Loi binomiale $B(n, p)$ : schéma de Bernoulli et paramètres

Définition, méthode rigoureuse, exemples corrigés et exercice type BAC.

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Un schéma de Bernoulli est la répétition de $n$ épreuves de Bernoulli identiques et indépendantes. Une épreuve de Bernoulli est une expérience aléatoire qui ne comporte que deux issues : le succès (noté $S$) de probabilité $p$ et l'échec (noté $\bar{S}$) de probabilité $1-p$. La loi binomiale $\mathcal{B}(n, p)$ est la loi de probabilité de la variable aléatoire $X$ qui compte le nombre de succès obtenus lors de $n$ répétitions indépendantes d'une épreuve de Bernoulli de paramètre $p$. Ses paramètres sont $n$ (nombre de répétitions) et $p$ (probabilité de succès).

💡 Bon réflexe : Avant d'appliquer la loi binomiale, vérifie toujours les quatre conditions (nombre fixe d'épreuves, deux issues, probabilité constante, indépendance) pour éviter les erreurs de modélisation.
p1−pSEX ∼ B(n, p)n répétitions indép.P(X=k) = Cₙᵏ pᵏ(1−p)ⁿ⁻ᵏ
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1. Identifier le schéma de Bernoulli

Vérifier que l'expérience aléatoire peut être modélisée par un schéma de Bernoulli :
- Il y a un nombre fixe $n$ de répétitions.
- Chaque répétition est une épreuve de Bernoulli (deux issues : succès/échec).
- Les épreuves sont identiques (la probabilité de succès $p$ est la même à chaque répétition).
- Les épreuves sont indépendantes (le résultat d'une épreuve n'influence pas les autres).

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2. Définir la variable aléatoire et ses paramètres

Soit $X$ la variable aléatoire qui compte le nombre de succès. Si les conditions du schéma de Bernoulli sont remplies, alors $X$ suit une loi binomiale $\mathcal{B}(n, p)$.
- $n$ est le nombre de répétitions (ou d'épreuves).
- $p$ est la probabilité de succès pour une seule épreuve.

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3. Calculer les probabilités

La probabilité d'obtenir exactement $k$ succès parmi $n$ épreuves est donnée par la formule : $$P(X=k) = \binom{n}{k} p^k (1-p)^{n-k}$$ où $\binom{n}{k} = \frac{n!}{k!(n-k)!}$ est le coefficient binomial, représentant le nombre de chemins menant à $k$ succès parmi $n$ épreuves. Pour les calculs, utiliser la calculatrice (fonction binompdf ou binomFdp) ou un logiciel.

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4. Calculer l'espérance, la variance et l'écart-type

Pour une variable aléatoire $X$ suivant une loi binomiale $\mathcal{B}(n, p)$ :
- L'espérance (nombre moyen de succès) est : $E(X) = n × p$.
- La variance est : $V(X) = n × p × (1-p)$.
- L'écart-type est : $\sigma(X) = \sqrt{n × p × (1-p)}$.
Ces valeurs caractérisent la distribution de la loi binomiale.

Un joueur de basket-ball réussit un lancer franc avec une probabilité de $0,7$. Il effectue $10$ lancers francs, considérés comme indépendants. On s'intéresse au nombre de lancers réussis.

