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Ressources pour la classe terminale générale et technologique Probabilités et s

Ressources pour la classe terminale générale et technologique Probabilités et statistique Ces documents peuvent être utilisés et modifiés librement dans le cadre des activités d'enseignement scolaire, hors exploitation commerciale. Toute reproduction totale ou partielle à d’autres fins est soumise à une autorisation préalable du Directeur général de l’enseignement scolaire. La violation de ces dispositions est passible des sanctions édictées à l’article L.335-2 du Code la propriété intellectuelle. Février 2012 © MENJVA/DGESCO ►eduscol.education.fr/prog Ressources pour le lycée général et technologique éduSCOL Ministère de l’éducation nationale, de la jeunesse et de la vie associative (DGESCO) Février 2012 Mathématiques – Probabilités et statistique http://eduscol.education.fr/prog Introduction Le document ressource pour la partie du programme de la classe terminale « Probabilités et statistique » donne des éléments détaillés permettant aux professeurs de construire leur propre cours. Il ne s’agit pas d’un modèle reproductible tel quel mais d’un support théorique sur les notions introduites pour la première fois dans les programmes du secondaire. Ces notions sont enseignées dans différents cursus de l’enseignement supérieur mais le point de vue adopté dans le programme de la classe terminale est assez différent. Les fondements de théorie des probabilités indispensables pour comprendre les notions de statistique inférentielle présentes dans le programme sont développés aussi précisément que possible à ce niveau d’enseignement. La loi normale est introduite en terminale S comme loi-limite d’une suite de variables aléatoires grâce au théorème de Moivre-Laplace. Bien qu’admis, ce théorème se visualise facilement grâce à des animations avec un logiciel de géométrie dynamique ou sur tableur et c’est sous cette forme que la loi normale doit être introduite en terminale ES. La notion d’intervalle de fluctuation d’une variable aléatoire a été introduite en seconde et développée en première dans le cadre de la loi binomiale à l’aide de calculs sur tableur. Elle est enrichie par la notion d’intervalle de fluctuation asymptotique d’une variable aléatoire fréquence qui présente l’intérêt de pouvoir se déterminer par un simple calcul. La notion d’intervalle de confiance pour une proportion est introduite grâce à l’intervalle de fluctuation asymptotique. Tous les nouveaux items sont présentés avec des activités. Celles-ci sont souvent mises en œuvre sur calculatrices ou avec un algorithme. Des exemples d’exercices sont également proposés. Un complément sur les lois uniforme et exponentielles est proposé, leur approche ayant été modifiée. L’annexe 1 présente un historique du théorème de Moivre-Laplace en montrant que le concept de fluctuation d’une variable aléatoire autour de son espérance est apparu très tôt avec Jacques Bernoulli et a gagné en précision avec Moivre puis Laplace. L’annexe 2 donne des compléments sur les lois normales, en particulier sur la fonction de répartition. Cette dernière n’est pas un attendu du programme mais est utilisée par les calculatrices pour les calculs de probabilités sur les lois normales. L’annexe 3 propose une introduction à la théorie des sondages et donne quelques méthodes couramment utilisées. L’annexe 4 donne le descriptif des fichiers tableurs, des animations et des algorithmes écrits dans différents langages (Algobox, Scilab, R,...) figurant dans le document. Tous ces fichiers sont téléchargeables. Une aide à la prise en main du logiciel R est également fournie. L’annexe 5 donne une approche du calcul numérique d’une intégrale par la méthode de Monte-Carlo. L’annexe 6 fournit des éléments de justification à propos de la notion de différence significative et du critère de disjonction des intervalles de confiance présenté dans le programme de la filière STI2D- STL. Ces éléments n’ont pas à être abordés avec les élèves. Un document annexe propose une démonstration du théorème de Moivre-Laplace, élaborée de telle sorte que seuls des outils de terminale1 y sont utilisés. Bien entendu cette démonstration n’est pas au programme mais le théorème de Moivre-Laplace en étant le socle théorique fondamental pour la partie probabilités, il a semblé intéressant d’en faire une proposition de démonstration. Le théorème de Moivre-Laplace étant un cas particulier d’un théorème général connu sous le nom de théorème-limite central, une approche de ce théorème est proposée à partir de la loi des erreurs. 1 À l’exception d’un changement de variable (linéaire) incontournable.... Ministère de l’éducation nationale, de la jeunesse et de la vie associative (DGESCO) Page 2 sur 70 Mathématiques - Probabilités et statistique http://eduscol.education.fr/prog Table des matières Introduction........................................................................................................................... 1 I. Variable centrée réduite 4 A. Comment centrer et réduire..................................................................................................... 4 B. Pourquoi centrer et réduire ? ................................................................................................... 4 II. La loi normale centrée réduite 5 A. Activité : Introduction au théorème de Moivre-Laplace ......................................................... 5 B. Théorème de Moivre-Laplace ................................................................................................. 7 C. La loi normale centrée réduite................................................................................................. 8 1. Premières propriétés......................................................................................................................... 8 2. Espérance d’une loi normale centrée réduite (uniquement en terminale S) .................................. 10 III. Lois normales 10 A. Généralités............................................................................................................................. 10 B. Exemples d’exercices............................................................................................................ 12 IV. Intervalle de fluctuation 18 A. Cas binomial.......................................................................................................................... 18 B. Activité : recherche et utilisation d’un intervalle de fluctuation à l’aide d’un algorithme.... 18 C. Intervalle de fluctuation asymptotique.................................................................................. 20 D. Exemples d’utilisation........................................................................................................... 22 1. Prise de décision ............................................................................................................................. 22 2. Problème de la surréservation (surbooking)................................................................................... 