Pas de panique ! Même si tu découvres la loi binomiale aujourd'hui, on va la dompter ensemble. On part des bases : probabilités, épreuves indépendantes, et on construit pas à pas. Objectif : être capable de reconnaître une situation de loi binomiale et de calculer des premières probabilités. Accroche-toi, c'est parti !
Les prérequis indispensables
Pour aborder la loi binomiale, tu dois maîtriser :
- Calculer une probabilité simple : $P(\text{événement}) = \frac{\text{nombre d'issues favorables}}{\text{nombre total d'issues}}$ quand les issues sont équiprobables.
- Comprendre l'indépendance : deux épreuves sont indépendantes si le résultat de l'une n'influence pas le résultat de l'autre. Exemple : lancer un dé plusieurs fois.
- Construire et lire un arbre pondéré pour visualiser les répétitions.
Épreuve et schéma de Bernoulli
Une épreuve de Bernoulli de paramètre $p$ est une expérience aléatoire ayant exactement deux issues : succès (probabilité $p$) et échec (probabilité $1-p$), avec $0 \lt p \lt 1$.
Un schéma de Bernoulli de paramètres $n$ et $p$ consiste à répéter $n$ fois la même épreuve de Bernoulli, de façon indépendante.
Exemple : lancer 4 fois un dé équilibré, succès = « obtenir un 6 ». Chaque lancer est une épreuve de Bernoulli de paramètre $p=1/6$, les 4 lancers forment un schéma de Bernoulli $n=4$, $p=1/6$.
Variable aléatoire et loi binomiale
On note $X$ la variable aléatoire qui compte le nombre de succès dans les $n$ épreuves. On dit que $X$ suit une loi binomiale de paramètres $n$ et $p$, et on écrit $X \sim \mathcal{B}(n, p)$.
La probabilité d'obtenir exactement $k$ succès ($k$ entre 0 et $n$) est :
$$P(X = k) = \binom{n}{k} p^{k} (1-p)^{n-k}$$
- $\binom{n}{k}$ est le coefficient binomial, « $k$ parmi $n$ » : nombre de façons de choisir les $k$ positions des succès. On le calcule avec la touche nCr de la calculatrice ou par $\binom{n}{k} = \dfrac{n!}{k!(n-k)!}$.
- $p^{k}$ : probabilité que les $k$ succès se réalisent.
- $(1-p)^{n-k}$ : probabilité que les $n-k$ échecs se réalisent.
Espérance : $E(X) = n p$, c'est le nombre moyen de succès attendu.
À toi de jouer
- On tire avec remise 6 boules d'une urne contenant 4 boules rouges et 6 bleues. $X$ = nombre de boules rouges. Loi binomiale ? $\underline{\hspace{1.1em}}$ ; si oui, $n = \underline{\hspace{1.1em}}$, $p = \underline{\hspace{1.1em}}$.
- On tire sans remise 5 cartes d'un jeu de 52. $X$ = nombre d'as. Loi binomiale ? $\underline{\hspace{1.1em}}$ ; si oui, $n = \underline{\hspace{1.1em}}$, $p = \underline{\hspace{1.1em}}$.
- On lance 8 fois une pièce truquée (Pile avec prob. $0{,}3$). $X$ = nombre de Pile. Loi binomiale ? $\underline{\hspace{1.1em}}$ ; si oui, $n = \underline{\hspace{1.1em}}$, $p = \underline{\hspace{1.1em}}$.
Corrigé
$X$ suit une loi binomiale : $X \sim \mathcal{B}(n=\underline{\hspace{1.1em}},\ p=\underline{\hspace{1.1em}})$.