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1. Identifier le schéma de Bernoulli et la variable aléatoire.
Chaque lancer franc est une épreuve de Bernoulli : succès (lancer réussi) avec $p=0,7$, échec (lancer manqué) avec $1-p=0,3$. Les $10$ lancers sont indépendants et identiques. Il s'agit donc d'un schéma de Bernoulli avec $n=10$ répétitions.
Soit $X$ la variable aléatoire qui compte le nombre de lancers réussis. $X$ suit une loi binomiale $\mathcal{B}(10, 0,7)$.
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2. Calculer la probabilité d'obtenir exactement 8 lancers réussis.
On cherche $P(X=8)$. En utilisant la formule $P(X=k) = \binom{n}{k} p^k (1-p)^{n-k}$ :
$P(X=8) = \binom{10}{8} (0,7)^8 (0,3)^{10-8}$
$P(X=8) = \binom{10}{8} (0,7)^8 (0,3)^2$
Calculons $\binom{10}{8} = \frac{10!}{8!2!} = \frac{10 × 9}{2 × 1} = 45$.
$P(X=8) = 45 × (0,7)^8 × (0,3)^2 \approx 45 × 0,057648 × 0,09 \approx 0,23347$.
À l'aide de la calculatrice (binompdf(10, 0.7, 8)), on trouve $P(X=8) \approx 0,2335$ (arrondi à $10^{-4}$).
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3. Calculer la probabilité d'obtenir au moins 9 lancers réussis.
On cherche $P(X \geq 9)$, ce qui signifie $P(X=9) + P(X=10)$.
$P(X=9) = \binom{10}{9} (0,7)^9 (0,3)^1 = 10 × (0,7)^9 × 0,3 \approx 10 × 0,0403536 × 0,3 \approx 0,12106$.
$P(X=10) = \binom{10}{10} (0,7)^{10} (0,3)^0 = 1 × (0,7)^{10} × 1 \approx 0,0282475$.
$P(X \geq 9) = P(X=9) + P(X=10) \approx 0,12106 + 0,02825 \approx 0,14931$.
À l'aide de la calculatrice (1 - binomcdf(10, 0.7, 8) ou binomcdf(10, 0.7, 10) - binomcdf(10, 0.7, 8)), on trouve $P(X \geq 9) \approx 0,1493$ (arrondi à $10^{-4}$).
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4. Calculer l'espérance et l'écart-type du nombre de lancers réussis.
L'espérance $E(X) = n × p = 10 × 0,7 = 7$. En moyenne, le joueur réussira 7 lancers sur 10.
La variance $V(X) = n × p × (1-p) = 10 × 0,7 × 0,3 = 2,1$.
L'écart-type $\sigma(X) = \sqrt{V(X)} = \sqrt{2,1} \approx 1,449$.
L'écart-type mesure la dispersion des résultats autour de l'espérance.

La probabilité que le joueur réussisse exactement 8 lancers est d'environ $0,2335$. La probabilité qu'il réussisse au moins 9 lancers est d'environ $0,1493$. En moyenne, il réussira $7$ lancers, avec un écart-type d'environ $1,449$.

  1. Ne pas confondre la probabilité d'obtenir exactement $k$ succès ($P(X=k)$, fonction de masse) avec la probabilité d'obtenir au plus $k$ succès ($P(X \leq k)$, fonction de répartition cumulative).
  2. Oublier que les épreuves doivent être indépendantes pour appliquer la loi binomiale. Si les tirages sont sans remise dans un petit ensemble, la loi hypergéométrique serait plus appropriée.
  3. Erreur dans le calcul de $1-p$ : si $p$ est la probabilité de succès, $1-p$ est la probabilité d'échec. C'est simple mais source d'erreurs d'inattention.

Une usine fabrique des composants électroniques. On sait que $5\%$ des composants produits sont défectueux. Pour un contrôle qualité, on prélève au hasard un échantillon de $20$ composants, et on suppose que ce prélèvement peut être assimilé à un tirage avec remise.

  1. Justifier que le nombre de composants défectueux dans l'échantillon suit une loi binomiale dont on précisera les paramètres.
  2. Calculer la probabilité qu'il y ait exactement $2$ composants défectueux dans l'échantillon. Arrondir le résultat à $10^{-4}$.
  3. Calculer la probabilité qu'il y ait au moins $1$ composant défectueux dans l'échantillon. Arrondir le résultat à $10^{-4}$.
  4. Calculer l'espérance du nombre de composants défectueux dans un échantillon de $20$ composants. Interpréter ce résultat.
  1. Justification de la loi binomiale :

    • L'expérience consiste en la répétition de $n=20$ épreuves (prélèvement d'un composant).
    • Chaque épreuve est une épreuve de Bernoulli : le composant est soit défectueux (succès $S$) soit non défectueux (échec $\bar{S}$).
    • La probabilité de succès (composant défectueux) est $p=0,05$.
    • Les épreuves sont indépendantes car le prélèvement est assimilé à un tirage avec remise.