23 3. Echantillon représentatif d’une population pour un sondage......................................................... 24 E. Intervalle de fluctuation simplifie donné en seconde ............................................................ 25 Exemples d’exercices ................................................................................................................................ 28 V. Intervalle de confiance 30 A. Introduction ........................................................................................................................... 30 Activité ...................................................................................................................................................... 31 B. Principe général de l’intervalle de confiance ........................................................................ 33 C. Définition .............................................................................................................................. 33 D. Intervalle de fluctuation ou intervalle de confiance : lequel utiliser ?................................... 34 E. Autre intervalle de confiance................................................................................................. 35 F. Étude de la longueur de l’intervalle de fluctuation et conséquence pour l’intervalle de confiance........................................................................................................................................ 35 G. Détermination de la taille minimale de l’échantillon pour avoir une précision donnée........ 36 H. Applications........................................................................................................................... 37 1. Exemple de détermination d’un intervalle de confiance ................................................................. 37 2. Simulations...................................................................................................................................... 37 Exemples d’exercices ................................................................................................................................ 39 Ministère de l’éducation nationale, de la jeunesse et de la vie associative (DGESCO) Page 3 sur 70 Mathématiques - Probabilités et statistique http://eduscol.education.fr/prog VI. Compléments sur les lois uniforme et exponentielle 42 A. Loi uniforme.......................................................................................................................... 42 B. Lois exponentielles................................................................................................................ 44 Annexe 1 Introduction au théorème de Moivre-Laplace 45 A. La loi des grands nombres de Jacques Bernoulli ................................................................... 45 B. La démarche d’Abraham de Moivre...................................................................................... 46 C. Une approche du résultat de Moivre ...................................................................................... 47 D. Le théorème de Moivre-Laplace ........................................................................................... 48 E. Convergence en loi ................................................................................................................ 49 Annexe 2 Compléments sur les lois normales 50 A. Loi normale centrée réduite................................................................................................... 50 B. Lois normales ........................................................................................................................ 51 Annexe 3 Approche simplifiée de la théorie des sondages 51 A. Qualités d’un échantillon permettant de répondre à une question posée ................................. 51 B. Echantillonnage non-probabiliste ou non aléatoire .................................................................. 52 C. Echantillonnage probabiliste .................................................................................................... 53 Annexe 4 Utilisation des Tice 54 A. Tableau des fichiers du document ressource Probabilités et Statistique du programme de Terminale. ...................................................................................................................................... 54 B. Prise en main rapide du logiciel R............................................................................................ 57 Annexe 5 Méthode de Monte-Carlo 66 A. Méthode dite du « rejet »....................................................................................................... 66 B. Méthode de l’espérance......................................................................................................... 68 Annexe 6 Comparaison de deux frequences et difference significative 69 A. Une situation tres fréquente en sciences experimentales et en economie ............................. 69 B. Comparaison de deux frequences.......................................................................................... 70 C. Intersection de deux intervalles de confiance........................................................................ 70 Ministère de l’éducation nationale, de la jeunesse et de la vie associative (DGESCO) Page 4 sur 70 Mathématiques - Probabilités et statistique http://eduscol.education.fr/prog I. Variable centrée réduite A. Comment centrer et réduire Une variable aléatoire est dite centrée et réduite si son espérance est nulle et si son écart type vaut 1. Soit une variable aléatoire discrète d’espérance E(X) = m, de variance V(X) et d’écart type X ) ( V X   non nul.  La variable aléatoire ) ( m X  a une espérance nulle  La variable aléatoire  m X Z   a une espérance nulle et une variance égale à 1, donc un écart type égal à 1. Attention L’écart-type d’une variable aléatoire suivant une loi binomiale ne fait pas partie des contenus mentionnés dans le programme des classes de première ES et L. Il convient donc, avant d’aborder le chapitre sur la loi normale en terminale, de l’introduire en lien avec l’écart-type d’une série statistique et d’en faire percevoir les effets dans le cadre d’une activité de simulation. Si une variable X prend ses valeurs entre 0 et n, ) ( m X  les prend entre et n donc m  m   m X Z   les prend entre  m  et  m n  . Si la variable aléatoire X est représentée par un diagramme en bâtons, on obtient la représentation de la variable ) ( m X  par translation de vecteur – m de ce diagramme. Puis on obtient la représentation de la variable aléatoire Z par « réduction » du nouveau diagramme. Les abscisses sur lesquelles sont construits les bâtons sont les valeurs de i   m X  et les hauteurs des bâtons sont les mêmes que celles obtenues pour la variable X, cela conduit à une concentration si 1 . Sur le graphique ci-dessous, on a à droite le diagramme en bâton d’une variable X, à gauche en clair uploads/s1/ eduscol-lyceegt-ressources-math-t-proba-stat-fevrier-2012.pdf