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Chapitre 9 – Probabilités 2

BTS  |  Mathématiques  |  Groupements B1, B2, D1, D2

Dernière mise à jour : 1er septembre 2026

Objectifs du chapitre

Situation professionnelle

Contexte : Une technicienne qualité dans une usine de fabrication de composants électroniques doit mettre en place un plan de contrôle des lots de production. L'atelier produit des circuits intégrés avec un taux de défaut moyen de 2 %.

Trois types de problèmes se posent :

  1. Contrôle par lot de 50 pièces : Quelle est la probabilité de trouver exactement 2 pièces défectueuses ? Plus de 3 défectueuses ? Elle utilise la loi binomiale \(B(50;\,0{,}02)\).
  2. Analyse des pannes sur une ligne : La ligne enregistre en moyenne 3 pannes par semaine. Quelle est la probabilité de 0 panne lundi ? Elle utilise la loi de Poisson \(\mathcal{P}(0{,}6)\).
  3. Mesure des dimensions d'une pièce : Le diamètre suit une loi normale \(\mathcal{N}(50\text{ mm};\,0{,}04\text{ mm}^2)\). Quelle est la proportion de pièces hors tolérance \([49{,}6\,;\,50{,}4]\) mm ? Elle utilise la loi normale.

Ces trois situations illustrent les trois lois fondamentales de ce chapitre.

1. Rappels — Loi de Bernoulli et variables aléatoires

Définition

Épreuve de Bernoulli

Une épreuve de Bernoulli de paramètre \(p\) est une expérience aléatoire à deux issues :

La variable aléatoire associée \(X\) suit la loi de Bernoulli \(\mathcal{B}(p)\) :

\[P(X=1) = p \qquad P(X=0) = 1-p\] \[E(X) = p \qquad V(X) = p(1-p)\]
Définition

Espérance et variance d'une variable aléatoire discrète

Si \(X\) prend les valeurs \(x_1, x_2, \ldots, x_n\) avec les probabilités \(p_1, p_2, \ldots, p_n\) :

\[E(X) = \sum_{i=1}^n x_i\,p_i \qquad V(X) = E\!\left[(X - E(X))^2\right] = E(X^2) - [E(X)]^2\]

L'écart-type est \(\sigma(X) = \sqrt{V(X)}\).

Propriété — Combinaisons

Le coefficient binomial \(\dbinom{n}{k}\) (lire "k parmi n") représente le nombre de façons de choisir \(k\) éléments parmi \(n\) :

\[\binom{n}{k} = C_n^k = \frac{n!}{k!\,(n-k)!}\]

Exemples : \(\dbinom{5}{2} = 10\), \(\dbinom{10}{3} = 120\), \(\dbinom{n}{0} = \dbinom{n}{n} = 1\).

Application — Calculer un coefficient binomial

Sur une ligne de conditionnement, un contrôleur prélève un échantillon dans un lot. Calculer \(\dbinom{6}{2}\) puis \(\dbinom{8}{3}\) à l'aide de la formule factorielle.

\[\binom{6}{2} = \frac{6!}{2!\,4!} = \frac{6 \times 5}{2 \times 1} = \frac{30}{2} = 15\] \[\binom{8}{3} = \frac{8!}{3!\,5!} = \frac{8 \times 7 \times 6}{3 \times 2 \times 1} = \frac{336}{6} = 56\]

Réponse : \(\dbinom{6}{2} = \mathbf{15}\) et \(\dbinom{8}{3} = \mathbf{56}\).

2. Loi binomiale \(B(n,p)\)

Définition

Loi binomiale

On répète \(n\) épreuves de Bernoulli indépendantes, chacune de paramètre \(p\). Si \(X\) est le nombre de succès, alors \(X\) suit la loi binomiale \(B(n,\,p)\) :

\[ \boxed{P(X = k) = \binom{n}{k}\,p^k\,(1-p)^{n-k}} \qquad k = 0, 1, 2, \ldots, n \]
Application — Appliquer la formule binomiale

Un opérateur prélève 6 pièces indépendantes sur une machine dont le taux de rebut est de 10 %. Soit \(X\) le nombre de pièces rebutées dans le prélèvement. Calculer \(P(X = 1)\) (arrondir à \(10^{-3}\)).

\(X \sim B(6\,;\,0{,}1)\) : 6 épreuves de Bernoulli indépendantes de paramètre \(p = 0{,}1\).

\[P(X=1) = \binom{6}{1}(0{,}1)^1(0{,}9)^5 = 6 \times 0{,}1 \times 0{,}59049\] \[P(X=1) = 0{,}354294 \approx 0{,}354\]

Réponse : \(P(X=1) \approx \mathbf{0{,}354}\), soit environ 35,4 % de chance d'observer exactement une pièce rebutée.

