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12Partie 2 : Organisation, données, fonctions★★★ Tombe chaque annéeCycle 4 · BOEN 2020 · Thème B

Probabilités

Expérience aléatoire · événements · équiprobabilité · complémentaire · événements incompatibles · arbres pondérés · loi des grands nombres · simulation tableur.

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Comprendre

Pourquoi les probabilités ?

Vous lancez un dé : le résultat est imprévisible, mais vous savez que le 2 sort « 1 fois sur 6 en moyenne ». Une probabilité, c'est un nombre entre 0 et 1 qui mesure la chance qu'un événement se produise.

Elles sont partout : météo, jeux, assurances, médecine, sondages. Au CRPE, c'est l'un des sujets les plus testés (arbres pondérés, événement composé, lien avec le dénombrement (fiche N°7), simulation tableur). Bonne nouvelle : les probabilités demandent surtout de la méthode (bien définir les événements, construire l'arbre, lire les bonnes branches). Avec la méthode, ce sont des points assurés.

Vocabulaire et probabilité classique

TermeDéfinitionExemple (dé)
Expérience aléatoirerésultat imprévisible à l'avancelancer un dé équilibré
Issueun résultat élémentaire possible1, 2, 3, 4, 5 ou 6
Univers Ωensemble de toutes les issuesΩ = {1, 2, 3, 4, 5, 6}
Événementsous-ensemble de l'univers« pair » = {2, 4, 6}
Événement certainse réalise toujours (c'est Ω)« entre 1 et 6 »
Événement impossiblene se réalise jamais (c'est ∅)« obtenir 7 »
Une probabilité P(A) vérifie : 0 ≤ P(A) ≤ 1, P(Ω) = 1, P(∅) = 0. P(A) = 0 → impossible ; P(A) = 1 → certain ; P(A) = 0,5 → une chance sur deux.
Probabilité classique (Laplace)
P(A) = nombre d'issues favorables ÷ nombre total d'issues
Dé, A = « pair » : P(A) = 3/6 = 1/2
Jeu de 52 cartes, B = « un as » : P(B) = 4/52 = 1/13

Formule valable uniquement en situation d'équiprobabilité (dé équilibré, tirage au hasard d'objets identiques).

Événements composés : contraire, incompatibles, réunion

L'événement contraire
P(Ā) = 1 − P(A)
P(obtenir 6) = 1/6 → P(ne pas obtenir 6) = 5/6

Réflexe : « au moins un… » = 1 − P(aucun). Souvent beaucoup plus rapide que le calcul direct.

SituationFormule
Événement contraireP(Ā) = 1 − P(A)
Incompatibles (A ∩ B = ∅)P(A ∪ B) = P(A) + P(B)
Cas généralP(A ∪ B) = P(A) + P(B) − P(A ∩ B)
Probabilité classiqueP(A) = |A| ÷ |Ω|
Somme des probabilités des issuesΣ P(issues) = 1

Vérifier l'incompatibilité avant d'additionner

A = « pair » et B = « multiple de 3 » sur un dé ne sont pas incompatibles : 6 est dans les deux. P(A ∪ B) = 3/6 + 2/6 − 1/6 = 4/6 = 2/3, et non 5/6. Toujours vérifier si A ∩ B = ∅.

Les arbres pondérés : l'outil central

Règle 1 : multiplier sur un chemin
La probabilité d'un chemin = produit des branches.
P(chemin) = p₁ × p₂ × …
Règle 2 : additionner entre chemins
Un événement par plusieurs chemins = somme des chemins.
P(A) = P(chemin 1) + P(chemin 2) + …

Exemple (avec remise). Urne de 3 rouges et 5 bleues, deux tirages avec remise. P(une rouge et une bleue, dans n'importe quel ordre) = P(RB) + P(BR) = 3/8 × 5/8 + 5/8 × 3/8 = 15/64 + 15/64 = 30/64 = 15/32.

