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Séquence 9 · Sommes de variables aléatoires, concentration et loi des grands nombres

Pourquoi un sondage sur 1 000 personnes est‑il fiable, et comment mesurer le risque de se tromper ?

Bonjour !

Dans cette séquence de mathématiques, tu vas chercher à répondre à la grande question écrite en haut de la page. Elle se fait en 2 séances. Pour chaque séance : lis la consigne, étudie les documents, réponds aux questions sur ta feuille ou sur l'ENT, puis recopie l'essentiel dans ton cahier. Tu peux imprimer cette page avec le bouton « Imprimer ».

À la fin, je serai capable de :

Les mots importants

somme de variables aléatoires, E(X + Y)variance d'une somme de variables indépendantesmoyenne d'un échantillon Mₙ, V(Mₙ) = V(X)/ninégalité de Bienaymé‑Tchebychevinégalité de concentration, loi des grands nombres

Ressources de la séquence

Les notions, les repères et les pistes pour aller plus loin, utiles pour toutes les séances.

Les notions à maîtriser

Linéarité de l'espérance
E(X + Y) = E(X) + E(Y) et E(aX) = aE(X), sans hypothèse d'indépendance.
Variance d'une somme
Si X et Y sont indépendantes, V(X + Y) = V(X) + V(Y) ; V(aX) = a²V(X).
Échantillon
n variables X₁, …, Xₙ indépendantes de même loi ; Sₙ = X₁ + … + Xₙ, Mₙ = Sₙ/n ; E(Mₙ) = μ, V(Mₙ) = V(X)/n.
Bienaymé‑Tchebychev
P(|X − E(X)| ≥ δ) ≤ V(X)/δ² pour δ > 0.
Concentration
P(|Mₙ − μ| ≥ δ) ≤ V(X)/(nδ²).
Loi des grands nombres
Pour tout δ > 0, P(|Mₙ − μ| ≥ δ) tend vers 0 quand n tend vers +∞.

Repères

DateÉvénement
1713L'Ars conjectandi de Jacques Bernoulli énonce la loi des grands nombres.
1853Bienaymé établit l'inégalité, publiée en 1867.
1867Tchebychev la démontre indépendamment.
1933Kolmogorov fonde axiomatiquement le calcul des probabilités.

Pour aller plus loin

Sources et bibliographie

Mon parcours : je choisis mon rythme

Séance 1 · Sommes de variables aléatoires

65 min

Séance approfondie : cours développé, documents sourcés, activités exigeantes avec coups de pouce.

La question du jour

Combien de temps faut‑il pour un parcours en plusieurs étapes ?

Mon plan de travail

Le cours à lire · Linéarité et additivité

Pour deux variables aléatoires X et Y sur le même univers, E(X + Y) = E(X) + E(Y) et E(aX + b) = aE(X) + b : la linéarité permet de calculer une espérance sans connaître la loi. Si X et Y sont indépendantes, V(X + Y) = V(X) + V(Y) ; en général V(aX) = a²V(X). Application : une variable binomiale S de paramètres n et p est la somme de n variables de Bernoulli indépendantes, d'où E(S) = np et V(S) = np(1 − p). Pour un échantillon X₁, …, Xₙ de même loi que X (espérance μ, variance V), la somme Sₙ a pour espérance nμ et variance nV ; la moyenne Mₙ = Sₙ/n a pour espérance μ et variance V/n.

Document 1 · La livraison en trois étapes

Situation-problème.

Un livreur effectue trois étapes indépendantes. Les durées (en minutes) ont pour espérances 12, 20 et 8 et pour écarts types 3, 4 et 2.

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 :

Calculez.

  1. Durée totale moyenne ?
  2. Variance et écart type de la durée totale ?
  3. Pourquoi ne pas additionner les écarts types (3 + 4 + 2 = 9) ?

Ce qui est attendu (6 pts) : Résultats justes et justifiés

Activité 2 · S'entraîner

18 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Appliquez.

  1. S ∼ B(50 ; 0,3) : E(S), V(S).
  2. Moyenne M de 25 lancers d'un dé : E(M), V(M) (V(X) = 35/12).
  3. E(X − Y) et V(X − Y) pour X, Y indépendantes ?

