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Exercices – Chapitre 09

Probabilités 2 | BTS | Mathématiques

Dernière mise à jour : 21 octobre 2026

Formules utiles : Bernoulli \(\mathcal{B}(p)\) : \(E(X)=p\), \(V(X)=p(1-p)\). Binomiale \(X\sim B(n,p)\) : \(P(X=k)=\dbinom{n}{k}p^k(1-p)^{n-k}\), \(E(X)=np\), \(V(X)=np(1-p)\). Poisson \(X\sim\mathcal{P}(\lambda)\) : \(P(X=k)=e^{-\lambda}\dfrac{\lambda^k}{k!}\), \(E(X)=V(X)=\lambda\). Normale \(X\sim\mathcal{N}(\mu,\sigma^2)\) : \(Z=\dfrac{X-\mu}{\sigma}\sim\mathcal{N}(0,1)\), \(P(a\leq X\leq b)=\Phi(z_2)-\Phi(z_1)\). Approximations : \(n\geq50\), \(p\leq0{,}1\Rightarrow B(n,p)\approx\mathcal{P}(np)\) ; \(np\geq5\), \(nq\geq5\Rightarrow B(n,p)\approx\mathcal{N}(np,npq)\). Intervalle de confiance : \(\left[\hat p \pm z_{\alpha/2}\sqrt{\dfrac{\hat p(1-\hat p)}{n}}\right]\), avec \(z_{90\%}=1{,}645\), \(z_{95\%}=1{,}96\), \(z_{99\%}=2{,}576\).

1. Rappels et loi binomiale

Exercice 1 — Loi de Bernoulli

Lors d'un test unitaire, un condensateur a une probabilité \(p = 0{,}08\) d'être défectueux. On note \(X\) la variable aléatoire égale à 1 si le condensateur testé est défectueux, et à 0 sinon.

  1. Quelle loi suit \(X\) ? Préciser son paramètre.
  2. Calculer \(E(X)\) et \(V(X)\).

1. \(X\) prend deux valeurs (0 ou 1) avec une probabilité de succès constante : \(X \sim \mathcal{B}(0{,}08)\).

2. \(E(X) = p = 0{,}08\) et \(V(X) = p(1-p) = 0{,}08 \times 0{,}92 = 0{,}0736\).

Exercice 2 — Coefficients binomiaux

Calculer les coefficients binomiaux suivants, en détaillant le calcul pour le premier :

\(\dbinom{6}{2}\)   \(\dbinom{8}{3}\)   \(\dbinom{10}{0}\)   \(\dbinom{10}{10}\)

\(\dbinom{6}{2} = \dfrac{6!}{2!\,4!} = \dfrac{6\times5}{2\times1} = 15\)

\(\dbinom{8}{3} = \dfrac{8!}{3!\,5!} = \dfrac{8\times7\times6}{3\times2\times1} = 56\)

\(\dbinom{10}{0} = 1\) (une seule façon de ne rien choisir)   \(\dbinom{10}{10} = 1\) (une seule façon de tout choisir).

Exercice 3 — Identification et calcul direct

Un responsable qualité prélève au hasard 10 vis dans un très grand stock où le taux de non-conformité est de 5 %. On admet que les tirages sont indépendants. On note \(X\) le nombre de vis non conformes parmi les 10 prélevées.

  1. Justifier que \(X\) suit une loi binomiale et préciser ses paramètres.
  2. Calculer \(P(X=0)\) puis \(P(X=1)\) (arrondir à \(10^{-4}\) près).

1. On répète 10 épreuves de Bernoulli indépendantes (« vis non conforme » / « vis conforme »), chacune de paramètre \(p=0{,}05\) : \(X \sim B(10\,;\,0{,}05)\).

2. \(P(X=0) = \dbinom{10}{0}(0{,}05)^0(0{,}95)^{10} = (0{,}95)^{10} \approx 0{,}5987\).

\(P(X=1) = \dbinom{10}{1}(0{,}05)^1(0{,}95)^{9} = 10 \times 0{,}05 \times (0{,}95)^{9} \approx 0{,}3151\).