Propriété

Espérance et variance de \(X \sim B(n,p)\)

\[E(X) = np \qquad V(X) = np(1-p) = npq \qquad \sigma(X) = \sqrt{npq}\]
Exemple 1 — Contrôle qualité (situation professionnelle)

Un lot de 50 composants est prélevé. Le taux de défaut est \(p = 0{,}02\). Soit \(X \sim B(50;\,0{,}02)\).

a) Probabilité d'exactement 2 défectueux :

\[P(X=2) = \binom{50}{2}(0{,}02)^2(0{,}98)^{48} = 1225 \times 0{,}0004 \times (0{,}98)^{48}\] \[(0{,}98)^{48} \approx e^{48\ln 0{,}98} \approx e^{-0{,}974} \approx 0{,}378\] \[P(X=2) \approx 1225 \times 0{,}0004 \times 0{,}378 \approx 0{,}185\]

b) Espérance et écart-type :

\[E(X) = 50 \times 0{,}02 = 1 \quad \text{défectueux en moyenne}\] \[\sigma(X) = \sqrt{50 \times 0{,}02 \times 0{,}98} = \sqrt{0{,}98} \approx 0{,}99\]

c) Probabilité de trouver au plus 3 défectueux :

\[P(X \leq 3) = P(X=0) + P(X=1) + P(X=2) + P(X=3)\] \[P(X=0) = (0{,}98)^{50} \approx 0{,}364\] \[P(X=1) = 50 \times 0{,}02 \times (0{,}98)^{49} \approx 0{,}372\] \[P(X=2) \approx 0{,}186 \qquad P(X=3) \approx 0{,}061\] \[P(X \leq 3) \approx 0{,}364 + 0{,}372 + 0{,}186 + 0{,}061 = 0{,}983\]

Il y a donc environ 98,3 % de chance que le lot ne contienne pas plus de 3 pièces défectueuses.

Exemple 2 — Test en série

Un technicien de maintenance teste 8 fusibles indépendants, chacun ayant 10 % de chance d'être défectueux. Soit \(X \sim B(8;\,0{,}1)\).

\[P(X=0) = (0{,}9)^8 \approx 0{,}430\] \[P(X \geq 1) = 1 - P(X=0) \approx 1 - 0{,}430 = 0{,}570\] \[E(X) = 8 \times 0{,}1 = 0{,}8 \quad \text{fusible défectueux en moyenne}\]

Visualisation de la loi binomiale \(B(n=20;\,p=0{,}3)\)

Exercice

Dans une chaîne de production, 5 % des pièces sont hors tolérance. On prélève un échantillon de 20 pièces.

  1. Quelle loi suit le nombre \(X\) de pièces hors tolérance dans l'échantillon ?
  2. Calculer \(E(X)\) et \(\sigma(X)\).
  3. Calculer \(P(X = 0)\) et \(P(X \geq 2)\).

1. \(X \sim B(20;\,0{,}05)\) — 20 épreuves indépendantes, probabilité de succès 5 %.

2.

\[E(X) = 20 \times 0{,}05 = 1 \qquad \sigma(X) = \sqrt{20 \times 0{,}05 \times 0{,}95} = \sqrt{0{,}95} \approx 0{,}975\]

3.

\[P(X=0) = \binom{20}{0}(0{,}05)^0(0{,}95)^{20} = (0{,}95)^{20} \approx 0{,}358\] \[P(X=1) = \binom{20}{1}(0{,}05)^1(0{,}95)^{19} = 20 \times 0{,}05 \times (0{,}95)^{19}\] \[(0{,}95)^{19} \approx 0{,}377 \Rightarrow P(X=1) \approx 0{,}377\] \[P(X \geq 2) = 1 - P(X=0) - P(X=1) \approx 1 - 0{,}358 - 0{,}377 = 0{,}265\]

Environ 26,5 % de chance de trouver 2 pièces hors tolérance ou plus dans l'échantillon.

3. Loi de Poisson \(\mathcal{P}(\lambda)\)

Définition

Loi de Poisson

Une variable aléatoire \(X\) suit la loi de Poisson de paramètre \(\lambda > 0\) si :

\[ \boxed{P(X = k) = e^{-\lambda}\,\frac{\lambda^k}{k!}} \qquad k = 0, 1, 2, 3, \ldots \]

On note \(X \sim \mathcal{P}(\lambda)\). L'ensemble des valeurs est \(\mathbb{N}\) (sans limite supérieure).

Application — Appliquer la formule de Poisson

Un poste de soudage automatisé produit en moyenne 1,5 défaut par mètre de cordon. Soit \(X\) le nombre de défauts relevés sur un mètre, \(X \sim \mathcal{P}(1{,}5)\). Calculer \(P(X = 0)\) et \(P(X = 2)\) (arrondir à \(10^{-3}\)).

On applique \(P(X=k) = e^{-\lambda}\dfrac{\lambda^k}{k!}\) avec \(\lambda = 1{,}5\) et \(e^{-1{,}5} \approx 0{,}2231\).

\[P(X=0) = e^{-1{,}5}\,\frac{1{,}5^0}{0!} = e^{-1{,}5} \approx 0{,}223\] \[P(X=2) = e^{-1{,}5}\,\frac{1{,}5^2}{2!} = 0{,}2231 \times \frac{2{,}25}{2} = 0{,}2231 \times 1{,}125 \approx 0{,}251\]

Réponse : \(P(X=0) \approx \mathbf{0{,}223}\) et \(P(X=2) \approx \mathbf{0{,}251}\).