Calcule $P(X=2)$ en complétant :
$\binom{4}{2}=\underline{\hspace{1.1em}}$
$P(X=2) = \binom{4}{2} \times (p)^{2} \times (1-p)^{4-2} = \underline{\hspace{1.1em}} \times \left(\frac{\underline{\hspace{1.1em}}}{\underline{\hspace{1.1em}}}\right)^2 \times \left(\frac{\underline{\hspace{1.1em}}}{\underline{\hspace{1.1em}}}\right)^\underline{\hspace{1.1em}}$
$P(X=2) = \underline{\hspace{1.1em}} \times \frac{\underline{\hspace{1.1em}}}{\underline{\hspace{1.1em}}} \times \frac{\underline{\hspace{1.1em}}}{\underline{\hspace{1.1em}}} = \frac{\underline{\hspace{1.1em}}}{\underline{\hspace{1.1em}}} \approx \underline{\hspace{1.1em}}$ (arrondir au millième).
Corrigé
$P(X=0)$ (aucun 6) : $\binom{4}{0}=\underline{\hspace{1.1em}}$ ; $P(X=0) = \underline{\hspace{1.1em}} \times \left(\frac{1}{6}\right)^\underline{\hspace{1.1em}} \times \left(\frac{5}{6}\right)^\underline{\hspace{1.1em}} = \left(\frac{5}{6}\right)^4 = \underline{\hspace{1.1em}}$ (arrondi au millième).
$P(X=4)$ (que des 6) : $\binom{4}{4}=\underline{\hspace{1.1em}}$ ; $P(X=4) = \underline{\hspace{1.1em}} \times \left(\frac{1}{6}\right)^\underline{\hspace{1.1em}} \times \left(\frac{5}{6}\right)^\underline{\hspace{1.1em}} = \left(\frac{1}{6}\right)^4 = \underline{\hspace{1.1em}}$ (arrondi au millième).
Que remarques-tu ? $\underline{\hspace{1.1em}}$ (somme des probas ?).
Corrigé
Tu as déjà une première idée : une loi binomiale, c'est compter des succès dans une répétition. Maintenant, on remet tout au propre avec une méthode infaillible pour ne plus jamais se tromper. C'est reparti pour une deuxième couche de cours et des exercices bien calibrés.
Rappel structuré : loi binomiale $\mathcal{B}(n,p)$
Définition : $X$ suit une loi binomiale $\mathcal{B}(n, p)$ si elle compte le nombre de succès lors de la répétition indépendante de $n$ épreuves de Bernoulli identiques, de paramètre $p$.
Formule : pour tout $k\in\{0,1,\dots,n\}$, $$P(X=k)=\binom{n}{k}p^k(1-p)^{n-k}.$$ Espérance : $E(X)=np$.
Erreurs à éviter :
- Oublier le coefficient binomial $\binom{n}{k}$.
- Inverser $p^k$ et $(1-p)^{n-k}$ (le $p$ est pour les succès).
- Appliquer la loi binomiale sans remise (tirage exhaustif).
- Confondre $E(X)=np$ avec une probabilité.
Méthode pas à pas
- Vérifier que l'expérience est un schéma de Bernoulli : épreuves identiques et indépendantes à deux issues.
- Définir le succès et sa probabilité $p$.
- Repérer $n$ le nombre d'épreuves.
- Écrire $X\sim\mathcal{B}(n,p)$.
- Pour calculer $P(X=k)$, appliquer la formule. Utiliser la calculatrice pour $\binom{n}{k}$ et les puissances.
- Pour $P(X\ge 1)$, penser à $1-P(X=0)=1-(1-p)^n$.
À toi de jouer
- Justifie que $X$ suit une loi binomiale et donne ses paramètres.
Complète : Les 5 questions sont indépendantes et identiques (même probabilité). Succès = bonne réponse, $p= \underline{\hspace{1.1em}}$, $n=\underline{\hspace{1.1em}}$, donc $X\sim\mathcal{B}(\underline{\hspace{1.1em}},\underline{\hspace{1.1em}})$. - Calcule $P(X=0)$.
