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Séquence 4 · Probabilités : arbres pondérés, probabilités totales et indépendance

Comment calculer la proportion de pièces défectueuses quand plusieurs machines produisent avec des taux de défaut différents ?

Repères pour le professeur

Voie · niveauLycée professionnel (Bac Pro) · Terminale
DisciplineMathématiques
Programme officielProgramme de mathématiques de Terminale professionnelle, BO spécial n°1 du 6 février 2020 : suites géométriques, fonctions exponentielles et logarithme décimal (module mis en oeuvre avec la physique-chimie). Certification : arrêté du 17 juin 2020.
Place dans le programmeProgramme de mathématiques de terminale professionnelle (BO spécial n°1 du 6 février 2020), domaine « Statistique et probabilités », module « Probabilités » (groupements A, B et C)
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

arbre pondéré : noeud, branche, cheminprobabilité conditionnelle P_A(B)probabilité d'un cheminformule des probabilités totalesindépendance : P(A ∩ B) = P(A) × P(B)

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

Objectif du module : « L'objectif de ce module est de modéliser des situations aléatoires par des arbres de probabilités pondérés afin de déterminer des probabilités. »

Probabilités totales : « La formule des probabilités totales est systématiquement mise en relation avec un arbre de probabilités pondéré et appliquée sans formalisme. »

Indépendance : « La notion d'indépendance est formalisée. »

Compétences : « valider : critiquer un résultat, argumenter ; contrôler la vraisemblance d'une conjecture ; mener un raisonnement logique et établir une conclusion »

Certification (arrêté du 17 juin 2020, annexe III) : en contrôle en cours de formation, deux situations d'évaluation en première et terminale : « Ces situations d'évaluation ont chacune une durée de quarante-cinq minutes environ et sont notées sur 10 points. » « Un exercice au moins comporte une ou deux questions dont la résolution se fait en présence de l'examinateur. » Pour les candidats hors CCF : « L'épreuve, d'une durée d'une heure, est une évaluation écrite et pratique, notée sur 20 points se déroule en fin de cursus de formation. »

Notions : définitions rigoureuses

Arbre pondéré
Schéma de noeuds et de branches portant des probabilités ; les branches issues d'un noeud ont une somme égale à 1.
Probabilité conditionnelle
P_A(B) : probabilité de B sachant que A est réalisé ; elle se lit sur la branche de A vers B.
Chemin
P(A ∩ B) = P(A) × P_A(B).
Probabilités totales
P(B) = P(A ∩ B) + P(Ā ∩ B) : on additionne les chemins menant à B.
Indépendance
A et B sont indépendants si P(A ∩ B) = P(A) × P(B), c'est‑à‑dire si P_A(B) = P(B).

Repères

DateÉvénement
1763Publication posthume de l'essai de Thomas Bayes sur la probabilité des causes.
1814Laplace publie l'Essai philosophique sur les probabilités.
1924Walter Shewhart invente la carte de contrôle pour surveiller la qualité industrielle.
Aujourd'huiLes arbres de probabilités servent en contrôle qualité, en assurance et en santé.

Les historiens en débat

Les arbres pondérés traduisent visuellement les règles de calcul de Laplace : on multiplie le long d'un chemin, on additionne les chemins. Ils sont devenus un outil quotidien du contrôle qualité depuis les travaux de Shewhart, et de la médecine pour interpréter les tests de dépistage. Synthèse du professeur.

Pour aller plus loin

Sources et bibliographie

Différenciation : un rythme de travail différent

Déroulé d'ensemble

SéanceTitreDuréeObjectif
Séance 1Construire et lire un arbre65 minreprésenter une situation par un arbre et calculer des chemins
Séance 2Probabilités totales et indépendance65 minappliquer la formule des probabilités totales et tester l'indépendance
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 · Construire et lire un arbre

65 min

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

Problématique de la séance

D'où viennent les pièces défectueuses ?