Exercice 4 — Espérance, variance et écart-type

Sur une chaîne d'assemblage automobile, le taux de rebut d'un composant plastique est de 3 %. On prélève un échantillon de 40 pièces. Soit \(X\) le nombre de pièces rebutées, \(X \sim B(40\,;\,0{,}03)\).

  1. Calculer \(E(X)\) et interpréter le résultat.
  2. Calculer \(V(X)\) puis \(\sigma(X)\) (arrondir à \(10^{-3}\) près).

1. \(E(X) = np = 40 \times 0{,}03 = 1{,}2\). On peut donc s'attendre, en moyenne, à 1,2 pièce rebutée par échantillon de 40.

2. \(V(X) = np(1-p) = 40 \times 0{,}03 \times 0{,}97 = 1{,}164\). \(\sigma(X) = \sqrt{1{,}164} \approx 1{,}079\).

Exercice 5 — Probabilités « au plus » et « au moins »

Un technicien de maintenance teste 6 capteurs de température pris au hasard sur un lot où 20 % des capteurs présentent un défaut de calibration. Les tests sont indépendants. Soit \(X\) le nombre de capteurs défectueux, \(X \sim B(6\,;\,0{,}2)\).

  1. Calculer \(P(X=0)\) et \(P(X=1)\).
  2. En déduire \(P(X \leq 1)\) puis \(P(X \geq 2)\).

1. \(P(X=0) = (0{,}8)^6 \approx 0{,}2621\).

\(P(X=1) = \dbinom{6}{1}(0{,}2)^1(0{,}8)^5 = 6 \times 0{,}2 \times (0{,}8)^5 \approx 0{,}3932\).

2. \(P(X \leq 1) = P(X=0)+P(X=1) \approx 0{,}2621+0{,}3932 = 0{,}6554\).

\(P(X \geq 2) = 1 - P(X \leq 1) \approx 1 - 0{,}6554 = 0{,}3446\). Il y a donc environ 34,5 % de chance de trouver au moins 2 capteurs défectueux.

2. Loi de Poisson

Exercice 6 — Calcul direct de probabilités

Un centre d'appels d'un service après-vente reçoit en moyenne 4 réclamations par heure, de façon indépendante et à taux constant. Soit \(X\) le nombre de réclamations reçues durant une heure donnée, \(X \sim \mathcal{P}(4)\).

  1. Justifier l'utilisation de la loi de Poisson dans ce contexte.
  2. Calculer \(P(X=0)\) et \(P(X=2)\) (arrondir à \(10^{-4}\) près).

1. Les réclamations sont des événements indépendants, survenant à un taux moyen constant (4 par heure) : cela correspond bien au cadre de la loi de Poisson.

2. \(P(X=0) = e^{-4}\dfrac{4^0}{0!} = e^{-4} \approx 0{,}0183\).

\(P(X=2) = e^{-4}\dfrac{4^2}{2!} = e^{-4}\times 8 \approx 0{,}1465\).

Exercice 7 — Probabilité « au moins un »

Un serveur informatique industriel subit en moyenne 1,5 incident par jour. Soit \(X\) le nombre d'incidents un jour donné, \(X \sim \mathcal{P}(1{,}5)\).

  1. Calculer la probabilité qu'aucun incident ne survienne durant la journée.
  2. En déduire la probabilité qu'au moins un incident survienne.

1. \(P(X=0) = e^{-1{,}5} \approx 0{,}2231\).

2. \(P(X \geq 1) = 1 - P(X=0) \approx 1 - 0{,}2231 = 0{,}7769\). Il y a donc environ 77,7 % de chance qu'au moins un incident survienne dans la journée.

Exercice 8 — Changement d'unité temporelle

Un atelier de production enregistre en moyenne 6 incidents mineurs par semaine de 5 jours ouvrés.

  1. Déterminer le paramètre \(\lambda_j\) de la loi de Poisson associée au nombre d'incidents pour une journée donnée.
  2. Calculer la probabilité qu'un jour donné se déroule sans aucun incident.

1. Le taux hebdomadaire \(\lambda = 6\) se répartit sur 5 jours : \(\lambda_j = \dfrac{6}{5} = 1{,}2\) incident par jour.

