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Licence 1 · Probabilités L1 — Espaces de probabilité et variables aléatoires discrètes

Espaces de probabilité et axiomes

Espaces de probabilité

1. Vocabulaire

- Expérience aléatoire : expérience dont l'issue est imprévisible.
- Univers Ω\Omega : ensemble de toutes les issues possibles.
- Événement : sous-ensemble de Ω\Omega.

2. Axiomes de Kolmogorov

Une probabilité P:F[0,1]P : \mathcal{F} \to [0,1] vérifie :
1. P(Ω)=1P(\Omega) = 1
2. σ\sigma-additivité : (An)(A_n) deux à deux disjoints P(nAn)=nP(An)\Rightarrow P(\bigcup_n A_n) = \sum_n P(A_n)

3. Propriétés fondamentales

- P()=0P(\emptyset) = 0, P(Aˉ)=1P(A)P(\bar{A}) = 1 - P(A)
- P(AB)=P(A)+P(B)P(AB)P(A\cup B) = P(A)+P(B)-P(A\cap B)
- Probabilité conditionnelle : P(AB)=P(AB)P(B)P(A|B) = \frac{P(A\cap B)}{P(B)} si P(B)>0P(B)>0
- Indépendance : P(AB)=P(A)P(B)P(A\cap B) = P(A)P(B)

4. Formule de Bayes

P(BjA)=P(ABj)P(Bj)iP(ABi)P(Bi)P(B_j|A) = \frac{P(A|B_j)P(B_j)}{\sum_i P(A|B_i)P(B_i)}

Formule des probabilités totales : si (Bi)(B_i) est une partition de Ω\Omega :

P(A)=iP(ABi)P(Bi)P(A) = \sum_i P(A|B_i)P(B_i)

Exercices de la leçon

Exercice 1

On lance un dé équilibré à 6 faces. La probabilité d'obtenir un 5 est :

Corrigé

Univers Ω={1,2,3,4,5,6}\Omega=\{1,2,3,4,5,6\}, issues équiprobables de probabilité 1/61/6. Donc P({5})=1/6P(\{5\})=1/6.

Exercice 2

Vrai ou faux : P(A)+P(Aˉ)=1P(A)+P(\bar{A})=1 pour tout événement AA.

Corrigé

AA et Aˉ\bar{A} sont disjoints avec AAˉ=ΩA\cup\bar{A}=\Omega. Par σ\sigma-additivité : P(A)+P(Aˉ)=P(Ω)=1P(A)+P(\bar{A})=P(\Omega)=1.

Exercice 3

Si P(A)=0.3P(A)=0.3, P(B)=0.4P(B)=0.4 avec A,BA,B disjoints, quelle est P(AB)P(A\cup B) ?

Corrigé

Disjoints : P(AB)=P(A)+P(B)=0.3+0.4=0.7P(A\cup B)=P(A)+P(B)=0.3+0.4=0.7.

Exercice 4

Vrai ou faux : Si ABA\subset B, alors P(A)P(B)P(A)\leq P(B).

Corrigé

B=A(BA)B=A\cup(B\setminus A) (union disjointe), donc P(B)=P(A)+P(BA)P(A)P(B)=P(A)+P(B\setminus A)\geq P(A).

Exercice 5

Si P(A)=0.5P(A)=0.5, P(B)=0.4P(B)=0.4, P(AB)=0.2P(A\cap B)=0.2, quelle est P(AB)P(A\cup B) ?

Corrigé

Inclusion-exclusion : P(AB)=0.5+0.40.2=0.7P(A\cup B)=0.5+0.4-0.2=0.7.

Exercice 6

Deux événements A,BA,B indépendants avec P(A)=0.4P(A)=0.4, P(B)=0.5P(B)=0.5. Quelle est P(AB)P(A\cap B) ?

Corrigé

Indépendance : P(AB)=P(A)P(B)=0.4×0.5=0.2P(A\cap B)=P(A)P(B)=0.4\times0.5=0.2.

Exercice 7

Vrai ou faux : A,BA,B disjoints avec P(A)>0P(A)>0 et P(B)>0P(B)>0 sont indépendants.