Déroulé minuté à distance

Le cours développé (récit du professeur) · Arbres pondérés

Un arbre pondéré représente une expérience en plusieurs étapes. Au premier niveau, on place les évènements A et Ā avec leurs probabilités ; au second, les évènements B et B̄ avec les probabilités conditionnelles P_A(B), P_A(B̄), etc. Règles : la somme des branches issues d'un même noeud vaut 1 ; la probabilité d'un chemin est le produit des probabilités de ses branches : P(A ∩ B) = P(A) × P_A(B). On construit souvent l'arbre à partir d'un tableau croisé.

Document 1 · Le contrôle qualité

Situation-problème.

Une entreprise de décolletage produit des vis : 60 % sur la machine A, 40 % sur la machine B. 5 % des vis de A et 10 % des vis de B sont défectueuses. On prélève une vis au hasard ; D désigne « la vis est défectueuse ».

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

Activité 1 · S'approprier

12 min
Essentiel

Supports : Document 1

Consigne :

Construisez l'arbre.

  1. Branches du premier niveau ?
    ✔ Corrigé :

    A : 0,6 ; B : 0,4.

  2. Branches après A ?
    ✔ Corrigé :

    D : 0,05 ; non D : 0,95.

  3. Branches après B ?
    ✔ Corrigé :

    D : 0,1 ; non D : 0,9.

Critère de réussitePoints
S'approprier, réaliser6
Total de l'activité6

Activité 2 · Réaliser

18 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Calculez les chemins.

  1. P(A ∩ D) ?
    ✔ Corrigé :

    0,03.

  2. P(B ∩ D) ?
    ✔ Corrigé :

    0,04.

  3. P(A ∩ non D) ?
    ✔ Corrigé :

    0,57.

Critère de réussitePoints
Analyser, raisonner, réaliser7
Total de l'activité7

Activité 3 · Communiquer

15 min
Travail à rendre

Supports : Documents et cours

Consigne :

Rédigez une fiche méthode (6 lignes) pour un apprenti : comment construire un arbre pondéré et calculer la probabilité d'un chemin ? Pour bien commencer : On commence par placer… · Sur chaque branche, on écrit… · Pour un chemin, on…

✔ Corrigé rédigé :

Ordre de construction ; somme égale à 1 ; produit le long du chemin ; exemple juste ; clarté.

Critère de réussitePoints
Valider5
Communiquer2
Total de l'activité7

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

Les branches issues d'un même noeud ont une somme égale à 1. La probabilité d'un chemin est le produit de ses branches. P(A ∩ D) = 0,6 × 0,05 = 0,03. La branche de A vers D porte la probabilité conditionnelle P_A(D).

Barème récapitulatif des activités notées

ActivitéPoints
Activité 1 · S'approprier6
Activité 2 · Réaliser7
Activité 3 · Communiquer7
Total20 / 20

Séance 2 · Probabilités totales et indépendance

65 min

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

Problématique de la séance

Quelle est la proportion totale de défauts ?

Déroulé minuté à distance

Le cours développé (récit du professeur) · Probabilités totales

Formule des probabilités totales : si A et Ā partagent l'univers, P(D) = P(A ∩ D) + P(Ā ∩ D) : on additionne les probabilités de tous les chemins qui mènent à D. Deux évènements A et D de probabilités non nulles sont indépendants si P(A ∩ D) = P(A) × P(D), autrement dit si la réalisation de A ne change pas la probabilité de D (P_A(D) = P(D)). Dans une expérience répétée dans les mêmes conditions (tirages avec remise, composants qui fonctionnent séparément), les épreuves sont indépendantes et on multiplie.

Document 1 · La ligne de production

Situation-problème.

On reprend l'entreprise de décolletage (A : 60 %, défauts 5 % ; B : 40 %, défauts 10 %). Une machine d'emballage comporte aussi deux capteurs indépendants qui fonctionnent avec les probabilités 0,9 et 0,95.