Deux vérifications obligatoires

Sur chaque nœud, la somme des branches sortantes vaut 1. Et la somme de tous les chemins finaux vaut 1. Si ce n'est pas le cas, il y a une erreur. Précisez toujours si le tirage est avec ou sans remise : sans remise, les probabilités du 2e tirage changent (après une rouge, l'urne 3R/5B devient 2R/5B).

Loi des grands nombres et simulation tableur

Fréquence observée
Mesurée dans une expérience réelle.
60 lancers, 8 fois le 6 → 8/60 ≈ 0,133
Varie d'une série à l'autre.
Probabilité (théorique)
Calculée à partir du modèle.
Dé équilibré → P(6) = 1/6 ≈ 0,167
Fixe, ne dépend d'aucune expérience.
Loi des grands nombres : quand n → ∞, fréquence observée(A) → P(A)
10 lancers : la fréquence du 6 peut être loin de 1/6
1 000 lancers : la fréquence est très proche de 1/6

C'est le pont entre statistiques et probabilités : la fréquence estime la probabilité, d'autant mieux que l'échantillon est grand.

L'erreur du joueur

La loi des grands nombres ne dit pas qu'« après 5 piles, on va avoir face ». Chaque lancer est indépendant des précédents. Il n'y a pas de « rattrapage » des essais passés.
Simulation tableur (attendue au cycle 4)
FormuleCe qu'elle fait
=ALEA()nombre décimal aléatoire dans [0 ; 1[
=ENT(ALEA()*6)+1simule un dé équilibré (résultat de 1 à 6)
=SI(ALEA()<0,5;"Pile";"Face")simule un lancer de pièce équilibrée
=NB.SI(A1:A1000;6)compte le nombre de 6 obtenus
=NB.SI(A1:A1000;6)/1000fréquence observée du 6 (approche 1/6)

Décortiquer =ENT(ALEA()*6)+1 : ALEA() donne un réel de 0 ; 1[, ×6 le ramène dans [0 ; 6[, ENT prend la partie entière (0 à 5), +1 décale vers {1, …, 6}. Les formules de tableur sont détaillées dans la [fiche N°27.

Le piège de la ficheTrès fréquent

Piège n°1 : appliquer P = favorables/total sans équiprobabilité

On croit : Utiliser la formule classique même quand les issues n'ont pas la même chance.

En réalité : La formule P(A) = cas favorables ÷ total n'est valable que si toutes les issues sont équiprobables.

Repérer dans l'énoncé : « au hasard », « dé équilibré », « pièce non truquée » → équiprobabilité.

Le piège de la ficheTrès fréquent

Piège n°2 : oublier d'additionner les chemins

On croit : P(exactement 1 rouge sur 2 tirages) = 3/8 × 5/8 = 15/64 (un seul chemin).

En réalité : Deux chemins mènent à « 1 rouge et 1 bleue » : RB et BR. P = 15/64 + 15/64 = 30/64.

Lister TOUS les chemins menant à l'événement avant de calculer.

Le piège de la ficheClassique

Piège n°3 : confondre avec et sans remise

On croit : Tirage sans remise dans 3R/5B : P(2e = R) = 3/8.

En réalité : Après une rouge, il reste 2R et 5B (7 billes) : P(2e = R | 1re = R) = 2/7.

Sans remise, recompter le contenu de l'urne avant chaque branche.

Le piège de la ficheFréquent

Piège n°4 : confondre fréquence et probabilité

On croit : 20 lancers, 5 fois le 6 : « le dé est truqué, P(6) = 1/4 ».

En réalité : 5/20 est une fréquence observée. Un tel écart est normal sur 20 lancers : on ne peut rien conclure.

La fréquence estime la probabilité. Pas de conclusion sur un petit nombre d'essais.

Ce que ça donne à l'écolele regard du futur enseignant

Au cycle 2, les élèves perçoivent l'aléatoire par des jeux de dés et de cartes, et distinguent ce qui est certain, impossible ou aléatoire : la fondation, sans probabilité formelle.