Propriété

Espérance et variance de \(X \sim \mathcal{P}(\lambda)\)

\[E(X) = \lambda \qquad V(X) = \lambda \qquad \sigma(X) = \sqrt{\lambda}\]

Pour la loi de Poisson, l'espérance est égale à la variance — propriété caractéristique.

Propriété — Contextes d'application

La loi de Poisson modélise le nombre d'événements rares survenant dans un intervalle de temps ou d'espace donné, lorsque les événements sont :

Exemples : nombre de pannes par semaine, nombre d'appels par heure, nombre de défauts par mètre de câble.

Exemple 1 — Pannes d'une ligne de production

Une ligne de production subit en moyenne 3 pannes par semaine (\(\lambda = 3\)). Soit \(X \sim \mathcal{P}(3)\).

a) Probabilité d'aucune panne :

\[P(X=0) = e^{-3}\,\frac{3^0}{0!} = e^{-3} \approx 0{,}0498\]

Environ 5 % de chance de passer une semaine sans panne.

b) Probabilité d'exactement 2 pannes :

\[P(X=2) = e^{-3}\,\frac{3^2}{2!} = e^{-3} \times \frac{9}{2} \approx 0{,}0498 \times 4{,}5 \approx 0{,}224\]

c) Probabilité d'au moins 4 pannes :

\[P(X \geq 4) = 1 - P(X \leq 3) = 1 - \left[P(0)+P(1)+P(2)+P(3)\right]\] \[P(X=1) = 3e^{-3} \approx 0{,}149 \qquad P(X=3) = e^{-3}\frac{27}{6} \approx 0{,}224\] \[P(X \leq 3) \approx 0{,}050 + 0{,}149 + 0{,}224 + 0{,}224 = 0{,}647\] \[P(X \geq 4) \approx 1 - 0{,}647 = 0{,}353\]
Exemple 2 — Changement d'unité temporelle

Si \(\lambda = 3\) pannes/semaine, alors sur une journée (1/5 de semaine) :

\[\lambda_j = \frac{3}{5} = 0{,}6 \text{ panne/jour}\]

Probabilité de 0 panne un lundi :

\[P(X=0) = e^{-0{,}6} \approx 0{,}549\]

Plus d'une chance sur deux de passer la journée sans panne.

Propriété — Approximation de la binomiale par Poisson

Si \(X \sim B(n, p)\) avec \(n\) grand (\(n \geq 50\)) et \(p\) petit (\(p \leq 0{,}1\)), alors :

\[B(n,\,p) \approx \mathcal{P}(\lambda) \quad \text{avec } \lambda = np\]

Cette approximation simplifie les calculs car \(P(X=k) = e^{-\lambda}\lambda^k/k!\) est plus facile que la formule binomiale pour \(n\) grand.

Exemple 3 — Approximation de Poisson

Sur 200 pièces, le taux de défaut est \(p = 0{,}01\). Soit \(X \sim B(200;\,0{,}01)\).

Conditions : \(n = 200 \geq 50\) et \(p = 0{,}01 \leq 0{,}1\) → on approche par \(\mathcal{P}(\lambda = 2)\).

\[P(X=0) \approx e^{-2} \approx 0{,}135 \qquad P(X=3) \approx e^{-2}\frac{8}{6} \approx 0{,}180\]

Calcul exact avec la binomiale : \(P(X=0) = (0{,}99)^{200} \approx 0{,}134\) — très proche.

4. Loi exponentielle \(\mathcal{E}(\lambda)\)

Les lois binomiale et de Poisson comptent des événements. La loi exponentielle, elle, mesure une durée : le temps qui s'écoule avant qu'un événement se produise (première panne, prochaine arrivée). C'est une loi continue, à valeurs dans \([0\,;+\infty[\).

Définition

Loi exponentielle

Une variable aléatoire continue \(X\), à valeurs positives, suit la loi exponentielle de paramètre \(\lambda > 0\) si sa densité de probabilité est :

\[ \boxed{f(t) = \lambda\,e^{-\lambda t}} \quad \text{pour } t \geq 0, \qquad f(t) = 0 \text{ pour } t < 0 \]

On note \(X \sim \mathcal{E}(\lambda)\). Le paramètre \(\lambda\) est un taux (nombre d'événements par unité de temps).

Propriété — Calcul de probabilités

Les probabilités s'obtiennent directement, sans table, à partir de la fonction de répartition \(F(t) = P(X \leq t)\) :

\[ P(X \leq t) = 1 - e^{-\lambda t} \qquad\qquad P(X > t) = e^{-\lambda t} \] \[ P(a \leq X \leq b) = e^{-\lambda a} - e^{-\lambda b} \]

La quantité \(P(X > t) = e^{-\lambda t}\) s'appelle la fiabilité \(R(t)\) : la probabilité que le composant fonctionne encore après une durée \(t\).

