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TERMINALE SPÉCIALITÉ
Fiche N° 11
Chapitre 11 — Inégalité de Bienaymé-Tchebychev
Concentration, intervalles de fluctuation
Chapitre 11 — Inégalité de Bienaymé-Tchebychev 12 EXERCICES
★
Niveau 1 — Facile Ex. 1 à 3
Ex.1
Inégalité de Bienaymé-Tchebychev
★
4 pts
P(|X − E(X)| ≥ k·σ(X)) ≤ 1/k²
X a E(X) = 10 et σ(X) = 2. Majorer :
P(|X − 10| ≥ 6) P(|X − 10| ≥ 4) P(X ≥ 14)
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Ex.2
Intervalle de concentration
★
4 pts
X a E(X) = 50 et V(X) = 16.
Calculer σ(X). Donner l'intervalle [E(X) − 2σ ; E(X) + 2σ]. Quelle probabilité est au moins égale à 75% d'être dans cet intervalle ?
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Ex.3
Fréquence observée
★
4 pts
On lance une pièce 400 fois. On note f₄₀₀ la fréquence d'obtention de face.
E(f₄₀₀) = p = 0,5 et σ(f₄₀₀) = √(p1−p n ). Calculer σ(f₄₀₀). Donner l'intervalle de fluctuation à 95% (approximé : [p − 2σ ; p + 2σ]).
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Chapitre 11 — Inégalité de Bienaymé-Tchebychev
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★★
Niveau 2 — Intermédiaire Ex. 4 à 6
Ex.4
Interpréter un intervalle de fluctuation
★
3 pts
On observe une fréquence f = 0,38 sur 400 essais, pour p = 0,5 théorique.
L'intervalle de fluctuation à 95% est [0,45 ; 0,55]. Est-ce que f = 0,38 appartient à cet intervalle ? Que peut-on conclure sur la pièce ?
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Ex.5
Calculer n pour une précision donnée
★★
4 pts
On veut que P(|X̄ₙ − μ| ≤ 0,1) ≥ 0,95 avec σ = 3.
D'après Bienaymé-Tchebychev, quelle condition sur n ? Calculer le n minimal.
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Ex.6
Application — Sondage
★★
5 pts
On sonde n personnes pour estimer p, la proportion de supporters d'une équipe. On note fₙ la fréquence observée.
Exprimer E(fₙ) et σ(fₙ) en fonction de p et n. Pour p = 0,5 et n = 1000, calculer l'intervalle de fluctuation à 95%. La fréquence observée f = 0,51 est-elle compatible avec p = 0,5 ?
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Chapitre 11 — Inégalité de Bienaymé-Tchebychev
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★★
Niveau 2 — Intermédiaire Ex. 7 à 9
Ex.7
Niveau de confiance
★★
4 pts
X̄₁₀₀₀ avec μ = 20 et σ = 5.
Calculer σ(X̄₁₀₀₀). Donner l'intervalle [μ − 3σ̄ ; μ + 3σ̄] (borne B-T avec k=3). Que garantit-on avec ce niveau de confiance ?
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Ex.8
Comparer les intervalles
★★
4 pts
Pour p = 0,5 :
Calculer la largeur de l'intervalle de fluctuation à 95% pour n = 100. Pour n = 400. Pour n = 1600. Quelle relation observes-tu entre n et la largeur ?
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Ex.9
Test de conformité
★★★
5 pts
Un dé est supposé équilibré (p =
1 6 pour chaque face). On lance 600 fois et obtient le 6 à 120 reprises.
Calculer la fréquence observée f₆₀₀. Calculer l'intervalle de fluctuation à 95% pour p = 1 6 et n = 600. Le dé est-il équilibré ? Conclure.
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Chapitre 11 — Inégalité de Bienaymé-Tchebychev
Fiche N° 11
★★★
Niveau 3 — Difficile Ex. 10 à 12
Ex.10
Bienaymé-Tchebychev vs 95%
★★★
4 pts
X avec E(X) = 30 et σ = 5, n = 100 observations.
Par B-T, donner une borne supérieure de P(|X̄₁₀₀ − 30| ≥ 1). Par la loi normale approchée (si vue), donner une approximation plus précise. Comparer les deux résultats.
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Ex.11
Problème de qualité — Décision
★★★
4 pts
Une machine produit des pièces dont 3% sont défectueuses. On contrôle 500 pièces.
Donner l'intervalle de fluctuation à 95% de la proportion défectueuse. Si on observe 30 pièces défectueuses, doit-on alerter ? Justifier.
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Ex.12
★ Défi BAC
★★★
6 pts
On estime une proportion p inconnue avec n = 400 sondages.
En utilisant σ(fₙ) ≤ 1 2√n (majorant universel), donner l'intervalle de confiance universel à 95%. La fréquence observée est 0,42. Construire l'intervalle de confiance de p. Peut-on affirmer que p > 0,5 au niveau de confiance 95% ?