$P(X=0) = \binom{5}{\underline{\hspace{1.1em}}} \times \left(\frac{1}{3}\right)^\underline{\hspace{1.1em}} \times \left(\frac{\underline{\hspace{1.1em}}}{3}\right)^5 = \left(\frac{\underline{\hspace{1.1em}}}{3}\right)^5 = \underline{\hspace{1.1em}}$ (fraction simplifiée, puis arrondir à $10^{-3}$). - Calcule $P(X=2)$.
$\binom{5}{2} = \underline{\hspace{1.1em}}$ ; $P(X=2) = \underline{\hspace{1.1em}} \times \left(\frac{1}{3}\right)^\underline{\hspace{1.1em}} \times \left(\frac{2}{3}\right)^\underline{\hspace{1.1em}} = \frac{\underline{\hspace{1.1em}}}{\underline{\hspace{1.1em}}} \approx \underline{\hspace{1.1em}}$.
Corrigé
- Complète la loi de $X$ : $X\sim\mathcal{B}(\underline{\hspace{1.1em}}, \underline{\hspace{1.1em}})$.
- Calcule $P(X=3)$ :
$\binom{10}{3} = \underline{\hspace{1.1em}}$ ; $P(X=3) = \underline{\hspace{1.1em}} \times (0{,}25)^\underline{\hspace{1.1em}} \times (0{,}75)^\underline{\hspace{1.1em}} = \underline{\hspace{1.1em}}$ (arrondir à $10^{-3}$). - Calcule la probabilité qu'au moins un élève porte des lunettes : $P(X\ge 1) = 1 - P(X= \underline{\hspace{1.1em}}) = 1 - \underline{\hspace{1.1em}}^{10} \approx \underline{\hspace{1.1em}}$.
Corrigé
- Justifie la loi de $X$ et donne ses paramètres.
- Calcule la probabilité qu'il atteigne le centre exactement 5 fois.
Corrigé
Tu maîtrises la formule ? Parfait ! Fais tourner la mécanique sans te poser de questions. Cinq exos identiques en surface, mais bourrés de bonnes habitudes. Prêt pour le drill ?
À toi de jouer
$P(X=0) = \binom{6}{\underline{\hspace{1.1em}}} \times 0{,}4^\underline{\hspace{1.1em}} \times 0{,}6^\underline{\hspace{1.1em}} = \underline{\hspace{1.1em}}$ (arrondis à $10^{-3}$).
Corrigé
$P(X=1) = \binom{6}{\underline{\hspace{1.1em}}} \times 0{,}4^\underline{\hspace{1.1em}} \times 0{,}6^\underline{\hspace{1.1em}} = \underline{\hspace{1.1em}}$ (arrondis à $10^{-3}$).
Corrigé
$P(X=2) = \binom{6}{\underline{\hspace{1.1em}}} \times 0{,}4^\underline{\hspace{1.1em}} \times 0{,}6^\underline{\hspace{1.1em}} = \underline{\hspace{1.1em}}$ (arrondis à $10^{-3}$).
Corrigé
Corrigé
Corrigé
C'est l'heure du grand test ! Tu vas affronter des problèmes comme en devoir surveillé. Prends ton temps, rédige clairement, n'oublie pas les arrondis et les interprétations. Montre que tu as tout compris !
À toi de jouer
- On tire au sort, sans remise, 6 jetons d'un sac contenant 5 jetons gagnants et 15 jetons perdants. $X$ = nombre de jetons gagnants.
- On lance 12 fois une pièce équilibrée. $X$ = nombre de Face.
- Un élève répond au hasard à un QCM de 10 questions avec 5 choix chacune. $X$ = nombre de bonnes réponses.
Corrigé
- Justifier que $X$ suit une loi binomiale et donner ses paramètres.
- Calculer $P(X=0)$ (arrondir à $10^{-3}$).
- Calculer $P(X=2)$ (arrondir à $10^{-3}$).
- En déduire la probabilité qu'il ait au moins une bonne réponse.
Corrigé
- Donner la loi de $X$.
