Exercices – Calcul des probabilités
BTS SIO SISR 2e année – Option mathématiques approfondies – M4
Note
Trois niveaux : socle, format épreuve, pour aller plus loin. Les valeurs sont données à \(10^{-4}\) près ; utilise la calculatrice ou Python.
Niveau 1 – Socle
Exercice 1 – Une variable aléatoire discrète
Un incident coûte \(0\) € avec la probabilité \(0{,}7\), \(1\,000\) € avec \(0{,}2\) et \(5\,000\) € avec \(0{,}1\). Calculer l'espérance, la variance et l'écart type du coût.
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\(E = 0 \times 0{,}7 + 1000 \times 0{,}2 + 5000 \times 0{,}1 = 700\) €.
\(\sum p_i x_i^2 = 0{,}2 \times 10^{6} + 0{,}1 \times 25 \times 10^{6} = 2{,}7 \times 10^{6}\), donc \(V = 2\,700\,000 - 700^2 = 2\,210\,000\) et \(\sigma \approx 1\,487\) €.
Le coût moyen est de 700 € par incident, mais la dispersion est grande : le risque est loin d'être négligeable.
Exercice 2 – Loi binomiale
Sur un lot de 20 disques, chacun est défectueux avec la probabilité \(0{,}03\), indépendamment. \(X\) est le nombre de disques défectueux.
- Quelle est la loi de \(X\) ? Donner \(E(X)\) et \(\sigma(X)\).
- Calculer \(P(X = 0)\) et \(P(X \ge 2)\).
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- \(X \sim \mathcal{B}(20\,;\,0{,}03)\), \(E = 20 \times 0{,}03 = 0{,}6\), \(V = 20 \times 0{,}03 \times 0{,}97 = 0{,}582\), \(\sigma \approx 0{,}763\).
- \(P(X = 0) = 0{,}97^{20} \approx 0{,}5438\). \(P(X \ge 2) = 1 - P(X \le 1) \approx 0{,}1198\), soit environ 12 % de chances d'avoir au moins deux disques défectueux dans le lot.
Niveau 2 – Format épreuve
Exercice 3 – Loi de Poisson
Un service reçoit en moyenne 2 incidents par jour, modélisés par une loi de Poisson \(\mathcal{P}(2)\).
- Calculer la probabilité de n'avoir aucun incident, puis exactement 3 incidents.
- Calculer la probabilité d'avoir au moins 5 incidents.
- L'équipe tient une permanence renforcée à partir de 5 incidents. À quelle fréquence est-elle déclenchée ?
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- \(P(X = 0) = e^{-2} \approx 0{,}1353\) ; \(P(X = 3) = e^{-2}\dfrac{2^3}{3!} \approx 0{,}1804\).
- \(P(X \ge 5) = 1 - P(X \le 4) \approx 0{,}0527\).
- Environ \(5{,}3\) % des jours, soit à peu près un jour sur 19, donc environ 19 fois par an : la permanence est rare mais pas exceptionnelle, il faut la prévoir.
Exercice 4 – Loi normale
Le temps de réponse d'une application suit une loi normale de moyenne \(100\) ms et d'écart type \(8\) ms.
- Calculer \(P(X \le 105)\) et \(P(90 \le X \le 110)\).
- Quel temps \(t\) est dépassé dans seulement \(5\) % des cas ?
- Le contrat impose 95 % des réponses sous 115 ms. Est-il respecté ?
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- \(P(X \le 105) \approx 0{,}7340\). Pour \(P(90 \le X \le 110)\), \(z = \pm 1{,}25\), donc \(P \approx 0{,}7887\).
- On cherche \(t\) tel que \(P(X \le t) = 0{,}95\) : \(t = 100 + 1{,}645 \times 8 \approx 113{,}2\) ms.
- Comme \(113{,}2 < 115\), au moins 95 % des réponses sont sous 115 ms : le contrat est respecté, avec une marge d'environ 2 ms.
Niveau 3 – Pour aller plus loin
Exercice 5 – De la binomiale à Poisson
Sur 200 transmissions, chacune échoue avec la probabilité \(0{,}01\). \(X\) est le nombre d'échecs.
- Donner la loi exacte de \(X\), puis la loi de Poisson qui l'approche.
- Comparer \(P(X = 0)\) et \(P(X = 3)\) pour les deux lois.
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- \(X \sim \mathcal{B}(200\,;\,0{,}01)\), d'espérance \(200 \times 0{,}01 = 2\) : on approche par \(\mathcal{P}(2)\).
- Binomiale : \(P(X = 0) = 0{,}99^{200} \approx 0{,}1340\), \(P(X = 3) \approx 0{,}1814\). Poisson : \(0{,}1353\) et \(0{,}1804\). Les valeurs sont très proches (écart inférieur à \(10^{-2}\)), ce qui justifie l'approximation quand \(n\) est grand et \(p\) petit.
Exercice 6 – Une sonde de détection d'intrusion
Sur un parc, 2 % des postes sont compromis. Une sonde signale 90 % des postes compromis, mais signale aussi à tort 5 % des postes sains.
- Construire l'arbre pondéré (sous forme de tableau des chemins) et calculer la probabilité qu'un poste soit signalé.
- Un poste est signalé. Quelle est la probabilité qu'il soit réellement compromis ? Commenter.
- Les événements « compromis » et « signalé » sont-ils indépendants ?
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- On note \(C\) « compromis » et \(S\) « signalé ». \(P(C \cap S) = 0{,}02 \times 0{,}9 = 0{,}018\) ; \(P(\overline{C} \cap S) = 0{,}98 \times 0{,}05 = 0{,}049\). Probabilités totales : \(P(S) = 0{,}018 + 0{,}049 = 0{,}067\).
- \(P_S(C) = \dfrac{0{,}018}{0{,}067} \approx 0{,}269\). Seulement 27 % des alertes concernent un vrai poste compromis : comme les postes compromis sont rares, les fausses alertes dominent. Une alerte doit donc être vérifiée avant d'isoler le poste.
- \(P(C) \times P(S) = 0{,}02 \times 0{,}067 = 0{,}00134 \ne 0{,}018\) : non indépendants (heureusement, sinon la sonde ne servirait à rien).
Exercice 7 – Approximation normale
Sur 1 000 connexions, chacune échoue avec la probabilité 0,03, indépendamment. \(X\) est le nombre d'échecs.
- Donner la loi de \(X\), son espérance et son écart type.
- Justifier qu'on peut approcher \(X\) par une loi normale, et estimer \(P(X \ge 40)\) avec la correction de continuité.
- Comparer à la valeur exacte donnée par la calculatrice, \(0{,}0437\).
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- \(X \sim \mathcal{B}(1000\,;\,0{,}03)\) ; \(E(X) = 30\) ; \(\sigma = \sqrt{1000 \times 0{,}03 \times 0{,}97} = \sqrt{29{,}1} \approx 5{,}394\).
- \(n = 1000 \ge 30\), \(np = 30 \ge 5\), \(n(1-p) = 970 \ge 5\). Avec \(Y \sim \mathcal{N}(30\,;\,5{,}394)\) : \(P(X \ge 40) \approx P(Y \ge 39{,}5) \approx 0{,}039\).
- L'écart est d'environ 0,005 : l'approximation donne le bon ordre de grandeur (environ 4 %), mais elle est moins précise ici car \(p\) est petit et la loi binomiale n'est pas symétrique.