2. \(P(X=0) = e^{-1{,}2} \approx 0{,}3012\). Il y a donc environ 30,1 % de chance qu'un jour se déroule sans incident.

Exercice 9 — Approximation binomiale → Poisson

Un contrôle porte sur 300 composants électroniques prélevés dans une très grande production où le taux de défaut est \(p=0{,}008\). Soit \(X\) le nombre de composants défectueux, \(X \sim B(300\,;\,0{,}008)\).

  1. Vérifier que les conditions d'approximation par une loi de Poisson sont réunies, et donner le paramètre \(\lambda\) de la loi approchée.
  2. Calculer \(P(X=0)\) avec l'approximation de Poisson, puis comparer avec la valeur exacte donnée par la loi binomiale : \(P(X=0)_{\text{exact}} = (0{,}992)^{300} \approx 0{,}0898\).

1. \(n = 300 \geq 50\) et \(p = 0{,}008 \leq 0{,}1\) : les conditions sont vérifiées. \(\lambda = np = 300 \times 0{,}008 = 2{,}4\).

2. \(P(X=0) \approx e^{-2{,}4} \approx 0{,}0907\).

La valeur exacte est \(0{,}0898\) : l'approximation de Poisson (0,0907) est très proche de la valeur exacte, ce qui justifie son emploi pour simplifier les calculs lorsque \(n\) est grand.

Comparaison graphique — loi binomiale exacte et approximation de Poisson

Le diagramme suivant compare les probabilités \(P(X=k)\) exactes de la loi \(B(300\,;\,0{,}008)\) et celles de l'approximation \(\mathcal{P}(2{,}4)\) pour \(k=0\) à \(8\) (données de l'exercice 9).

3. Loi normale

Exercice 10 — Probabilité bilatérale et zone de tolérance

Le diamètre d'un axe usiné suit une loi normale \(\mathcal{N}(30\,;\,0{,}0225)\), en millimètres, soit \(\mu = 30\) mm et \(\sigma = 0{,}15\) mm. La tolérance de fabrication impose un diamètre compris entre 29,7 mm et 30,3 mm.

  1. Standardiser les deux bornes de l'intervalle de tolérance.
  2. En déduire la proportion d'axes dans la tolérance, puis la proportion d'axes hors tolérance.

1. \(z_1 = \dfrac{29{,}7-30}{0{,}15} = -2 \qquad z_2 = \dfrac{30{,}3-30}{0{,}15} = 2\)

2. \(P(29{,}7 \leq X \leq 30{,}3) = \Phi(2) - \Phi(-2) = 2\Phi(2) - 1 = 2\times0{,}9772 - 1 = 0{,}9545\).

Environ 95,4 % des axes sont dans la tolérance, donc environ 4,6 % sont hors tolérance.

Exercice 11 — Probabilité unilatérale

La masse d'une pièce moulée suit une loi normale \(\mathcal{N}(500\,;\,64)\), en grammes, soit \(\mu = 500\) g et \(\sigma = 8\) g. Une pièce est rejetée si sa masse dépasse 512 g.

  1. Standardiser la valeur 512 g.
  2. Calculer la probabilité qu'une pièce prélevée au hasard soit rejetée.

1. \(z = \dfrac{512-500}{8} = \dfrac{12}{8} = 1{,}5\)

2. \(P(X > 512) = 1 - \Phi(1{,}5) \approx 1 - 0{,}9332 = 0{,}0668\). Il y a donc environ 6,7 % de chance qu'une pièce soit rejetée pour excès de masse.

Exercice 12 — Recherche de quantile

La durée de vie d'un roulement à billes industriel suit une loi normale \(\mathcal{N}(8\,000\,;\,160\,000)\), en heures, soit \(\mu = 8\,000\) h et \(\sigma = 400\) h. Un fabricant souhaite fixer une durée de garantie \(t_G\) telle que seulement 10 % des roulements tombent en panne avant cette durée.

  1. Écrire l'équation vérifiée par \(t_G\) en termes de \(\Phi\).
  2. À l'aide de la table (\(\Phi(1{,}28) = 0{,}9000\) et \(\Phi(-1{,}28) = 1 - 0{,}9000 = 0{,}1000\)), déterminer \(t_G\).