Ce qui est attendu (7 pts) : Méthode et résultats

Activité 3 · Communiquer

15 min
Travail à rendre

Supports : Documents et cours

Consigne :

Rédigez une note pour la plateforme de livraison (8 lignes) : durée moyenne, dispersion, et pourquoi la dispersion relative diminue quand on regroupe beaucoup de livraisons. Pour bien commencer : La durée totale a pour espérance… · Grâce à l'indépendance, la variance… · Pour n livraisons, la moyenne…

Ce qui est attendu (7 pts) : Raisonnement · Rédaction

Trace écrite · document à compléter (papier ou ENT)

Complète la trace écrite avec les mots de la banque, puis recopie-la dans ton cahier.

npsommeV/nvariances

L'espérance d'une somme est la ______ des espérances. Pour des variables indépendantes, les _________ s'additionnent. La moyenne Mₙ d'un échantillon a pour variance ______. Une variable binomiale B(n ; p) a pour espérance ______.

Séance 2 · Concentration et loi des grands nombres

65 min

Séance approfondie : cours développé, documents sourcés, activités exigeantes avec coups de pouce.

La question du jour

Combien de personnes interroger pour un sondage fiable ?

Mon plan de travail

Le cours à lire · Inégalités de concentration

Inégalité de Bienaymé‑Tchebychev : pour tout δ > 0, P(|X − E(X)| ≥ δ) ≤ V(X)/δ² ; elle montre que la variance contrôle la dispersion (avec δ = 2σ, la probabilité d'un écart d'au moins deux écarts types est au plus 1/4). Appliquée à Mₙ : inégalité de concentration P(|Mₙ − μ| ≥ δ) ≤ V(X)/(nδ²). Quand n tend vers +∞, ce majorant tend vers 0 : c'est la loi (faible) des grands nombres. Pour une proportion, X suit une loi de Bernoulli de variance p(1 − p) ≤ 1/4 : on choisit n pour que 1/(4nδ²) soit inférieur au risque accepté. Ces majorations sont prudentes : la réalité est souvent bien meilleure.

Document 1 · Le sondage

Situation-problème.

Un institut veut estimer la proportion p de lycéens favorables à un nouveau calendrier, avec une précision de 0,05 et un risque d'erreur au plus égal à 10 %.

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 :

Dimensionnez.

  1. Écrivez l'inégalité de concentration pour Mₙ.
  2. Majorez p(1 − p).
  3. Taille n suffisante ?

Ce qui est attendu (6 pts) : Résultats justes et justifiés

Activité 2 · Programmer

18 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Étudiez un programme Python qui simule N = 1 000 échantillons de taille n = 1 000 avec p = 0,4 et compte la proportion d'échantillons pour lesquels |Mₙ − 0,4| ≥ 0,05.

  1. Valeur garantie par l'inégalité ?
  2. Ordre de grandeur observé en simulation ?
  3. Que montre la simulation quand n augmente ?

Ce qui est attendu (7 pts) : Méthode et résultats

Activité 3 · Communiquer

15 min
Travail à rendre

Supports : Documents et cours

Consigne :

Rédigez un encadré pour une affiche de vulgarisation (8 à 10 lignes) : « Pourquoi peut‑on se fier à un sondage ? » avec la loi des grands nombres et la taille d'échantillon calculée. Pour bien commencer : Plus l'échantillon est grand, plus… · L'inégalité de concentration garantit que… · Attention cependant : …

Ce qui est attendu (7 pts) : Raisonnement · Rédaction

Trace écrite · document à compléter (papier ou ENT)

Complète la trace écrite avec les mots de la banque, puis recopie-la dans ton cahier.

01/4concentrationV(X)/δ²

L'inégalité de Bienaymé‑Tchebychev majore la probabilité d'un écart par _______. L'inégalité de _____________ s'applique à la moyenne d'un échantillon. Quand n tend vers +∞, le majorant tend vers ______. Pour une proportion, la variance est au plus ______.

Fiche à trous · je complète

Complète le texte avec les mots de la banque (sur papier ou dans le document de l'ENT).

0E(Y)V(X)/nV(Y)

Pour toutes variables aléatoires X et Y, E(X + Y) = E(X) + ______.

Si X et Y sont indépendantes, V(X + Y) = V(X) + ______.

La variance de la moyenne d'un échantillon de taille n vaut ______.

Selon la loi des grands nombres, la probabilité que |Mₙ − μ| ≥ δ tend vers ______.

Ce que j'ai appris

Les 3 idées que je retiens :
Une méthode ou une formule que je veux retenir :
Ce qui reste difficile pour moi / ma question pour le professeur :