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

Activité 1 · S'approprier

12 min
Essentiel

Supports : Document 1

Consigne :

Calculez P(D).

  1. Chemins menant à D ?
    ✔ Corrigé :

    A puis D, B puis D.

  2. P(D) ?
    ✔ Corrigé :

    0,03 + 0,04 = 0,07.

  3. P(non D) ?
    ✔ Corrigé :

    0,93.

Critère de réussitePoints
S'approprier, réaliser6
Total de l'activité6

Activité 2 · Analyser, raisonner

18 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Étudiez l'indépendance.

  1. P(A) × P(D) ?
    ✔ Corrigé :

    0,6 × 0,07 = 0,042.

  2. A et D sont‑ils indépendants ?
    ✔ Corrigé :

    Non, car 0,042 n'est pas égal à 0,03.

  3. Probabilité que les deux capteurs fonctionnent ?
    ✔ Corrigé :

    0,9 × 0,95 = 0,855.

Critère de réussitePoints
Analyser, raisonner, réaliser7
Total de l'activité7

Activité 3 · Valider, communiquer

15 min
Travail à rendre

Supports : Documents et cours

Consigne :

Rédigez une note au responsable qualité (6 à 8 lignes) : faut‑il arrêter la machine B, qui produit la majorité des défauts, ou la régler ? Chiffrez les deux options. Pour bien commencer : Actuellement, la proportion de défauts est… · Si l'on règle la machine B à 5 % de défauts, … · Je recommande…

✔ Corrigé rédigé :

P(D) = 0,07 ; part de B ≈ 57 % ; réglage donne 0,05 ; arrêt réduit la capacité de 40 % ; recommandation argumentée.

Critère de réussitePoints
Valider5
Communiquer2
Total de l'activité7

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

On additionne les probabilités des chemins qui mènent à D. La formule des probabilités totales donne P(D) = 0,07. A et D sont indépendants si P(A ∩ D) = P(A) × P(D). Pour des épreuves indépendantes, on multiplie les probabilités.

Barème récapitulatif des activités notées

ActivitéPoints
Activité 1 · S'approprier6
Activité 2 · Analyser, raisonner7
Activité 3 · Valider, communiquer7
Total20 / 20

Fiche à trous · corrigé

La somme des probabilités des branches issues d'un même noeud vaut 1.

La probabilité d'un chemin est le produit des probabilités de ses branches.

P(B) est la somme des probabilités des chemins qui mènent à B.

A et B sont indépendants si P(A ∩ B) = P(A) × P(B).

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
1Une usine produit 60 % de ses pièces sur la machine A et 40 % sur la machine B. 5 % des pièces de A et 10 % des pièces de B sont défectueuses. Construisez l'arbre pondéré.4 ptsBranches A 0,6 et B 0,4 ; puis D 0,05 et non D 0,95 après A ; D 0,1 et non D 0,9 après B. 4 points.
2Calculez P(A ∩ D), P(B ∩ D), puis P(D) avec la formule des probabilités totales. Les évènements A et D sont‑ils indépendants ?8 pts0,6 × 0,05 = 0,03 ; 0,4 × 0,1 = 0,04 ; P(D) = 0,07. P(A) × P(D) = 0,042, différent de 0,03 : non indépendants. Chemins (3 pts), total (2 pts), indépendance (3 pts).
3Le responsable qualité propose d'arrêter la machine B, qui produit « la majorité des défauts ». Vérifiez cette affirmation et discutez la proposition. Pour bien commencer : *Parmi les pièces défectueuses, la part venant de B est…* · *Cependant, …* · *Une autre solution serait…*8 ptsPart des défauts venant de B : 0,04 / 0,07 ≈ 57 %, c'est bien la majorité ; mais B produit 40 % des pièces. Plutôt que l'arrêter, on peut la régler : avec un taux de 5 %, P(D) passerait à 0,05. Calculs (4 pts), argumentation (4 pts).
Total20 pts

Pistes pour un rythme de travail différent