Chapitres Maths en Terminale Générale
Loi Normale, intervalle de fluctuation et estimation en Terminale
Résumé de cours Exercices et corrigés
Cours en ligne de Maths en Terminale
Résumé de cours Probabilités: Loi normale, fluctuation & estimation
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1. Loi normale
Définition: variable aléatoire centrée et réduite
On dit qu’une variable aléatoire est centrée et réduite lorsque son espérance est nulle et son écart-type égal à .
Propriétés
Soit une variable aléatoire prenant un nombre fini de valeurs, d’espérance , de variance et d’écart-type non nul.
La variable aléatoire a une espérance nulle;
La variable aléatoire est une variable aléatoire centrée et réduite.
Théorème de Moivre-Laplace
Soit un nombre réel de l’intervalle .
Soit une suite de variables aléatoires où chaque variable aléatoire suit la loi binomiale .
On pose la variable aléatoire centrée et réduite associée à .
Alors, pour tous réels et tels que , on a:
Représentation graphique de la loi de probabilité de la variable aléatoire () et de la fonction
Les aires des rectangles représentent les probabilités. Le paramètre étant fixé, plus l’entier augmente, plus la loi de probabilité de la variable aléatoire se rapproche de la loi de densité de probabilité .
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2. Loi normale centrée réduite
Propriété
La fonction définie sur par est une densité de probabilité.
Définition
Une variable aléatoire à densité suit la loi normale centrée réduite si sa fonction de densité est la fonction définie sur par
On a alors, pour tous réels et tels que :
Courbe de Gauss – représentation graphique de la densité de probabilité
Propriétés
Soit une variable aléatoire à densité qui suit la loi normale centrée réduite . On a:
Pour tout réel positif, ;
Définition: espérance de la loi normale centrée réduite
Si la variable aléatoire suit la loi normale centrée réduite , son espérance est définie par:
où est la fonction de densité de la loi normale centrée réduite .
Propriété: espérance de la loi normale centrée réduite
L’espérance (ou la moyenne) de la loi normale centrée réduite est égale à .
Propriété: variance de la loi normale centrée réduite
La variance de la loi normale centrée réduite , définie par , est égale à .
Théorème: répartition des valeurs de
Lorsque la variable aléatoire suit la loi normale centrée réduite , alors pour tout nombre de l’intervalle , il existe un unique nombre réel positif tel que
Valeurs particulières
On a d’où : .
On a et .
3. Loi normale
Définition
Une variable aléatoire suit une loi normale si la variable aléatoire suit la loi normale centrée réduite .
Propriétés: espérance et écart-type de la loi normale
On admet que, si une variable aléatoire suit la loi normale }, alors son espérance est égale à et son écart-type à :
Propriétés: intervalles un, deux et trois sigmas
(à près)
(à près)
(à près)
4. Intervalle de fluctuation
En statistiques, un échantillon de taille est la liste des résultats obtenus par répétitions indépendantes de la même expérience aléatoire.
Par exemple, un échantillon de taille du lancer d’un dé dont on observe l’apparition ou non de la face est la liste des résultats obtenus en lançant fois le dé. Pour chaque lancer la probabilité de réussir (d’obtenir la face ) est , la probabilité de l’échec (ne pas obtenir ) est ( si le dé est bien équilibré). Le nombre de réussites dans un échantillon de taille suit la loi binomiale .
On note la fréquence du nombre de réussites dans l’échantillon.
Définition: intervalle de fluctuation à
Un intervalle de fluctuation au seuil de , relatif aux échantillons de taille , est un intervalle où se situe la fréquence observée dans un échantillon de taille avec une probabilité supérieure à .
Propriété admise en classe inférieur :
L’intervalle est un intervalle de fluctuation approché au seuil de , relatif aux échantillons de taille . Dans certains cas, la probabilité que la fréquence appartienne à l’intervalle est très proche de mais en étant inférieure, c’est pourquoi on dit que ce sont des intervalles de fluctuation « approchés ».
Dans la pratique, on utilise l’intervalle pour des probabilités comprises entre et et des échantillons de taille supérieure à .
Intervalles de fluctuation asymptotique
Dans ce qui suit, on considère des variables aléatoires suivant chacune une loi binomiale (exemple : on lance fois une pièce équilibrée, est le nombre de « pile » obtenus, suit la loi ).
La variable aléatoire donne donc la fréquence du nombre de « succès ».
Propriétés
La variable aléatoire :
prend valeurs: .
vérifie et
Définition: intervalle de fluctuation asymptotique au seuil
Un intervalle de fluctuation asymptotique de la variable aléatoire au seuil est un intervalle déterminé à partir de et de et qui contient avec une probabilité d’autant plus proche de que est grand.
Théorème
Soit un nombre réel fixé de l’intervalle .
Soit une suite de variables aléatoires , chaque variable aléatoire suivant la loi binomiale .
Pour tout réel dans , on a:
où
Remarque. Le nombre est l’unique réel positif tel que, pour une variable aléatoire suivante la loi normale centrée réduite :
Propriété
L’intervalle est un intervalle de fluctuation asymptotique
au seuil de la variable aléatoire .
Théorème
Soit un réel de l’intervalle et une suite de variables aléatoires où chaque variable aléatoire suit la loi binomiale . Il existe un entier tel que:
Intervalle de fluctuation et prise de décision
Si la fréquence observée dans un échantillon appartient à un intervalle de fluctuation asymptotique au seuil de , on considère que l’échantillon est compatible avec le modèle (i.e la loi de probabilité retenue pour décrire l’expérience);=
Sinon, on considère que l’échantillon n’est pas compatible avec le modèle.
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5. Estimation
Comme dans la section précédente, on considère une suite de variables aléatoires où chaque variable aléatoire suit la loi binomiale . La variable donne donc la fréquence du nombre de « succès ».
On dit qu’un intervalle est aléatoire lorsque ses bornes sont définies par des
variables aléatoires. La réalisation d’un intervalle aléatoire est l’intervalle obtenu après avoir réalisé l’expérience aléatoire (après avoir lancé 500 fois une pièce, interrogé 1000 personnes…).
Définition: intervalle de confiance
Un intervalle de confiance pour une proportion à un niveau de confiance de est la réalisation, à partir d’un échantillon, d’un intervalle aléatoire contenant la proportion avec une probabilité supérieure ou égale à .
Propriété
Pour une valeur de fixée, l’intervalle aléatoire contient, pour assez grand, la proportion avec une probabilité au moins
égale à .
Remarque. On se place dans le cas où l’échantillon contient au moins éléments. Si la fréquence observée est telle que et , on convient que est une estimation de et que l’intervalle est
un intervalle de confiance au niveau de pour la proportion . Cet intervalle est parfois appelé fourchette de sondage.
Taille de l’échantillon pour avoir une précision donnée au niveau de confiance de
La précision de l’estimation est donnée par l’amplitude de l’intervalle , qui vaut et dépend donc de la taille de l’échantillon. On observe cependant que cette amplitude ne dépend pas de la taille de la population
totale, dans laquelle est prélevé l’échantillon.
Si est la précision souhaitée, on cherche tel que .
Exercices de probabilités : loi normale, fluctuations et estimation
Exercice 1 :
est une variable aléatoire qui suit la loi normale où et
Question 1 :
Montrer que
Question 2 :
Le réel tel que vérifie
Question 3 :
Montrer que est strictement inférieure à 0,5
Annales sur les probabilités : Loi à densité, loi normale, fluctuations et estimation
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