Version prof → Mathématiques · Lycée général · 1re · Première

Séquence 9 · Variables aléatoires : loi, espérance, écart type et simulation

Un jeu est‑il équitable ? Comment résumer par deux nombres le gain moyen et le risque d'une situation aléatoire ?

Repères pour le professeur

Voie · niveauLycée général · Première
DisciplineMathématiques
Programme officielProgramme de spécialité de mathématiques de 1re générale publié au BO du 2 avril 2026, en vigueur à la rentrée 2026. Épreuve anticipée de mathématiques en fin de 1re à partir de la session 2028 (note de service du 11 septembre 2026).
Place dans le programmeProgramme de spécialité de mathématiques de première générale (BO du 2 avril 2026, en vigueur à la rentrée 2026), partie « Probabilités et statistiques », sections « Variables aléatoires réelles » et « Expérimentations »
Durée totale2 séances + 1 évaluation ≈ 3 h 05
ModalitéEnseignement à distance : classe virtuelle + travail autonome + rendu sur l'ENT

Objectifs et capacités

Objectifs

Capacités travaillées (BO)

Notions et définitions

variable aléatoire réelle, loi de probabiliténotations {X = a}, P(X ≤ a)espérance E(X), jeu équitablevariance, écart type, formule de König‑Huygensmoyenne d'un échantillon simulé

Repères historiques

Ressources de la séquence

Ancrage dans le programme, notions, repères, débats, bibliographie et différenciation, communs à toutes les séances.

Ancrage dans le programme officiel

Capacité attendue : « Modéliser une situation à l'aide d'une variable aléatoire. »

Résolution de problème : « Utiliser la notion d'espérance dans une résolution de problème (mise pour un jeu équitable, etc.). »

Expérimentations : « Simuler une variable aléatoire avec Python ou un tableur. »

Compétences : « L'évaluation doit permettre de repérer les acquis des élèves en lien avec les six compétences mathématiques : chercher, modéliser, représenter, raisonner, calculer, communiquer. »

Épreuve anticipée de mathématiques (fin de 1re, note de service du 11 septembre 2026) : écrite, 2 heures, coefficient 2. « Elle entre en vigueur à compter de l'année scolaire 2026-2027, pour les épreuves présentées au titre la session 2028. » « La première partie est notée sur 6 points et la seconde partie est notée sur 14 points. » « L'usage de la calculatrice n'est pas autorisé pour l'ensemble de l'épreuve. » « La maîtrise de la langue est prise en compte à hauteur de deux points sur vingt » (note de service du 11 septembre 2026 (BO) ; épreuve anticipée de mathématiques (éduscol)).

Notions : définitions rigoureuses

Variable aléatoire
Fonction qui associe un nombre réel à chaque issue d'une expérience aléatoire.
Loi de probabilité
Tableau des valeurs xᵢ et des probabilités pᵢ = P(X = xᵢ), de somme 1.
Espérance
E(X) = Σ xᵢpᵢ : moyenne des valeurs pondérée par les probabilités.
Variance et écart type
V(X) = Σ pᵢ(xᵢ − E(X))² = E(X²) − E(X)² (König‑Huygens) ; σ(X) = √V(X).
Linéarité
E(aX + b) = aE(X) + b et V(aX + b) = a²V(X).
Simulation
La moyenne d'un grand échantillon simulé est en général proche de l'espérance.

Repères

DateÉvénement
1657Huygens définit la « valeur de l'espérance » d'un jeu.
1713Publication de l'Ars conjectandi de Jacques Bernoulli et de la loi des grands nombres.
1812Laplace, Théorie analytique des probabilités.
1933Kolmogorov axiomatise les probabilités : une variable aléatoire est une fonction sur l'univers.