Propriété — Espérance et écart-type \[E(X) = \frac{1}{\lambda} \qquad V(X) = \frac{1}{\lambda^2} \qquad \sigma(X) = \frac{1}{\lambda}\]

L'espérance \(1/\lambda\) s'interprète comme la durée moyenne de fonctionnement (la MTBF — Mean Time Between Failures — en fiabilité). Fait remarquable : espérance et écart-type sont égaux.

Propriété — Absence de mémoire

La loi exponentielle est sans mémoire : pour tous \(s, t \geq 0\),

\[P(X > s + t \mid X > s) = P(X > t)\]

Autrement dit, un composant « ne vieillit pas » sous ce modèle : sachant qu'il a déjà fonctionné \(s\) heures, sa probabilité de tenir \(t\) heures de plus est la même qu'au premier jour. C'est le modèle des pannes accidentelles (indépendantes de l'usure), au cœur de la « courbe en baignoire » de la fiabilité.

Application — Exploiter l'absence de mémoire

La durée de fonctionnement (en heures) d'une carte électronique suit la loi \(\mathcal{E}(\lambda)\) avec \(\lambda = 0{,}001\) h\(^{-1}\). Une carte fonctionne déjà depuis 800 h. Quelle est la probabilité qu'elle fonctionne encore 500 h de plus ? (arrondir à \(10^{-3}\))

On cherche \(P(X > 800 + 500 \mid X > 800)\). La loi exponentielle étant sans mémoire :

\[P(X > 1300 \mid X > 800) = P(X > 500) = e^{-0{,}001 \times 500} = e^{-0{,}5} \approx 0{,}607\]

Réponse : la probabilité vaut environ \(\mathbf{0{,}607}\). Les 800 h déjà effectuées ne changent rien : la carte « ne vieillit pas » sous ce modèle.

Propriété — Lien avec la loi de Poisson

Si les événements surviennent au hasard à un taux moyen \(\lambda\) (le nombre d'événements sur une durée fixe suit alors une loi de Poisson), le temps d'attente entre deux événements consécutifs suit la loi exponentielle \(\mathcal{E}(\lambda)\). Poisson compte, l'exponentielle chronomètre : ce sont les deux faces d'un même processus.

Exemple — Fiabilité d'un composant

La durée de fonctionnement (en heures) d'un relais électronique suit une loi exponentielle de MTBF 5000 h. Le taux de défaillance est donc :

\[\lambda = \frac{1}{E(X)} = \frac{1}{5000} = 0{,}0002 \text{ h}^{-1}\]

a) Probabilité que le relais fonctionne encore après 5000 h :

\[R(5000) = P(X > 5000) = e^{-0{,}0002 \times 5000} = e^{-1} \approx 0{,}368\]

Seulement 36,8 % des relais atteignent leur durée de vie moyenne : la moyenne n'est pas une garantie.

b) Probabilité de tomber en panne avant 2000 h :

\[P(X < 2000) = 1 - e^{-0{,}0002 \times 2000} = 1 - e^{-0{,}4} \approx 1 - 0{,}670 = 0{,}330\]

c) Probabilité d'une panne entre 2000 h et 5000 h :

\[P(2000 \leq X \leq 5000) = e^{-0{,}4} - e^{-1} \approx 0{,}670 - 0{,}368 = 0{,}302\]
Exercice

La durée de vie (en années) d'une pompe de circulation suit une loi exponentielle de paramètre \(\lambda = 0{,}125\) an\(^{-1}\).

  1. Quelle est la durée de vie moyenne de la pompe ?
  2. Calculer la probabilité que la pompe fonctionne encore après 10 ans.
  3. Calculer la probabilité qu'elle tombe en panne au cours des 4 premières années.

1. \(E(X) = \dfrac{1}{\lambda} = \dfrac{1}{0{,}125} = 8\) ans.

2. \(P(X > 10) = e^{-0{,}125 \times 10} = e^{-1{,}25} \approx 0{,}287\) — environ 28,7 %.

3. \(P(X < 4) = 1 - e^{-0{,}125 \times 4} = 1 - e^{-0{,}5} \approx 1 - 0{,}607 = 0{,}393\) — environ 39,3 %.

5. Loi normale \(\mathcal{N}(\mu, \sigma^2)\)

Définition

Loi normale (loi de Gauss)

Une variable aléatoire continue \(X\) suit la loi normale \(\mathcal{N}(\mu, \sigma^2)\) si sa densité de probabilité est :

\[ f(x) = \frac{1}{\sigma\sqrt{2\pi}}\,\exp\!\left(-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}\right) \]
Propriété — Règle des 1, 2, 3 sigmas

Pour \(X \sim \mathcal{N}(\mu, \sigma^2)\) :

\[P(\mu - \sigma \leq X \leq \mu + \sigma) \approx 68{,}27\,\%\] \[P(\mu - 2\sigma \leq X \leq \mu + 2\sigma) \approx 95{,}45\,\%\] \[P(\mu - 3\sigma \leq X \leq \mu + 3\sigma) \approx 99{,}73\,\%\]
Définition

Loi normale centrée réduite \(\mathcal{N}(0,1)\)

C'est la loi normale avec \(\mu = 0\) et \(\sigma = 1\). Sa densité est :

\[ \varphi(z) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\,e^{-z^2/2} \]

La fonction de répartition est notée \(\Phi(z) = P(Z \leq z)\) et se lit dans une table de la loi normale centrée réduite.