- Calculer l'espérance $E(X)$ et interpréter.
- Calculer $P(X=5)$ (arrondir à $10^{-3}$).
Corrigé
- Quelle loi suit $X$ ?
- Calculer $P(X=0)$ (arrondir à $10^{-4}$).
- En déduire la probabilité qu'il y ait au moins un défectueux. Que représente cet événement ?
Corrigé
a) On répète $25$ fois de manière identique et indépendante une épreuve de Bernoulli dont le succès est « le composant est défectueux » de probabilité $p = 0{,}03$. La variable aléatoire $X$ compte le nombre de succès.
Ainsi, $X$ suit la loi binomiale de paramètres $n = 25$ et $p = 0{,}03$, ce que l'on note $X \sim \mathcal{B}(25 ; 0{,}03)$.
b) On cherche à calculer la probabilité d'obtenir $0$ composant défectueux :
$P(X=0) = \binom{25}{0} \times 0{,}03^0 \times (1-0{,}03)^{25} = 0{,}97^{25}$
En arrondissant à $10^{-4}$ près, la calculatrice te donne :
$P(X=0) \approx 0{,}4670$.
c) L'événement « obtenir au moins un composant défectueux » (noté $X \ge 1$) est l'événement contraire de « n'obtenir aucun composant défectueux » (noté $X=0$).
On calcule sa probabilité ainsi :
$P(X \ge 1) = 1 - P(X=0) \approx 1 - 0{,}4670 = 0{,}5330$.
Cet événement représente le fait d'avoir au moins un composant présentant un défaut dans ton lot de $25$ composants.
- Donner la loi de $X$.
- Calculer $P(X=10)$.
- Calculer $P(X=9)$.
- En déduire $P(X\ge 9)$ et interpréter.
- Calculer $E(X)$. Quel est le nombre moyen de réussites attendu ?
Corrigé
Envie d'aller plus loin ? Voici des problèmes qui te préparent à la terminale. Tu vas manipuler la loi binomiale pour chercher des tailles d'échantillon, combiner des épreuves, et même ébaucher un test statistique. Prêt à repousser tes limites ?
À toi de jouer
- Quelle est la loi de $X$ ?
- Exprimer $P(X\ge 1)$ en fonction de $n$.
- Déterminer le plus petit entier $n$ tel que la probabilité d'obtenir au moins une réponse favorable dépasse 99%.
Corrigé
- Quelles lois suivent $X$ et $Y$ ?
- Peut-on considérer que $Z$ est le nombre de Pile en 9 lancers ? Pourquoi ?
- En déduire la loi de $Z$.
- Calculer $P(Z=5)$.
Corrigé
- Quelle loi suit $X$ si le laboratoire a raison ?
- Calculer $P(X\le 13)$.
- Si la probabilité d'obtenir un résultat aussi bas que 13 guérisons (ou pire) est inférieure à 5%, on peut douter de l'affirmation. Que décider ?
Corrigé
a) Si le laboratoire a raison, la guérison de chaque patient est un succès de probabilité $p = 0{,}8$. Comme le médecin teste le médicament sur $n = 20$ patients de manière indépendante, la variable aléatoire $X$ suit la loi binomiale de paramètres $n = 20$ et $p = 0{,}8$. On note : $X \sim \mathcal{B}(20 ; 0{,}8)$.
b) Pour calculer $P(X \le 13)$, tu peux utiliser la fonction de répartition de ta calculatrice. On obtient :
$P(X \le 13) \approx 0{,}087$ (arrondi à $10^{-3}$).
c) On compare la probabilité obtenue au seuil de $5\%$ :
Comme $0{,}087 \ge 0{,}05$, la probabilité d'obtenir un résultat de 13 guérisons ou moins n'est pas inférieure à $5\%$. Par conséquent, on ne peut pas rejeter l'affirmation du laboratoire. Les 13 guérisons observées ne permettent pas de remettre en cause le taux de guérison de $80\%$.