Les historiens en débat

L'espérance est née des questions de jeux et d'assurances au XVIIe siècle : quelle mise est juste ? Il a fallu attendre les années 1930 pour que la variable aléatoire soit définie précisément comme une fonction sur l'univers. Le programme articule ce modèle avec la statistique : la moyenne observée sur un échantillon simulé approche l'espérance. Synthèse du professeur.

Pour aller plus loin

Sources et bibliographie

Différenciation : un rythme de travail différent

Déroulé d'ensemble

SéanceTitreDuréeObjectif
Séance 1Loi et espérance65 minmodéliser un jeu par une variable aléatoire et décider s'il est équitable
Séance 2Variance, écart type et simulation65 minmesurer la dispersion et simuler en Python
ÉvaluationÉvaluation de fin de séquence (/20)55 minVérifier les acquis : connaissances, capacités, rédaction

Chaque séance dure environ 55 minutes à distance : lancement en classe virtuelle ou par message sur l'ENT, recherche du problème (calculatrice, tableur, GeoGebra ou Python dans le navigateur), mise en commun, cours et trace écrite. Les élèves renvoient la fiche à trous et leur production par l'ENT ou en photo.

Séance 1 · Loi et espérance

65 min

Séance approfondie : cours développé, documents sourcés, activités exigeantes, corrigés et barème.

Problématique de la séance

Ce jeu de kermesse est‑il équitable ?

Déroulé minuté à distance

Le cours développé (récit du professeur) · Variable aléatoire et espérance

Une variable aléatoire X associe un nombre réel à chaque issue d'une expérience. Sa loi donne les valeurs xᵢ et les probabilités pᵢ = P(X = xᵢ), dont la somme vaut 1. On note {X = a}, {X ≤ a} les évènements correspondants. L'espérance E(X) = x₁p₁ + x₂p₂ + … + xₙpₙ est la moyenne des valeurs pondérée par les probabilités : c'est la valeur moyenne obtenue « à long terme » en répétant l'expérience. Un jeu est équitable si l'espérance du gain net (gain moins mise) est nulle. Linéarité : E(aX + b) = aE(X) + b.

Document 1 · La roue de la kermesse

Situation-problème.

À la kermesse du lycée, une roue équilibrée a 10 secteurs identiques : 1 secteur rapporte 15 €, 2 secteurs rapportent 5 €, les autres rien. La partie coûte 2 €. Les bénéfices financent une sortie scolaire.

Source : Situation construite pour la séance par le professeur (données fictives, choisies pour être réalistes).

Activité 1 · Chercher

12 min
Essentiel

Supports : Document 1

Consigne :

Modélisez.

  1. Valeurs du gain net G ?
    ✔ Corrigé :

    13 € ; 3 € ; −2 €.

  2. Loi de G ?
    ✔ Corrigé :

    P(G = 13) = 0,1 ; P(G = 3) = 0,2 ; P(G = −2) = 0,7.

  3. E(G) ?
    ✔ Corrigé :

    1,3 + 0,6 − 1,4 = 0,5 €.

Critère de réussitePoints
Résultats justes et justifiés6
Total de l'activité6

Activité 2 · S'entraîner

18 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Interprétez et ajustez.

  1. Le jeu est‑il favorable au joueur ?
    ✔ Corrigé :

    Oui : en moyenne il gagne 0,50 € par partie, l'association perd.

  2. Quel prix rendrait le jeu équitable ?
    ✔ Corrigé :

    Gain brut moyen 1,5 + 1 = 2,5 € : prix 2,50 €.

  3. Si on fixe 3 €, bénéfice moyen pour 200 parties ?
    ✔ Corrigé :

    E(G) = 2,5 − 3 = −0,5 par joueur, soit 100 € pour l'association.