Méthode — Standardisation

Pour calculer des probabilités avec \(X \sim \mathcal{N}(\mu, \sigma^2)\), on effectue le changement de variable :

\[ Z = \frac{X - \mu}{\sigma} \sim \mathcal{N}(0,1) \]
Étape 1. Identifier \(\mu\) et \(\sigma\) dans l'énoncé.
Étape 2. Transformer les bornes : \(a \to z_1 = \dfrac{a-\mu}{\sigma}\) et \(b \to z_2 = \dfrac{b-\mu}{\sigma}\).
Étape 3. Lire les valeurs dans la table : \(P(a \leq X \leq b) = \Phi(z_2) - \Phi(z_1)\).
Étape 4. Utiliser la symétrie si nécessaire : \(\Phi(-z) = 1 - \Phi(z)\).

Table de la loi normale centrée réduite (valeurs usuelles)

\(z\)\(\Phi(z) = P(Z \leq z)\)\(P(-z \leq Z \leq z)\)
00,50000 %
0,50,691538,3 %
1,00,841368,3 %
1,280,900080,0 %
1,50,933286,6 %
1,6450,950090,0 %
1,960,975095,0 %
2,00,977295,4 %
2,330,990198,0 %
2,5760,995099,0 %
3,00,998799,7 %
Application — Standardiser et lire la table

La masse (en g) de flacons remplis par une doseuse suit la loi \(\mathcal{N}(20\,;\,4)\), soit \(\mu = 20\) g et \(\sigma = 2\) g. Calculer \(P(X \leq 23)\) puis \(P(X > 23)\) en utilisant la table ci-dessus.

Étape 1. \(\mu = 20\) et \(\sigma = \sqrt{4} = 2\).

Étape 2. Standardisation de la borne :

\[z = \frac{23 - 20}{2} = 1{,}5\]

Étape 3. Lecture dans la table : \(\Phi(1{,}5) = 0{,}9332\).

\[P(X \leq 23) = \Phi(1{,}5) = 0{,}9332 \qquad P(X > 23) = 1 - 0{,}9332 = 0{,}0668\]

Réponse : \(P(X \leq 23) = \mathbf{0{,}9332}\) et \(P(X > 23) = \mathbf{0{,}0668}\), soit environ 6,7 % de flacons au-dessus de 23 g.

Exemple 1 — Contrôle dimensionnel

Le diamètre d'une pièce suit \(\mathcal{N}(50;\,0{,}04)\), soit \(\mu = 50\) mm et \(\sigma = 0{,}2\) mm. La tolérance est \([49{,}6\,;\,50{,}4]\) mm.

Proportion de pièces dans la tolérance :

\[z_1 = \frac{49{,}6 - 50}{0{,}2} = -2 \qquad z_2 = \frac{50{,}4 - 50}{0{,}2} = 2\] \[P(49{,}6 \leq X \leq 50{,}4) = \Phi(2) - \Phi(-2) = \Phi(2) - (1 - \Phi(2)) = 2\Phi(2) - 1\] \[= 2 \times 0{,}9772 - 1 = 0{,}9544 = 95{,}44\,\%\]

Environ 4,56 % des pièces seront hors tolérance — soit environ 46 pièces sur 1000.

Exemple 2 — Probabilité unilatérale

La résistance d'un câble suit \(\mathcal{N}(100\,\Omega;\,9\,\Omega^2)\), soit \(\mu = 100\) et \(\sigma = 3\,\Omega\). Quelle est la probabilité que la résistance dépasse 104 \(\Omega\) ?

\[z = \frac{104 - 100}{3} = \frac{4}{3} \approx 1{,}33\] \[P(X > 104) = 1 - \Phi(1{,}33) \approx 1 - 0{,}9082 = 0{,}0918\]

Il y a environ 9,2 % de chance que la résistance dépasse 104 \(\Omega\).

Exemple 3 — Recherche de quantile

Même câble. Trouver la valeur \(a\) telle que 95 % des câbles ont une résistance inférieure à \(a\).

\[P(X \leq a) = 0{,}95 \Rightarrow \Phi\!\left(\frac{a-100}{3}\right) = 0{,}95\]

Dans la table : \(\Phi(1{,}645) = 0{,}95\), donc :

\[\frac{a-100}{3} = 1{,}645 \Rightarrow a = 100 + 3 \times 1{,}645 = 104{,}9\,\Omega\]

6. Intervalle de confiance

Définition

Intervalle de confiance pour la proportion

On observe \(k\) succès dans un échantillon de taille \(n\). La fréquence observée est \(\hat{p} = k/n\). L'intervalle de confiance au niveau \(1-\alpha\) pour la proportion \(p\) de la population est :

\[ \left[\hat{p} - z_{\alpha/2}\,\frac{\sigma}{\sqrt{n}}\,;\;\hat{p} + z_{\alpha/2}\,\frac{\sigma}{\sqrt{n}}\right] \quad \text{avec } \sigma \approx \sqrt{\hat{p}(1-\hat{p})} \]