    Soit $X$ la variable aléatoire qui compte le nombre de composants défectueux dans l'échantillon. Alors $X$ suit une loi binomiale $\mathcal{B}(n, p)$ avec $n=20$ et $p=0,05$.

  2. Probabilité d'exactement 2 composants défectueux :

    On cherche $P(X=2)$. En utilisant la formule $P(X=k) = \binom{n}{k} p^k (1-p)^{n-k}$ :

    $$P(X=2) = \binom{20}{2} (0,05)^2 (1-0,05)^{20-2}$$

    $$P(X=2) = \binom{20}{2} (0,05)^2 (0,95)^{18}$$

    Calculons $\binom{20}{2} = \frac{20 × 19}{2} = 190$.

    $$P(X=2) = 190 × (0,05)^2 × (0,95)^{18} \approx 190 × 0,0025 × 0,397205 \approx 0,18867$$

    À l'aide de la calculatrice (binompdf(20, 0.05, 2)), on trouve $P(X=2) \approx 0,1887$ (arrondi à $10^{-4}$).

  3. Probabilité d'au moins 1 composant défectueux :

    On cherche $P(X \geq 1)$. Il est plus simple de calculer la probabilité de l'événement contraire, c'est-à-dire $P(X=0)$ (aucun composant défectueux), puis d'utiliser $P(X \geq 1) = 1 - P(X=0)$.

    $$P(X=0) = \binom{20}{0} (0,05)^0 (0,95)^{20} = 1 × 1 × (0,95)^{20} \approx 0,35848$$

    Donc, $P(X \geq 1) = 1 - P(X=0) \approx 1 - 0,35848 \approx 0,64152$.

    À l'aide de la calculatrice (1 - binomcdf(20, 0.05, 0)), on trouve $P(X \geq 1) \approx 0,6415$ (arrondi à $10^{-4}$).

  4. Espérance du nombre de composants défectueux :

    L'espérance $E(X)$ d'une loi binomiale $\mathcal{B}(n, p)$ est donnée par la formule $E(X) = n × p$.

    $$E(X) = 20 × 0,05 = 1$$

    Interprétation : En moyenne, sur un échantillon de $20$ composants prélevés, on s'attend à trouver $1$ composant défectueux.

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre une épreuve de Bernoulli et un schéma de Bernoulli ?
Une épreuve de Bernoulli est une expérience aléatoire simple avec seulement deux issues (succès/échec). Un schéma de Bernoulli est la répétition de plusieurs épreuves de Bernoulli identiques et indépendantes.
Comment savoir si les épreuves sont indépendantes ?
L'indépendance est cruciale. Elle est souvent précisée dans l'énoncé (ex: 'tirages avec remise', 'événements indépendants'). Si les tirages sont sans remise dans un ensemble de petite taille, les épreuves ne sont plus indépendantes et la loi binomiale n'est pas applicable.
Quand utiliser binompdf et binomcdf sur la calculatrice ?
Utilisez binompdf(n, p, k) (ou binomFdp) pour calculer $P(X=k)$, c'est-à-dire la probabilité d'obtenir exactement $k$ succès. Utilisez binomcdf(n, p, k) (ou binomFRép) pour calculer $P(X \leq k)$, c'est-à-dire la probabilité d'obtenir au plus $k$ succès. Pour $P(X \geq k)$, calculez $1 - P(X \leq k-1)$.
Que représentent l'espérance et l'écart-type pour une loi binomiale ?
L'espérance $E(X) = n × p$ représente le nombre moyen de succès attendus sur les $n$ répétitions. L'écart-type $\sigma(X) = \sqrt{n × p × (1-p)}$ mesure la dispersion des résultats autour de cette moyenne. Un petit écart-type indique que les résultats sont généralement proches de l'espérance, tandis qu'un grand écart-type suggère une plus grande variabilité.

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