + p(D) - p(A \cap D) = \dfrac{3}{6} + \dfrac{2}{6} - \dfrac{1}{6} = \dfrac{4}{6} = p(A \cup D)$

II - Modéliser avec un tableau ou un arbre

1 - Avec un tableau

Tableau à double entrée :

On lance 2 dés identiques et on note la somme obtenue. Décrire l'univers de cette expérience aléatoire.
On note tous les tirages possibles lors du jet des 2 dés dans le tableau ci-dessous.

dé 1 \ dé 2 1 2 3 4 5 6
1 234567
2 345678
3 456789
4 5678910
5 67891011
6 789101112

Il y a 36 tirages possibles. $\Omega = \{2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12\}$

Probabilité de chaque issue :
$p(2) = \dfrac{1}{36} = p(12); \quad p(3) = \dfrac{2}{36} = p(11); \quad p(4) = \dfrac{3}{36} = p(10); \dots$

On constate que ce n'est pas une situation d'équiprobabilité.

Tableau (additif) à double entrée :

Dans une classe de 35 élèves, sachant que 16 font du ski, 11 font du surf et 4 pratiquent les 2 sports, combien d'élèves ne pratiquent aucun sport ?

On considère les évènements $A$ : "Faire du ski" et $B$ : "Faire du surf".

On remplit le tableau et on trouve $p(\overline{A} \cap \overline{B}) = \dfrac{12}{35}$ donc il y a 12 élèves qui ne pratiquent aucun sport.

2 - Avec un arbre simple

Arbre simple (des choix) :

Une urne contient 5 boules identiques numérotées 1 ou 2. On tire successivement deux boules de l'urne sans remise.

  • 1) Quelle est la probabilité $p_1$ de tirer 2 boules ayant le numéro 1 ?
  • 2) Quelle est la probabilité $p_2$ de tirer exactement une boule ayant le numéro 2 ?
  • 3) Quelle est la probabilité $p_3$ de tirer au moins une boule ayant le numéro 2 ?

On peut représenter la situation par un arbre (de choix) simple :
Dans cet arbre, un chemin est composé de 2 branches et représente une issue. Il y a au total 20 issues équiprobables.

Urne 1 1 2 2 2 1 2 2 2 20 chemins au total...

1) Il y a 2 chemins pour lesquels les 2 boules ont le numéro 1 : $p_1 = \dfrac{2}{20} = \dfrac{1}{10}$

2) Il y a 12 chemins pour lesquels exactement une boule a le numéro 2 : $p_2 = \dfrac{12}{20} = \dfrac{3}{5}$

3) Il y a 18 chemins pour lesquels au moins une boule a le numéro 2 : $p_3 = \dfrac{18}{20} = \dfrac{9}{10}$

3 - Avec un arbre pondéré

Dans l'exemple précédent :

Urne 1 2 2/5 3/5 1 2 1/4 3/4 1 2 2/4 2/4

Propriété 3 :

  • Dans un arbre pondéré, la probabilité d'un évènement correspondant à un chemin est égale au produit des probabilités des branches qui composent ce chemin.
  • La somme des probabilités des branches issues d'un même nœud est égale à 1.

Dans l'exemple précédent :

$$$p_1 = \dfrac{2}{5} \times \dfrac{1}{4} = \dfrac{2}{20} = \dfrac{1}{10}$$$

$$$p_2 = \dfrac{2}{5} \times \dfrac{3}{4} + \dfrac{3}{5} \times \dfrac{2}{4} = \dfrac{6}{20} + \dfrac{6}{20} = \dfrac{12}{20} = \dfrac{3}{5}$$$

$$$p_3 = \dfrac{2}{5} \times \dfrac{3}{4} + \dfrac{3}{5} \times \dfrac{2}{4} + \dfrac{3}{5} \times \dfrac{2}{4} = \dfrac{18}{20} = \dfrac{9}{10}$$$

III - Probabilité conditionnelle

Définition 3 : Soit A et B deux évènements avec $p(A) \neq 0$. On appelle probabilité de B sachant que A est réalisé le nombre :
$$ \color{red}{p_A(B) = \frac{p(A \cap B)}{p(A)}} $$

Remarques :

  • La formule précédente s'écrit aussi $p(A \cap B) = p_A(B) \times p(A)$.
  • L'évènement $A \cap B$ est réalisé lorsque l'évènement A est réalisé et l'évènement B est réalisé.

Propriété 4 : Si $p(A) \neq 0$ et $p(B) \neq 0$ alors $\color{red}{p(A \cap B) = p_A(B) \times p(A) = p_B(A) \times p(B)}$.

Application à l'exemple précédent :

On note les évènements : A : "La première boule tirée a le numéro 1." et B : "La deuxième boule tirée a le numéro 1."

On peut refaire l'arbre pondéré avec les notations $A, \overline{A}, B, \overline{B}$ et retrouver les formules littérales de $p_1, p_2, p_3$.

A A p(A) = 2/5 p(A) = 3/5 B B p_A(B) = 1/4 p_A(B) = 3/4 B B p_A(B) = 2/4 p_A(B) = 2/4