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IV Probabilités & dénombrement · Chapitre 16 / 17

Loi binomiale et épreuves indépendantes

Schéma de Bernoulli, arbre pondéré, épreuves indépendantes.

10 min de lecture
3 sections, 9 exemples
40 exercices · 4 problèmes

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L'essentiel en 30 secondes

Une épreuve de Bernoulli n'a que deux issues : succès (probabilité p) ou échec. Répétée n fois de façon identique et indépendante — le schéma de Bernoulli —, le nombre de succès X suit la loi binomiale B(n ; p) : P(X = k) = (k parmi n) × p^k × (1−p)^(n−k), avec E(X) = np et V(X) = np(1−p).

1 I. Épreuves et événements indépendants

1. Événements indépendants

2. Propriétés des événements indépendants

Démonstration (AA et B\overline{B} indépendants)
On a A=(AB)(AB)A = (A \cap B) \cup (A \cap \overline{B}) et ces deux événements sont incompatibles.

Donc P(A)=P(AB)+P(AB)P(A) = P(A \cap B) + P(A \cap \overline{B}), d'où :

P(AB)=P(A)P(AB)=P(A)P(A)×P(B)P(A \cap \overline{B}) = P(A) - P(A \cap B) = P(A) - P(A) \times P(B)

=P(A)(1P(B))=P(A)×P(B)= P(A)(1 - P(B)) = P(A) \times P(\overline{B})

Donc AA et B\overline{B} sont indépendants. \square

3. Succession d'épreuves indépendantes

4. Représentation par un arbre pondéré

2 II. Schéma de Bernoulli

1. Épreuve de Bernoulli

2. Schéma de Bernoulli

3. Nombre de chemins réalisant kk succès

Justification
Un chemin avec exactement kk succès correspond au choix des kk positions (parmi nn) où se produit un succès. L'ordre des positions choisies n'importe pas : c'est une combinaison de kk éléments parmi nn, d'où (nk)\binom{n}{k} chemins.

3 III. Loi binomiale

1. Définition

Démonstration
Chaque chemin de l'arbre réalisant exactement kk succès contient kk branches « succès » (probabilité pp) et nkn - k branches « échec » (probabilité 1p1 - p).

Par indépendance, la probabilité d'un tel chemin est pk(1p)nkp^k (1-p)^{n-k}.

Il y a (nk)\binom{n}{k} tels chemins.

Donc P(X=k)=(nk)pk(1p)nkP(X = k) = \binom{n}{k} \, p^k \, (1-p)^{n-k}. \square
Que cherche-t-on ?
E ou V somme
E : linéarité / V : additivité
E, V moyenne
E=μ, V=σ²/n
Majorer P
Tchebychev
Taille n
n ≥ σ²/(αδ²)
Fluctuation
I_n formule
Test H₀
f_n vs I_n
Convergence
LGN

2. Espérance, variance et écart-type

Démonstration de E(X)=npE(X) = np
On écrit X=X1+X2++XnX = X_1 + X_2 + \cdots + X_nXiX_i est la variable de Bernoulli associée à la ii-ème épreuve (Xi=1X_i = 1 si succès, Xi=0X_i = 0 si échec).

Chaque XiX_i a pour espérance E(Xi)=1×p+0×(1p)=pE(X_i) = 1 \times p + 0 \times (1-p) = p.

Par linéarité de l'espérance :

E(X)=E(X1)+E(X2)++E(Xn)=npE(X) = E(X_1) + E(X_2) + \cdots + E(X_n) = np \quad \square
Démonstration de V(X)=np(1p)V(X) = np(1-p)
Les variables X1,X2,,XnX_1, X_2, \ldots, X_n sont indépendantes.

Chaque XiX_i a pour variance V(Xi)=E(Xi2)[E(Xi)]2=pp2=p(1p)V(X_i) = E(X_i^2) - [E(X_i)]^2 = p - p^2 = p(1-p).

Par additivité des variances pour des variables indépendantes :

V(X)=V(X1)+V(X2)++V(Xn)=np(1p)V(X) = V(X_1) + V(X_2) + \cdots + V(X_n) = np(1-p) \quad \square

3. Calculs et propriétés

4. Représentation graphique

Ce chapitre est tombé au bac

20 sujets officiels de bac comportent un exercice sur ce chapitre — chaque corrigé est détaillé question par question.

Questions fréquentes

Quand utiliser la loi binomiale ?
Quand on répète nn fois, de façon indépendante, une même épreuve à deux issues (succès ou échec) de probabilité de succès pp constante. La variable qui compte les succès suit alors la loi binomiale B(n;p)\mathcal{B}(n\,;p), et P(X=k)=(nk)pk(1p)nkP(X = k) = \binom{n}{k}p^k(1-p)^{n-k}.
Quelles sont l'espérance et la variance d'une loi binomiale ?
Pour XX suivant B(n;p)\mathcal{B}(n\,;p), l'espérance vaut E(X)=npE(X) = np et la variance V(X)=np(1p)V(X) = np(1-p). L'écart-type est donc np(1p)\sqrt{np(1-p)}. L'espérance s'interprète comme le nombre moyen de succès sur un grand nombre de répétitions.
Comment reconnaître un schéma de Bernoulli ?
Trois conditions doivent être réunies : chaque épreuve n'a que deux issues, les épreuves sont indépendantes, et la probabilité de succès est la même à chaque fois. Un tirage sans remise, par exemple, ne vérifie pas la troisième condition.