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ACCÈS LIBRE — Ex. 1 à 6
★
Niveau 1 — Facile
Ex. 1 à 3
Ex.1
Inégalité de Bienaymé-Tchebychev
★
E(X)=10, σ(X)=2
→ P(|X−10|≥6) : k=6 2 =3 → P≤1 3² =1 9 ≈0,111
→ P(|X−10|≥4) : k=4 2 =2 → P≤1 2² =1 4 =0,25
= P(X≥14)⊂{|X−10|≥4} → P(X≥14)≤1 4 =0,25
Ex.2
Intervalle de concentration
★
E(X)=50, V(X)=16
→ σ(X)=√16=4
→ Intervalle [E(X)−2σ ; E(X)+2σ] = [50−8 ; 50+8] = [42 ; 58]
= P(X∈[42;58])≥1−1 2² =1−1 4 =0,75 soit au moins 75%
Ex.3
Fréquence observée
★
400 lancers, p=0,5
→ σ(f₄₀₀)=√(0,5×0,5 400 )=√0,000625=0,025
= Intervalle de fluctuation à 95% : [0,5−0,05 ; 0,5+0,05] = [0,45 ; 0,55]
★★
Niveau 2 — Intermédiaire
Ex. 4 à 6
Ex.4
Interpréter un intervalle de fluctuation
★★
f=0,38 observée, intervalle [0,45;0,55]
→ f=0,38 ∉ [0,45 ; 0,55] (l'intervalle de fluctuation à 95%)
= On rejette l'hypothèse p=0,5 au risque 5% : la pièce semble truquée (déséquilibrée)
Ex.5
Calculer n pour une précision donnée
★★
σ=3, précision 0,1, confiance 95%
→ D'après B-T : P(|X̄ₙ−μ|≥0,1) ≤ VX̄ₙ 0,1² = σ²/(n×0,01) = 9 0,01n
= On veut 9 0,01n ≤ 0,05 → n ≥ 9 0,01×0,05 = 18 000
Ex.6
Application — Sondage
★★
n=1000, p=0,5 théorique, f=0,51 observée
→ E(fₙ)=p et σ(fₙ)=√(p1−p n )
→ Pour p=0,5, n=1000 : σ=√(0,25 1000 )≈0,0158 → intervalle de fluctuation à 95% ≈ [0,468 ; 0,532]
= f=0,51 ∈ [0,468 ; 0,532] → compatible avec p=0,5 (rien ne permet de rejeter cette hypothèse)
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ACCÈS PREMIUM — Ex. 7 à 12
★★
Niveau 2 — Intermédiaire (suite)
Ex. 7 à 9
Ex.7
Niveau de confiance
★★
→ σ(X̄₁₀₀₀) = σ √n = 5 √1000 ≈ 0,158
→ [μ−3σ̄ ; μ+3σ̄] = [20−0,474 ; 20+0,474] ≈ [19,53 ; 20,47]
→ Avec k=3, Bienaymé-Tchebychev garantit P(X̄∈intervalle) ≥ 1−1 9 ≈ 88,9% : ce n'est PAS un intervalle à 95%, mais une garantie plus faible (≈88,9%)
= σ(X̄₁₀₀₀)≈0,158 ; intervalle ≈[19,53;20,47] ; niveau de confiance garanti ≈88,9% (pas 95%)
Ex.8
Comparer les intervalles
★★
→ Largeur ≈ 2 √n (formule approchée pour p proche de 0,5). Pour n=100 : 2 10 = 0,2
→ Pour n=400 : 2 20 = 0,1
→ Pour n=1600 : 2 40 = 0,05
= Largeurs : 0,2 (n=100), 0,1 (n=400), 0,05 (n=1600) : quand n est multiplié par 4, la largeur est divisée par 2 (proportionnelle à 1 √n )
Ex.9
Test de conformité
★★★
→ f₆₀₀ = 120 600 = 0,2
→ Intervalle : [1 6 − 1 √600 ; 1 6 + 1 √600 ] ≈ [0,1667−0,0408 ; 0,1667+0,0408] ≈ [0,126 ; 0,207]
→ f₆₀₀=0,2 appartient à cet intervalle [0,126;0,207]
= f₆₀₀=0,2 ; intervalle de fluctuation ≈[0,126;0,207] ; le dé semble bien équilibré (la fréquence observée reste dans l'intervalle attendu)
★★★
Niveau 3 — Difficile
Ex. 10 à 12
Ex.10
Bienaymé-Tchebychev vs 95%
★★★
→ B-T : V(X̄₁₀₀)=σ²/n=25 100 =0,25 ; P(|X̄₁₀₀−30|≥1) ≤ 0,25 1² = 0,25
→ Approximation normale : σ(X̄₁₀₀)=0,5 ; Z=1 0,5 =2 ; P(|Z|≥2) ≈ 2×(1−0,9772) ≈ 0,0455
→ 0,0455 ≪ 0,25 : la borne de Bienaymé-Tchebychev est beaucoup plus large (moins précise) que l'approximation normale
= Borne B-T : ≤ 25% ; approximation normale : ≈ 4,55% — B-T est une borne universelle mais très large
Ex.11
Problème de qualité — Décision
★★★
→ p(1−p) n = 0,03×0,97 500 ≈ 0,0000582 ; √0,0000582 ≈ 0,00763 ; 1,96×0,00763 ≈ 0,01495
→ Intervalle de fluctuation ≈ [0,03−0,015 ; 0,03+0,015] = [0,015 ; 0,045]
→ Proportion observée : 30 500 = 0,06 > 0,045 (borne supérieure de l'intervalle)
= Intervalle ≈[1,5%;4,5%] ; 6% observé est HORS de l'intervalle : il faut alerter, le taux de défauts semble anormalement élevé
Ex.12
★ Défi BAC
★★★
→ Avec σ(fₙ)≤1 2√n , Bienaymé-Tchebychev avec k=√20 (car 1 k² =0,05) donne un demi-intervalle ε=k×1 2√n =√5 √n
→ Pour n=400 : ε=√5 20 ≈ 0,112
→ Avec fₙ=0,42 : intervalle = [0,42−0,112 ; 0,42+0,112] = [0,308 ; 0,532]
= Intervalle universel : [p−√5 √n ; p+√5 √n ] ; pour n=400, ε≈0,112 ; intervalle de confiance de p : [0,308;0,532] — comme 0,5 appartient à cet intervalle, on NE peut PAS affirmer p>0,5 au niveau de confiance 95%
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