Corrigé

Faux. P(AB)=0P(A\cap B)=0 mais P(A)P(B)>0P(A)P(B)>0, donc P(AB)P(A)P(B)P(A\cap B)\neq P(A)P(B) : ils ne sont pas indépendants.

Exercice 8

P(B1)=0.3P(B_1)=0.3, P(B2)=0.7P(B_2)=0.7, P(AB1)=0.8P(A|B_1)=0.8, P(AB2)=0.2P(A|B_2)=0.2. Calculer P(B1A)P(B_1|A).

Corrigé

Bayes :
P(A)=P(AB1)P(B1)+P(AB2)P(B2)=0.24+0.14=0.38P(A)=P(A|B_1)P(B_1)+P(A|B_2)P(B_2)=0.24+0.14=0.38.
P(B1A)=0.8×0.30.38=0.240.38=12190.632P(B_1|A)=\frac{0.8\times0.3}{0.38}=\frac{0.24}{0.38}=\frac{12}{19}\approx0.632.

Exercice 9

Vrai ou faux : Si P(AB)=P(A)P(A|B)=P(A), alors AA et BB sont indépendants.

Corrigé

Vrai (si P(B)>0P(B)>0). P(AB)=P(A)P(A|B)=P(A) implique P(AB)=P(A)P(B)P(A\cap B)=P(A)P(B), définition de l'indépendance.

Exercice 10

On joue à pile ou face 3 fois. Probabilité d'exactement 2 piles ?

Corrigé

Ω\Omega a 23=82^3=8 issues. Issues à 2 piles : PPF, PFP, FPP — 3 cas. P=3/8P=3/8.

Exercice 11

Trois machines produisent 50%, 30%, 20% avec taux de défauts 1%, 2%, 3%. Une pièce est défectueuse. Probabilité qu'elle vienne de M2M_2 ?

Corrigé

P(D)=0.01×0.5+0.02×0.3+0.03×0.2=0.005+0.006+0.006=0.017P(D)=0.01\times0.5+0.02\times0.3+0.03\times0.2=0.005+0.006+0.006=0.017.
P(M2D)=0.02×0.30.017=0.0060.017=61735.3%P(M_2|D)=\frac{0.02\times0.3}{0.017}=\frac{0.006}{0.017}=\frac{6}{17}\approx35.3\%.

Exercice 12

Vrai ou faux : Si A,B,CA,B,C sont deux à deux indépendants, alors ils sont mutuellement indépendants.

Corrigé

Faux. Contre-exemple de Bernstein : indépendance deux à deux n'implique pas P(ABC)=P(A)P(B)P(C)P(A\cap B\cap C)=P(A)P(B)P(C).

Exercice 13

Montrer que si A,BA,B indépendants, alors A,BˉA,\bar{B} le sont aussi.

Corrigé

P(ABˉ)=P(A)P(AB)=P(A)P(A)P(B)=P(A)(1P(B))=P(A)P(Bˉ)P(A\cap\bar{B})=P(A)-P(A\cap B)=P(A)-P(A)P(B)=P(A)(1-P(B))=P(A)P(\bar{B}). \square

Exercice 14

Vrai ou faux : P(ABC)=P(A)+P(B)+P(C)P(AB)P(AC)P(BC)+P(ABC)P(A\cup B\cup C)=P(A)+P(B)+P(C)-P(A\cap B)-P(A\cap C)-P(B\cap C)+P(A\cap B\cap C).

Corrigé

Vrai. C'est la formule d'inclusion-exclusion (Poincaré) à 3 événements.

Exercice 15

Calculer P(AˉBˉ)P(\bar{A}\cap\bar{B}) en fonction de P(A)P(A), P(B)P(B), P(AB)P(A\cap B).

Corrigé

P(AˉBˉ)=P(AB)=1P(AB)=1P(A)P(B)+P(AB)P(\bar{A}\cap\bar{B})=P(\overline{A\cup B})=1-P(A\cup B)=1-P(A)-P(B)+P(A\cap B).

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