Méthodes

Comment calculer la probabilité d’une intersection d’événements ?

Une méthode en deux questions réflexes pour calculer une probabilité d’intersection.

Thème : Probabilités
Chapitre : Espaces probabilisés
Année : ECG1, ECG2
Option : Maths appliquées, Maths approfondies

On cherche à calculer la probabilité de l’intersection de plusieurs événements. Selon que les événements sont indépendants ou non, la méthode de calcul diffère.

Cette fiche présente les deux cas fondamentaux pour une intersection finie.

Les questions réflexes

Avant de calculer une probabilité d’intersection, on se pose toujours les mêmes questions, dans le même ordre.


Les événements sont-ils indépendants ?

Démarche

Quand on veut calculer la probabilité d'une intersection, comme \(\mathbb{P}\! \left(\bigcap_{i\in I} A_i\right)\), on commence par se demander si les événements considérés sont indépendants.

  • Si \(A\) et \( B \) sont deux événements indépendants, alors \[\mathbb{P}(A\cap B) = \mathbb{P}(A) \, \mathbb{P}(B) \]
  • Plus généralement, siles événements \(A_1,\dots,A_n\) sont mutuellement indépendants, alors

    \[ \mathbb{P} \!\left(\bigcap_{i=1}^n A_i\right)=\prod_{i=1}^n \mathbb{P}(A_i) \]

Erreur classique

Dire que la probabilité de l’intersection est égale au produit des probabilités sans s’assurer que les événements sont mutuellement indépendants.

Exemple

On effectue \(n\) tirages avec remise dans une urne contenant des boules numérotées de \(1\) à \(10\), toutes équiprobables.

Calculer la probabilité que toutes les boules tirées portent un numéro pair.

Pour tout \(k\in\{1,\dots,n\}\), on note

\(A_k\) : « le numéro obtenu au \(k\)-ième tirage est pair »

Les événements \(A_1,\dots,A_n\) sont mutuellement indépendants (car effectués au hasard et avec remise) et \(\mathbb{P}(A_k)=\dfrac12\) pour tout \(k\).

On a donc

\[ \mathbb{P}\left(\bigcap_{k=1}^n A_k\right) =\prod_{k=1}^n \mathbb{P}(A_k) =\left(\dfrac12\right)^n \]


Peut-on utiliser la formule des probabilités composées ?

Démarche

On cherche à calculer une probabilité d’intersection, par exemple \(\mathbb{P}(A\cap B)\) ou \(\displaystyle \mathbb{P}\left(\bigcap_{i=1}^n A_i\right)\).

Si les événements ne sont pas indépendants, on utilise la formule des probabilités composées.

  • Pour deux événements et si \(\mathbb{P}(A)\neq 0\),

    \[ \mathbb{P}(A\cap B)=\mathbb{P}(A)\,\mathbb{P}_A(B) \]

  • Plus généralement, pour des événements \(A_1,\dots,A_n\) et si \(\displaystyle \mathbb{P}\left(\bigcap_{i=1}^{n-1} A_i\right)\neq 0\),

    \[ \mathbb{P}\left(\bigcap_{i=1}^n A_i\right) = \mathbb{P}(A_1)\, \mathbb{P}_{A_1}(A_2)\, \cdots\, \mathbb{P}_{A_1\cap\cdots\cap A_{n-1}}(A_n) \]

  • Erreur classique

    Écrire une formule des probabilités composées sans vérifier que les probabilités conditionnelles utilisées sont bien définies, c’est-à-dire que les événements conditionnants ont une probabilité non nulle.

Exemple

Une urne contient \(N\) boules dont \(m\) rouges. On effectue \(n\) tirages sans remise.

Calculer la probabilité que les \(n\) boules tirées soient rouges.

Pour tout \(k\in\{1,\dots,n\}\), on note \(A_k\) l’événement « la \(k\)-ième boule tirée est rouge ». On cherche à calculer \(\displaystyle \mathbb{P}\left(\bigcap_{k=1}^n A_k\right)\).

Comme les tirages sont effectués sans remise, on ne peut pas tirer plus de \(m\) boules rouges. On a donc \(\displaystyle \mathbb{P}\left(\bigcap_{k=1}^n A_k\right)=0\) si \(n>m\). On suppose désormais \(n\leqslant m\).

On applique alors la formule des probabilités composées, en admettant que \(\displaystyle \mathbb{P}\left(\bigcap_{k=1}^{n-1} A_k\right)\neq 0\) (pour plus de rigueur, on pourrait le démontrer par récurrence sur \(n\in\left[\!\left[1,m\right]\!\right]\)).

Or l’urne contient initialement \(N\) boules dont \(m\) rouges et les tirages sont faits au hasard, donc toutes les boules ont la même probabilité d’être obtenues. On a ainsi

\[ \mathbb{P}(A_1)=\dfrac{m}{N} \]

De plus, pour tout \(i\in\left[\!\left[1,n-1\right]\!\right]\), sachant que l’événement \(\displaystyle \bigcap_{k=1}^i A_k\) est réalisé, l’urne contient \(N-i\) boules dont \(m-i\) rouges au moment du \((i+1)\)-ième tirage. Comme le tirage est effectué au hasard, on a

\[ \mathbb{P}_{A_1\cap\cdots\cap A_i}(A_{i+1}) = \dfrac{m-i}{N-i} \]

On en déduit

\[ \begin{align*} \mathbb{P}\left(\bigcap_{k=1}^n A_k\right) &= \dfrac{m}{N}\times\dfrac{m-1}{N-1}\times\cdots\times\dfrac{m-n+1}{N-n+1} \\ &= \dfrac{m!\,(N-n)!}{N!} \end{align*} \]


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