Valeurs usuelles de \(z_{\alpha/2}\) :

Application — Construire un intervalle de confiance

Sur un échantillon de 400 pièces prélevées en fin de ligne, 20 sont non conformes. Déterminer l'intervalle de confiance à 95 % du taux de non-conformité \(p\) de la production.

\[\hat{p} = \frac{20}{400} = 0{,}05 \qquad \hat{\sigma} = \sqrt{0{,}05 \times 0{,}95} = \sqrt{0{,}0475} \approx 0{,}218\]

Au niveau 95 %, \(z_{\alpha/2} = 1{,}96\) et \(\sqrt{n} = \sqrt{400} = 20\) :

\[\text{marge d'erreur} = 1{,}96 \times \frac{0{,}218}{20} = 1{,}96 \times 0{,}0109 \approx 0{,}021\] \[IC_{95\%} = [0{,}05 - 0{,}021\,;\;0{,}05 + 0{,}021] = [0{,}029\,;\;0{,}071]\]

Réponse : \(IC_{95\%} = \mathbf{[0{,}029\,;\;0{,}071]}\), soit un taux de non-conformité compris entre 2,9 % et 7,1 % avec 95 % de confiance.

Exemple — IC sur le taux de défaut

Sur 500 pièces contrôlées, 12 sont défectueuses. Construire un intervalle de confiance à 95 % pour le taux de défaut réel \(p\).

\[\hat{p} = \frac{12}{500} = 0{,}024 \qquad \hat{\sigma} = \sqrt{0{,}024 \times 0{,}976} \approx 0{,}153\] \[\text{marge d'erreur} = 1{,}96 \times \frac{0{,}153}{\sqrt{500}} = 1{,}96 \times 0{,}00685 \approx 0{,}0134\] \[IC_{95\%} = [0{,}024 - 0{,}013\,;\;0{,}024 + 0{,}013] = [0{,}011\,;\;0{,}037]\]

On peut affirmer avec 95 % de confiance que le taux de défaut de la production est compris entre 1,1 % et 3,7 %.

7. Approximations entre lois

Propriété — Approximation binomiale → normale

Si \(X \sim B(n,p)\) avec \(n\) grand et \(np \geq 5\) et \(n(1-p) \geq 5\), alors :

\[B(n,p) \approx \mathcal{N}(\mu,\,\sigma^2) \quad \text{avec } \mu = np \text{ et } \sigma^2 = np(1-p)\]

On utilise alors la correction de continuité : \(P(X \leq k) \approx P\!\left(Z \leq \dfrac{k+0{,}5-np}{\sqrt{npq}}\right)\)

Exemple — Approximation normale

Soit \(X \sim B(100;\,0{,}3)\). Calculer \(P(X \leq 25)\) par approximation normale.

\[\mu = 100 \times 0{,}3 = 30 \qquad \sigma = \sqrt{100 \times 0{,}3 \times 0{,}7} = \sqrt{21} \approx 4{,}58\]

Conditions : \(np = 30 \geq 5\) et \(n(1-p) = 70 \geq 5\) ✓

\[P(X \leq 25) \approx P\!\left(Z \leq \frac{25{,}5 - 30}{4{,}58}\right) = P(Z \leq -0{,}98) = 1 - \Phi(0{,}98) \approx 1 - 0{,}8365 = 0{,}164\]
Synthèse des approximations
Loi de départ Approximation Condition
\(B(n,p)\) \(\mathcal{P}(\lambda = np)\) \(n \geq 50\) et \(p \leq 0{,}1\)
\(B(n,p)\) \(\mathcal{N}(np,\,npq)\) \(np \geq 5\) et \(nq \geq 5\)
\(\mathcal{P}(\lambda)\) \(\mathcal{N}(\lambda,\,\lambda)\) \(\lambda \geq 20\)

8. Applications industrielles

7.1 Contrôle qualité par attribut

Exemple — Plan de contrôle

Un atelier décide d'accepter un lot si, parmi 30 pièces prélevées, il y a au plus 2 défectueuses. Le taux de défaut réel d'un lot est \(p\).

Calculer la probabilité d'acceptation pour \(p = 0{,}05\) et \(p = 0{,}15\).

\(X \sim B(30;\,p)\) et on accepte si \(X \leq 2\).

Pour \(p = 0{,}05\) :

\[P(X=0) = (0{,}95)^{30} \approx 0{,}215\] \[P(X=1) = 30 \times 0{,}05 \times (0{,}95)^{29} \approx 0{,}339\] \[P(X=2) = 435 \times (0{,}05)^2 \times (0{,}95)^{28} \approx 0{,}259\] \[P_{\text{accept}} = 0{,}215 + 0{,}339 + 0{,}259 = 0{,}812\]

Pour \(p = 0{,}15\) :

\[P(X=0) = (0{,}85)^{30} \approx 0{,}008\] \[P(X=1) = 30 \times 0{,}15 \times (0{,}85)^{29} \approx 0{,}041\] \[P(X=2) \approx 0{,}100\] \[P_{\text{accept}} \approx 0{,}149\]

Le plan distingue bien les bons lots (81 % d'acceptation à 5 %) des mauvais lots (15 % à 15 %).