1. On cherche \(t_G\) tel que \(P(X < t_G) = 0{,}10\), soit \(\Phi\!\left(\dfrac{t_G-8\,000}{400}\right) = 0{,}10\).

2. Par symétrie, \(\Phi(-1{,}28) = 0{,}10\), donc \(\dfrac{t_G-8\,000}{400} = -1{,}28\).

\(t_G = 8\,000 - 1{,}28 \times 400 = 8\,000 - 512 = 7\,488\) h.

Le fabricant peut donc garantir 7 488 heures : seuls 10 % des roulements tomberont en panne avant cette échéance.

Exercice 13 — Règle des sigmas

Une machine de découpe laser produit des pièces dont la longueur suit une loi normale \(\mathcal{N}(150\,;\,0{,}25)\), en millimètres, soit \(\mu = 150\) mm et \(\sigma = 0{,}5\) mm.

  1. Donner les intervalles \([\mu-\sigma\,;\,\mu+\sigma]\), \([\mu-2\sigma\,;\,\mu+2\sigma]\) et \([\mu-3\sigma\,;\,\mu+3\sigma]\).
  2. Indiquer, pour chacun, la proportion de pièces concernées.

1 et 2.

\([\mu-\sigma\,;\,\mu+\sigma] = [149{,}5\,;\,150{,}5]\) mm — environ 68,27 % des pièces.

\([\mu-2\sigma\,;\,\mu+2\sigma] = [149\,;\,151]\) mm — environ 95,45 % des pièces.

\([\mu-3\sigma\,;\,\mu+3\sigma] = [148{,}5\,;\,151{,}5]\) mm — environ 99,73 % des pièces.

Exercice 14 — Approximation binomiale → normale (correction de continuité)

Sur une ligne de production, le taux de défaut est de 4 %. On prélève un échantillon de 200 pièces. Soit \(X\) le nombre de pièces défectueuses, \(X \sim B(200\,;\,0{,}04)\).

  1. Vérifier que les conditions d'approximation par une loi normale sont réunies, et donner les paramètres \(\mu\) et \(\sigma\) de la loi approchée.
  2. En utilisant la correction de continuité, calculer une valeur approchée de \(P(X \leq 10)\).

1. \(np = 200\times0{,}04 = 8 \geq 5\) et \(n(1-p) = 200\times0{,}96 = 192 \geq 5\) : les conditions sont vérifiées.

\(\mu = np = 8\) et \(\sigma = \sqrt{np(1-p)} = \sqrt{200\times0{,}04\times0{,}96} = \sqrt{7{,}68} \approx 2{,}771\).

2. Avec la correction de continuité :

\[P(X \leq 10) \approx P\!\left(Z \leq \frac{10{,}5-8}{2{,}771}\right) = P(Z \leq 0{,}902) = \Phi(0{,}902) \approx 0{,}8165\]

(À titre de comparaison, le calcul exact avec la loi binomiale donne \(P(X\leq10) \approx 0{,}8200\) : l'approximation normale est très satisfaisante.)

4. Intervalle de confiance

Exercice 15 — Construction d'un intervalle de confiance

Sur 400 pièces contrôlées en fin de chaîne, 18 sont non conformes. On souhaite estimer le taux de non-conformité réel \(p\) de la production par un intervalle de confiance au niveau 95 %.

  1. Calculer la fréquence observée \(\hat p\).
  2. Déterminer l'intervalle de confiance à 95 % pour \(p\) (arrondir à \(10^{-4}\) près).

1. \(\hat p = \dfrac{18}{400} = 0{,}045\).

2. \(\hat\sigma = \sqrt{\hat p(1-\hat p)} = \sqrt{0{,}045\times0{,}955} \approx 0{,}2073\).

Marge d'erreur : \(1{,}96 \times \dfrac{0{,}2073}{\sqrt{400}} = 1{,}96 \times \dfrac{0{,}2073}{20} \approx 0{,}0203\).

\[IC_{95\%} = [0{,}045-0{,}0203\,;\,0{,}045+0{,}0203] = [0{,}0247\,;\,0{,}0653]\]

On peut affirmer avec 95 % de confiance que le taux de non-conformité réel de la production est compris entre 2,47 % et 6,53 %.