Au cycle 3, les programmes introduisent la notion de probabilité, la fréquence, et le lien fréquence / probabilité. Les élèves simulent des expériences (dés, puis tableur ou Scratch) pour observer la stabilisation des fréquences : la loi des grands nombres à leur niveau.

Ce qu'il faut apporter : comprendre pourquoi « lancer 10 fois un dé et obtenir 3 fois le 6 » ne contredit pas P(6) = 1/6. La simulation informatique, en multipliant les essais, rend cette loi observable, ce qui est impossible à la main.

Méthode

La méthode qui fait la différence

Avant tout calcul : définir l'univers, vérifier s'il y a équiprobabilité, et choisir le bon outil (formule directe, arbre, ou contraire). Chaque savoir-faire ci-dessous se termine par une vérification.
MéthodeCalculer une probabilité classique (1 épreuve)
Question type : « Dans un jeu de 52 cartes, probabilité d'obtenir un cœur ou un as ? »
1
Définir l'univers et les événements.
Ω = 52 cartes (équiprobables)
A = cœur (13), B = as (4)
2
Vérifier si les événements sont incompatibles.
A ∩ B = as de cœur = 1 carte → NON incompatibles
3
Appliquer la formule adaptée.
P(A ∪ B) = 13/52 + 4/52 − 1/52 = 16/52 = 4/13 ≈ 0,308
Sans soustraire l'as de cœur, on le compterait deux fois.
Checkpointà vous de jouer
30 secondes

Dé équilibré. Probabilité d'obtenir un nombre pair ou égal à 1 ?

MéthodeConstruire et lire un arbre pondéré (sans remise)
Question type : « Urne de 4 rouges et 6 vertes, 2 tirages sans remise. P(2 couleurs différentes) ? »
1
Probabilités du 1er tirage.
P(R) = 4/10 = 2/5, P(V) = 6/10 = 3/5
2
Probabilités du 2e tirage, sans remise (recompter).
Après R : P(V|R) = 6/9 = 2/3
Après V : P(R|V) = 4/9
3
Identifier les chemins favorables et additionner.
P(RV) = 2/5 × 2/3 = 4/15
P(VR) = 3/5 × 4/9 = 4/15
P = 4/15 + 4/15 = 8/15 ≈ 0,533
Les probabilités du 2e tirage dépendent du 1er : c'est la différence avec le tirage avec remise.
Checkpointà vous de jouer
30 secondes

Urne de 3 rouges, 2 bleues. Tirage de 2 sans remise. P(rouge puis bleue) ?

MéthodeUtiliser l'événement contraire (« au moins un »)
Question type : « 3 lancers d'une pièce équilibrée. P(au moins un Pile) ? »
1
Repérer « au moins un » → passer au contraire.
Ā = aucun Pile = 3 fois Face
2
Calculer P(Ā) (lancers indépendants → on multiplie).
P(FFF) = 1/2 × 1/2 × 1/2 = 1/8
3
Conclure avec P(A) = 1 − P(Ā).
P(A) = 1 − 1/8 = 7/8 = 0,875
Checkpointà vous de jouer
30 secondes

Urne 2R, 3B, 2 tirages avec remise. P(au moins une rouge) ?

MéthodeLire et expliquer une simulation tableur
Question type : « La colonne A contient =ENT(ALEA()*6)+1, la colonne B =SI(A1=6;1;0). Que calcule =SOMME(B1:B1000)/1000 ? »
1
Décortiquer les formules cellule par cellule.
ENT(ALEA()*6)+1 → dé de 1 à 6
SI(A1=6;1;0) → 1 si 6, sinon 0
2
Interpréter le calcul final.
SOMME(B1:B1000) = nombre de 6 sur 1 000 lancers
÷ 1 000 = fréquence observée du 6
3
Relier à la loi des grands nombres.
Cette fréquence approche 1/6 ≈ 0,167, d'autant mieux que n est grand.
Checkpointà vous de jouer
30 secondes

Que renvoie =SI(MOD(A1;2)=0;1;0) appliquée à un résultat de dé ?

Méthode bien en tête ? Entraînez-vous.