7.2 Durée de vie et fiabilité

Exemple — Fiabilité d'un composant

La durée de vie d'un capteur de température suit une loi normale \(\mathcal{N}(5000\text{ h};\,250\,000\text{ h}^2)\), soit \(\mu = 5000\) h et \(\sigma = 500\) h.

a) Probabilité que le capteur tombe en panne avant 4000 h :

\[z = \frac{4000 - 5000}{500} = -2 \Rightarrow P(X < 4000) = \Phi(-2) = 1 - 0{,}9772 = 0{,}023\]

Seulement 2,3 % des capteurs tombent en panne avant 4000 h.

b) Garantie minimale couvrant 90 % des capteurs :

\[P(X \geq t_G) = 0{,}90 \Rightarrow P(X < t_G) = 0{,}10\] \[\Phi\!\left(\frac{t_G - 5000}{500}\right) = 0{,}10 \Rightarrow \frac{t_G-5000}{500} = -1{,}28\] \[t_G = 5000 - 1{,}28 \times 500 = 4360 \text{ h}\]

9. Graphe probabiliste et chaînes de Markov

Jusqu'ici, chaque expérience était isolée. On étudie maintenant un processus aléatoire qui évolue par étapes, où la probabilité de l'état suivant ne dépend que de l'état présent (et non de tout le passé) : c'est une chaîne de Markov.

Définition

Graphe probabiliste

Un graphe probabiliste à \(N\) sommets représente un système pouvant se trouver dans \(N\) états. Chaque flèche porte la probabilité de transition d'un état vers un autre à chaque étape. La somme des probabilités des flèches sortant d'un même sommet vaut toujours 1.

0,9 0,4 0,1 0,6 En marche En panne
Définition

Matrice de transition et état probabiliste

On range les probabilités de transition dans une matrice de transition \(M\) : le coefficient de la ligne \(i\), colonne \(j\), est la probabilité de passer de l'état \(i\) à l'état \(j\). Chaque ligne a pour somme \(1\).

L'état probabiliste à l'étape \(n\) est le vecteur ligne \(P_n = \big(\,p_1\ \ p_2\ \cdots\ p_N\,\big)\) des probabilités d'être dans chaque état. Il évolue par :

\[ \boxed{P_{n+1} = P_n \times M} \qquad\text{d'où}\qquad P_n = P_0 \times M^{\,n} \]
Propriété — Probabilité d'un parcours

La probabilité d'un chemin précis dans le graphe est le produit des probabilités des flèches empruntées.

Exemple — Disponibilité d'une machine

Une machine est chaque jour « en marche » (état 1) ou « en panne » (état 2). D'un jour au suivant :

La matrice de transition est :

\[M = \begin{pmatrix} 0{,}9 & 0{,}1 \\ 0{,}6 & 0{,}4 \end{pmatrix}\]

a) La machine marche aujourd'hui (\(P_0 = (1\ \ 0)\)). État probabiliste demain et après-demain :

\[P_1 = P_0 \times M = (0{,}9\ \ 0{,}1)\] \[P_2 = P_1 \times M = \big(0{,}9\times0{,}9 + 0{,}1\times0{,}6\ \ ;\ \ 0{,}9\times0{,}1 + 0{,}1\times0{,}4\big) = (0{,}87\ \ 0{,}13)\]

Après deux jours, il y a 87 % de chances que la machine soit en marche.

b) Probabilité du parcours « marche → marche → panne » sur trois jours :

\[0{,}9 \times 0{,}1 = 0{,}09\]

c) État stable à long terme : on cherche \(P = (a\ \ b)\) avec \(a + b = 1\) et \(P = P \times M\), c'est-à-dire \(a = 0{,}9a + 0{,}6b\).

\[0{,}1a = 0{,}6b \Rightarrow a = 6b \Rightarrow 6b + b = 1 \Rightarrow b = \tfrac{1}{7} \approx 0{,}143\ ;\quad a = \tfrac{6}{7} \approx 0{,}857\]

À long terme, la machine est disponible environ 85,7 % du temps, quel que soit son état de départ.

Exercice

Un capteur transmet ou non une mesure correcte à chaque cycle. S'il vient de transmettre correctement, il recommence correctement avec probabilité 0,95 ; sinon (erreur), il redevient correct avec probabilité 0,7.

  1. Écrire la matrice de transition \(M\) (état 1 = « correct », état 2 = « erreur »).
  2. Le capteur est correct au cycle 0. Déterminer l'état probabiliste au cycle 2.