Critère de réussitePoints
Méthode et résultats7
Total de l'activité7

Activité 3 · Communiquer

15 min
Travail à rendre

Supports : Documents et cours

Consigne :

Rédigez une recommandation au foyer (8 lignes) sur le prix de la partie, en expliquant ce que signifie l'espérance. Pour bien commencer : Le gain net moyen d'un joueur est… · L'espérance signifie que… · Je propose donc un prix de…

✔ Corrigé rédigé :

Loi juste ; espérance et interprétation sur un grand nombre de parties ; prix équitable 2,50 € ; proposition d'un prix supérieur pour financer la sortie ; rédaction.

Critère de réussitePoints
Raisonnement5
Rédaction2
Total de l'activité7

Trace écrite (à faire recopier ou à déposer sur l'ENT)

Une variable aléatoire associe un nombre à chaque issue. La somme des probabilités de la loi vaut 1. Un jeu est équitable si l'espérance du gain net est nulle. E(aX + b) = a E(X) + b.

Barème récapitulatif des activités notées

ActivitéPoints
Activité 1 · Chercher6
Activité 2 · S'entraîner7
Activité 3 · Communiquer7
Total20 / 20

Séance 2 · Variance, écart type et simulation

65 min

Séance approfondie : cours développé, documents sourcés, activités exigeantes, corrigés et barème.

Problématique de la séance

Deux placements de même espérance sont‑ils aussi risqués ?

Déroulé minuté à distance

Le cours développé (récit du professeur) · Dispersion d'une variable aléatoire

La variance V(X) = p₁(x₁ − E(X))² + … + pₙ(xₙ − E(X))² mesure la dispersion des valeurs autour de l'espérance ; formule de König‑Huygens : V(X) = E(X²) − E(X)². L'écart type σ(X) = √V(X) s'exprime dans l'unité de X. On a V(aX + b) = a²V(X). Deux variables de même espérance peuvent avoir des écarts types très différents : l'écart type mesure le risque. En Python, on simule X avec random, on calcule la moyenne d'un échantillon de taille n et l'on observe qu'elle s'approche de E(X) quand n est grand, avec des écarts de l'ordre de σ/√n.

Document 1 · Deux stratégies de vente

Situation-problème.

Un commerçant de marché hésite entre deux emplacements. Emplacement A : bénéfice de 100 € avec probabilité 0,5, 60 € avec probabilité 0,5. Emplacement B : bénéfice de 200 € avec probabilité 0,4, 0 € avec probabilité 0,2, 20 € avec probabilité 0,4.

Source : Situation construite pour la séance par le professeur (données fictives, choisies pour être réalistes).

Activité 1 · Chercher

12 min
Essentiel

Supports : Document 1

Consigne :

Comparez.

  1. E(A) et E(B) ?
    ✔ Corrigé :

    80 € et 80 + 0 + 8 = 88 €.

  2. V(A) et σ(A) ?
    ✔ Corrigé :

    E(A²) = 6 800 ; V = 6 800 − 6 400 = 400 ; σ = 20 €.

  3. V(B) et σ(B) ?
    ✔ Corrigé :

    E(B²) = 16 000 + 160 = 16 160 ; V = 16 160 − 7 744 = 8 416 ; σ ≈ 91,7 €.

Critère de réussitePoints
Résultats justes et justifiés6
Total de l'activité6

Activité 2 · Programmer

18 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Étudiez une fonction Python qui simule B : on tire un nombre au hasard entre 0 et 1 ; en dessous de 0,4 le bénéfice vaut 200, entre 0,4 et 0,6 il vaut 0, au‑delà 20.

  1. Pourquoi ces seuils ?
    ✔ Corrigé :

    Ils correspondent aux probabilités 0,4 ; 0,2 ; 0,4.

  2. Que renvoie la moyenne de 1 000 simulations ?
    ✔ Corrigé :

    Une valeur proche de 88.

  3. Pourquoi deux exécutions donnent‑elles des moyennes différentes ?
    ✔ Corrigé :

    Fluctuation d'échantillonnage ; l'écart reste de l'ordre de σ/√1 000 ≈ 2,9.

