Espérance $np$ et variance $np(1-p)$ de la loi binomiale

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

📚 Terminale Spécialité Maths ⏱ Lecture : 5 min ✅ Programme officiel BO 2019

Soit $X$ une variable aléatoire suivant une loi binomiale $\mathcal{B}(n, p)$, où $n$ est le nombre de répétitions d'une épreuve de Bernoulli et $p$ est la probabilité de succès. L'espérance $E(X)$ représente la valeur moyenne attendue de succès, et la variance $V(X)$ mesure la dispersion des résultats autour de cette espérance.

💡 Bon réflexe : Toujours vérifier que les conditions d'une loi binomiale sont remplies avant d'appliquer les formules de l'espérance et de la variance.
X ∼ B(n, p)E(X) = np V(X) = np(1−p)σ = √(np(1−p))Écart-type = σExemple : B(100, 0.3)E=30, σ=√21 ≈ 4.58
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Identifier la loi binomiale

Avant tout calcul, il est crucial de s'assurer que la variable aléatoire $X$ suit bien une loi binomiale. Pour cela, il faut vérifier qu'il s'agit de la répétition $n$ fois d'une même épreuve de Bernoulli (deux issues possibles : succès ou échec), que ces répétitions sont indépendantes, et que la probabilité de succès $p$ reste constante à chaque épreuve. On note alors $X \sim \mathcal{B}(n, p)$.

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Calculer l'espérance $E(X)$

L'espérance d'une variable aléatoire $X$ suivant une loi binomiale $\mathcal{B}(n, p)$ est donnée par la formule simple : $$E(X) = n \times p$$ Cette formule indique le nombre moyen de succès que l'on peut attendre sur $n$ répétitions.

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Calculer la variance $V(X)$

La variance d'une variable aléatoire $X$ suivant une loi binomiale $\mathcal{B}(n, p)$ est donnée par la formule : $$V(X) = n \times p \times (1-p)$$ On note souvent $q = 1-p$ la probabilité d'échec, donc $V(X) = n \times p \times q$. La variance mesure la dispersion des résultats autour de l'espérance.

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Calculer l'écart-type $\sigma(X)$ (si demandé)

L'écart-type est la racine carrée de la variance. Il est exprimé dans la même unité que la variable aléatoire $X$, ce qui le rend plus interprétable que la variance. Si demandé, on calcule : $$\sigma(X) = \sqrt{V(X)} = \sqrt{n \times p \times (1-p)}$$

Une entreprise fabrique des composants électroniques. On sait que $5\%$ des composants produits sont défectueux. On prélève au hasard un échantillon de $100$ composants pour un contrôle qualité. Soit $X$ la variable aléatoire qui compte le nombre de composants défectueux dans l'échantillon.

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Identifier la loi de probabilité de $X$
L'épreuve consiste à prélever un composant et à vérifier s'il est défectueux (succès) ou non (échec). La probabilité de succès est $p = 0,05$. Cette épreuve est répétée $n = 100$ fois de manière indépendante (prélèvement au hasard d'un échantillon suffisamment petit par rapport à la production totale pour considérer les tirages comme indépendants). Donc, $X$ suit une loi binomiale $\mathcal{B}(100, 0,05)$.
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Calculer l'espérance de $X$
L'espérance $E(X)$ est donnée par la formule $E(X) = n \times p$. En substituant les valeurs : $$E(X) = 100 \times 0,05 = 5$$ On peut s'attendre en moyenne à $5$ composants défectueux dans un échantillon de $100$.
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Calculer la variance de $X$
La variance $V(X)$ est donnée par la formule $V(X) = n \times p \times (1-p)$. Ici, $1-p = 1-0,05 = 0,95$. Donc : $$V(X) = 100 \times 0,05 \times 0,95 = 5 \times 0,95 = 4,75$$
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Calculer l'écart-type de $X$
L'écart-type $\sigma(X)$ est la racine carrée de la variance : $$\sigma(X) = \sqrt{V(X)} = \sqrt{4,75} \approx 2,18$$ L'écart-type est d'environ $2,18$ composants défectueux.

Pour un échantillon de $100$ composants, on s'attend en moyenne à $5$ composants défectueux, avec un écart-type d'environ $2,18$ composants défectueux. Ces valeurs caractérisent la distribution du nombre de défectueux.