Exercice 16 — Comparaison de niveaux de confiance

Un responsable de maintenance relève, sur 150 mesures de température effectuées dans une chambre froide, que 9 sont en dehors de la plage acceptable. On note \(\hat p\) la fréquence observée de mesures hors plage.

  1. Calculer \(\hat p\) et \(\hat\sigma = \sqrt{\hat p(1-\hat p)}\).
  2. Déterminer l'intervalle de confiance à 90 %, puis à 99 %, pour le taux réel \(p\) de mesures hors plage (arrondir à \(10^{-4}\) près).
  3. Comparer la largeur des deux intervalles obtenus et expliquer pourquoi.

1. \(\hat p = \dfrac{9}{150} = 0{,}06\) et \(\hat\sigma = \sqrt{0{,}06\times0{,}94} \approx 0{,}2375\).

2. Marge à 90 % : \(1{,}645 \times \dfrac{0{,}2375}{\sqrt{150}} \approx 1{,}645 \times 0{,}0194 \approx 0{,}0319\).

\[IC_{90\%} = [0{,}06-0{,}0319\,;\,0{,}06+0{,}0319] = [0{,}0281\,;\,0{,}0919]\]

Marge à 99 % : \(2{,}576 \times 0{,}0194 \approx 0{,}0500\).

\[IC_{99\%} = [0{,}06-0{,}0500\,;\,0{,}06+0{,}0500] = [0{,}0100\,;\,0{,}1100]\]

3. L'intervalle à 99 % (largeur \(\approx0{,}1000\)) est plus large que celui à 90 % (largeur \(\approx0{,}0638\)) : plus on exige un niveau de confiance élevé, plus l'intervalle doit être large pour « avoir des chances » de contenir la vraie valeur de \(p\).

5. Synthèse — choisir la bonne loi

Exercice 17 — Identifier la loi adaptée

Pour chacune des situations suivantes, identifier la loi de probabilité à utiliser (binomiale, Poisson ou normale), préciser ses paramètres, puis répondre à la question posée.

  1. Une menuiserie industrielle découpe des panneaux dont l'épaisseur suit \(\mathcal{N}(18\,;\,0{,}01)\) mm. Quelle est la proportion de panneaux d'épaisseur comprise entre 17,8 mm et 18,2 mm ?
  2. Un standard téléphonique reçoit en moyenne 5 appels par quart d'heure. Quelle est la probabilité de ne recevoir aucun appel durant un quart d'heure donné ?
  3. Un contrôleur vérifie 12 soudures indépendantes sur un circuit imprimé, sachant que 6 % des soudures présentent un défaut. Quelle est la probabilité qu'exactement une soudure soit défectueuse ?

1. Loi normale — variable continue (épaisseur mesurée), \(\mathcal{N}(18\,;\,0{,}01)\), donc \(\sigma = 0{,}1\) mm.

\[z_1 = \frac{17{,}8-18}{0{,}1} = -2 \qquad z_2 = \frac{18{,}2-18}{0{,}1} = 2\] \[P = 2\Phi(2)-1 = 2\times0{,}9772-1 = 0{,}9545\]

Environ 95,4 % des panneaux ont une épaisseur conforme.

2. Loi de Poisson \(\mathcal{P}(\lambda=5)\) — comptage d'événements rares (appels) à taux constant, sans nombre d'épreuves fixé.

\[P(X=0) = e^{-5} \approx 0{,}0067\]

Moins de 1 % de chance de ne recevoir aucun appel sur ce quart d'heure.

3. Loi binomiale \(B(12\,;\,0{,}06)\) — 12 épreuves indépendantes de Bernoulli de paramètre \(p=0{,}06\).

\[P(X=1) = \binom{12}{1}(0{,}06)^1(0{,}94)^{11} = 12\times0{,}06\times(0{,}94)^{11}\] \[(0{,}94)^{11} \approx 0{,}5063 \Rightarrow P(X=1) \approx 12\times0{,}06\times0{,}5063 \approx 0{,}3645\]

Environ 36,5 % de chance de trouver exactement une soudure défectueuse.