1. \(M = \begin{pmatrix} 0{,}95 & 0{,}05 \\ 0{,}7 & 0{,}3 \end{pmatrix}\)

2. \(P_0 = (1\ \ 0)\), donc \(P_1 = (0{,}95\ \ 0{,}05)\).

\[P_2 = (0{,}95\times0{,}95 + 0{,}05\times0{,}7\ \ ;\ \ 0{,}95\times0{,}05 + 0{,}05\times0{,}3)\] \[P_2 = (0{,}9025 + 0{,}035\ \ ;\ \ 0{,}0475 + 0{,}015) = (0{,}9375\ \ 0{,}0625)\]

Au cycle 2, la mesure est correcte avec une probabilité d'environ 93,8 %.

10. Choisir la bonne loi

Méthode — Arbre de décision

Question 1 : La variable est-elle continue ou discrète ?

Question 2 : Compte-t-on des succès dans \(n\) épreuves identiques ?

Approximations disponibles :

Tableau récapitulatif

SituationLoiParamètresFormule \(P(X=k)\)
\(n\) épreuves Bernoulli indép. B(n,p) \(n\), \(p\) \(\dbinom{n}{k}p^k(1-p)^{n-k}\)
Événements rares, taux constant P(λ) \(\lambda = np\) \(e^{-\lambda}\lambda^k/k!\)
Variable continue, symétrique N(μ,σ²) \(\mu\), \(\sigma\) Table après standardisation
Durée de vie, temps d'attente E(λ) \(\lambda = 1/E(X)\) \(P(X>t)=e^{-\lambda t}\)
Processus par étapes (états) Markov matrice \(M\) \(P_{n+1}=P_n\times M\)
Exercice de synthèse

Identifier la loi et résoudre chaque problème :

  1. Un menuisier coupe des planches. La longueur suit \(\mathcal{N}(200\text{ cm};\,0{,}25\text{ cm}^2)\). Quelle proportion de planches mesure entre 199,5 cm et 200,5 cm ?
  2. Un technicien chauffagiste relève en moyenne 2 fuites par chantier sur une installation de chauffage. Quelle est la probabilité d'avoir 0 fuite sur le prochain chantier ?
  3. Un électricien vérifie 15 prises indépendantes dont 8 % présentent un défaut. Quelle est la probabilité qu'exactement 1 prise soit défectueuse ?

1. Loi normale \(\mathcal{N}(200;\,0{,}25)\) — \(\sigma = 0{,}5\) cm

\[z_1 = \frac{199{,}5-200}{0{,}5} = -1 \qquad z_2 = \frac{200{,}5-200}{0{,}5} = 1\] \[P = \Phi(1) - \Phi(-1) = 2\Phi(1)-1 = 2(0{,}8413)-1 = 0{,}6827 = 68{,}3\,\%\]

2. Loi de Poisson \(\mathcal{P}(\lambda=2)\)

\[P(X=0) = e^{-2} \approx 0{,}135\]

Environ 13,5 % de chance d'un chantier sans fuite.

3. Loi binomiale \(B(15;\,0{,}08)\)

\[P(X=1) = \binom{15}{1}(0{,}08)^1(0{,}92)^{14} = 15 \times 0{,}08 \times (0{,}92)^{14}\] \[(0{,}92)^{14} \approx e^{14\ln0{,}92} \approx e^{-1{,}17} \approx 0{,}311\] \[P(X=1) \approx 15 \times 0{,}08 \times 0{,}311 \approx 0{,}373\]

Environ 37,3 % de chance de trouver exactement 1 prise défectueuse.

À retenir — Formules essentielles

Loi binomiale B(n,p)

\[P(X=k) = \binom{n}{k}p^k(1-p)^{n-k}\] \[E(X)=np \qquad V(X)=np(1-p)\]

Loi de Poisson P(λ)

\[P(X=k) = e^{-\lambda}\,\frac{\lambda^k}{k!}\] \[E(X) = \lambda \qquad V(X) = \lambda\]

Loi normale N(μ,σ²)

\[Z = \frac{X-\mu}{\sigma} \sim \mathcal{N}(0,1)\] \[P(a \leq X \leq b) = \Phi(z_2)-\Phi(z_1)\]

Loi exponentielle E(λ)

\[P(X>t) = e^{-\lambda t} \qquad P(X\leq t)=1-e^{-\lambda t}\] \[E(X) = \sigma(X) = \frac{1}{\lambda} \quad\text{(sans mémoire)}\]

Chaîne de Markov

\[P_{n+1} = P_n \times M \qquad P_n = P_0 \times M^{\,n}\]

État stable : \(P = P \times M\) avec \(\sum p_i = 1\).

Approximations

\(n \geq 50\), \(p \leq 0{,}1\) : \(B(n,p) \approx \mathcal{P}(np)\)

\(np \geq 5\), \(nq \geq 5\) : \(B(n,p) \approx \mathcal{N}(np,npq)\)

Règle des sigmas

\[P(\mu \pm \sigma) \approx 68\% \qquad P(\mu \pm 2\sigma) \approx 95\% \qquad P(\mu \pm 3\sigma) \approx 99{,}7\%\]

Intervalle de confiance (niveau \(1-\alpha\))

\[\left[\hat{p} \pm z_{\alpha/2}\sqrt{\frac{\hat{p}(1-\hat{p})}{n}}\right]\]