  1. Ne pas vérifier les conditions d'application de la loi binomiale (indépendance des épreuves, probabilité de succès constante, nombre fixe de répétitions).
  2. Confondre la probabilité de succès $p$ avec la probabilité d'échec $1-p$ dans les formules.
  3. Oublier de prendre la racine carrée pour calculer l'écart-type à partir de la variance.

Un jeu de société propose une épreuve où un joueur doit lancer un dé équilibré à six faces. Le joueur gagne s'il obtient un 6. Il effectue $20$ lancers successifs et indépendants.

  1. Justifier que la variable aléatoire $X$ qui compte le nombre de fois où le joueur obtient un 6 suit une loi binomiale dont on précisera les paramètres.
  2. Calculer l'espérance de $X$. Interpréter ce résultat dans le contexte de l'exercice.
  3. Calculer la variance et l'écart-type de $X$. Arrondir l'écart-type à $10^{-2}$ près.
  1. Justification de la loi binomiale :

    • L'épreuve est la répétition de $n=20$ lancers d'un dé.
    • Chaque lancer est une épreuve de Bernoulli : le succès est d'obtenir un 6, l'échec est de ne pas obtenir un 6.
    • La probabilité de succès est $p = 1/6$ (le dé est équilibré et a six faces).
    • Les lancers sont successifs et indépendants.

    Donc, la variable aléatoire $X$ suit une loi binomiale $\mathcal{B}(n, p)$ avec $n=20$ et $p=1/6$.

  2. Calcul de l'espérance de $X$ :

    L'espérance $E(X)$ d'une loi binomiale est donnée par la formule $E(X) = n \times p$.

    $$E(X) = 20 \times \frac{1}{6} = \frac{20}{6} = \frac{10}{3} \approx 3,33$$

    Interprétation : En moyenne, sur $20$ lancers, le joueur peut s'attendre à obtenir environ $3,33$ fois le chiffre 6. Cela signifie que si le joueur répète cette série de $20$ lancers un grand nombre de fois, le nombre moyen de 6 obtenus sera proche de $3,33$.

  3. Calcul de la variance et de l'écart-type de $X$ :

    La variance $V(X)$ est donnée par la formule $V(X) = n \times p \times (1-p)$.

    Ici, $1-p = 1 - 1/6 = 5/6$.

    $$V(X) = 20 \times \frac{1}{6} \times \frac{5}{6} = \frac{100}{36} = \frac{25}{9} \approx 2,78$$

    L'écart-type $\sigma(X)$ est la racine carrée de la variance :

    $$\sigma(X) = \sqrt{V(X)} = \sqrt{\frac{25}{9}} = \frac{5}{3} \approx 1,67$$

    La variance est d'environ $2,78$ et l'écart-type est d'environ $1,67$.

Questions fréquentes

Pourquoi l'espérance $E(X)$ est-elle $n \times p$ pour une loi binomiale ?
L'espérance est la somme des espérances des $n$ épreuves de Bernoulli indépendantes. Pour une seule épreuve de Bernoulli avec probabilité de succès $p$, l'espérance est $1 \times p + 0 \times (1-p) = p$. En sommant ces $n$ espérances, on obtient $E(X) = p + p + \dots + p$ ($n$ fois), soit $E(X) = n \times p$.
Peut-on avoir une espérance non entière, comme $3,33$ dans l'exemple ?
Oui, absolument. L'espérance est une valeur moyenne théorique. Elle ne représente pas nécessairement un résultat qui peut être observé concrètement (on ne peut pas obtenir $3,33$ fois un 6). Elle indique la valeur centrale autour de laquelle les résultats s'organisent sur un grand nombre de répétitions de l'expérience.
À quoi sert la variance ou l'écart-type dans le contexte de la loi binomiale ?
La variance et l'écart-type mesurent la dispersion des résultats autour de l'espérance. Un écart-type élevé indique que les résultats sont très dispersés (il est courant d'observer des valeurs éloignées de l'espérance), tandis qu'un écart-type faible signifie que les résultats sont généralement proches de l'espérance. C'est un indicateur de la variabilité des succès.
Est-il nécessaire de démontrer les formules de l'espérance et de la variance de la loi binomiale au BAC ?
Non, les formules $E(X) = n \times p$ et $V(X) = n \times p \times (1-p)$ sont admises au programme de Terminale Spécialité. Il suffit de les connaître et de savoir les appliquer correctement. La démonstration est plus complexe et n'est pas exigée.

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