Critère de réussitePoints
Méthode et résultats7
Total de l'activité7

Activité 3 · Communiquer

15 min
Travail à rendre

Supports : Documents et cours

Consigne :

Conseillez le commerçant (8 lignes) : quel emplacement choisir s'il veut un bénéfice régulier, ou s'il cherche le meilleur bénéfice moyen ? Utilisez espérance et écart type. Pour bien commencer : En moyenne, l'emplacement… rapporte… · Cependant, l'écart type montre que… · Je conseille donc…

✔ Corrigé rédigé :

Espérances 80 et 88 ; écarts types 20 et ≈ 92 ; arbitrage rendement et risque ; référence à la simulation ; conseil nuancé et argumenté.

Critère de réussitePoints
Raisonnement5
Rédaction2
Total de l'activité7

Trace écrite (à faire recopier ou à déposer sur l'ENT)

La variance mesure la dispersion autour de l'espérance. König‑Huygens : V(X) = E(X²) − E(X)². L'écart type s'exprime dans la même unité que X. La moyenne d'un grand échantillon simulé est proche de l'espérance.

Barème récapitulatif des activités notées

ActivitéPoints
Activité 1 · Chercher6
Activité 2 · Programmer7
Activité 3 · Communiquer7
Total20 / 20

Fiche à trous · corrigé

Une variable aléatoire associe un nombre réel à chaque issue.

L'espérance est E(X) = x₁p₁ + … + xₙpₙ.

Un jeu est équitable si l'espérance du gain est nulle.

L'écart type est la racine carrée de la variance.

La version élève contient la même fiche avec une banque de mots (papier ou ENT).

Évaluation de fin de séquence (/20) · barème et corrigé

Évaluation sur 20 à faire en temps limité sur l'ENT ou sur papier, puis à renvoyer en photo ; le corrigé et le barème servent aussi à l'autoévaluation. En Bac Pro, elle est construite comme une situation de contrôle en cours de formation (problème contextualisé, compétences évaluées) ; en 1re générale, elle prépare à l'épreuve anticipée (automatismes sans calculatrice et exercices) ; en Terminale générale, aux exercices indépendants de l'épreuve de spécialité.

N°QuestionBarèmeCorrigé et critères
1X prend les valeurs −2, 0, 3 et 10 avec les probabilités 0,4 ; 0,3 ; 0,2 ; p. Calculez p, P(X ≥ 0) et E(X).4 ptsp = 0,1 ; P(X ≥ 0) = 0,6 ; E(X) = −0,8 + 0 + 0,6 + 1 = 0,8. Un point, un point, deux points.
2Pour la même variable, calculez la variance avec la formule de König‑Huygens et l'écart type, puis E(2X + 1) et V(2X + 1).8 ptsE(X²) = 1,6 + 0 + 1,8 + 10 = 13,4 ; V(X) = 13,4 − 0,64 = 12,76 ; σ ≈ 3,57. E(2X + 1) = 2,6 ; V(2X + 1) = 4 × 12,76 = 51,04. Variance (4 pts), transformations (4 pts).
3Une association propose un jeu de grattage à 2 € : 1 ticket sur 50 gagne 40 €, 1 sur 10 gagne 5 €, les autres rien. Définissez le gain net G, sa loi, son espérance. Le jeu est‑il équitable ? Quel prix rendrait le jeu équitable ? Pour bien commencer : *Je note G le gain net…* · *L'espérance vaut…, ce qui signifie…* · *Pour que le jeu soit équitable, …*8 ptsG ∈ {38 ; 3 ; −2} avec probabilités 0,02 ; 0,1 ; 0,88. E(G) = 0,76 + 0,3 − 1,76 = −0,7 € : défavorable au joueur. Gain brut moyen 0,8 + 0,5 = 1,3 € : prix équitable 1,30 €. Loi (3 pts), espérance (3 pts), conclusion et prix (2 pts).
Total20 pts

Pistes pour un rythme de travail différent