Probabilités pour ingénieurs et pour presque tous les non mathématiciens (1.2)

Chapitre 1.- Quelques notions de base

1. Introduction
2. Définition de quelques termes reliés aux ensembles et aux probabilités
3. La probabilité d'un événement et sa détermination
4. L'espace échantillonnal fini et son dénombrement
5. Les probabilités conditionnelles
6. Les événements indépendants
7. La partition de l'espace échantillonnal, la loi de probabilité totale et le théorème de Bayes
   
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   LEÇON 1.2 - Définition de quelques termes reliés aux ensembles et aux probabilités
   
   Dans cette deuxième leçon le lecteur maîtrisera le sens des termes définis dans les quatre questions suivantes :

1. Expérience aléatoire, espace échantillonnal, événement.
2. Espace échantillonnal fini, espace échantillonnal infini dénombrable, espace échantillonnal indénombrable.
3. Ensemble vide, réunion, intersection, complémentaire.
4. Diagramme de Venn.

1.2.1 Expérience aléatoire, espace échantillonnal, événement.

Dans la leçon précédente, on a commencé à se faire une idée de ce que sont une expérience aléatoire, un événement. Nous allons ici définir plus systématiquement ces termes et d’autres.

Les probabilités ont leurs propres notations, leurs propres symboles, leurs propres définitions. Ce sont des outils qui permettent de synthétiser les concepts.

Tout problème de probabilité est posé en commençant par définir l’information disponible et les quantités à estimer.

Expérience aléatoire.- La théorie des probabilités est née de situations de la vie courante dans lesquelles une expérience est réalisée et l’expérimentateur en observe le résultat. Ce genre d’expériences s’appelle expérience aléatoire. On peut décrire avant l’expérience, l’ensemble des résultats possibles.

Espace échantillonnal.- L’ensemble des résultats possibles d’une expérience aléatoire constitue l’espace échantillonnal.

Une probabilité est la chance qu’un certain résultat se produise parmi tous les résultats possibles pour un processus aléatoire donné. Le processus est dit aléatoire parce que vous conduisez une expérience, ou vous collectez des données, et vous ne savez pas quels résultats vont se présenter à vous à un moment donné, même si vous connaissez à l’avance l’ensemble des résultats possibles associés à l’expérience en question. Donc avant de faire l’expérience, vous déterminez la liste complète des résultats possibles, c’est-à-dire, l’espace échantillonnal que l’on note S. Il s’agit d’un ensemble.

Exemple C1.L2.1

Si le processus aléatoire (expérience) consiste à lancer un dé en l’air, les six résultats possibles forment l’espace échantillonnal :
S = {1, 2, 3, 4, 5, 6}.

Événement.- Un sous-ensemble d’un espace échantillonnal donné S est appelé un événement et est noté par une lettre majuscule A, B, C, D, etc.

Exemple C1.L2.2

Étant donné l’expérience aléatoire consistant à lancer en l’air un dé une fois et dont l’espace échantillonnal est : S = {1, 2, 3, 4, 5, 6}, l’événement A : «Le résultat du lancer est un nombre impair» se note : A = {1, 3, 5}. L’événement B : «Le résultat est un nombre plus grand que 2 mais différent de 5» se note : B = {3, 4, 6}.


1.2.2 Espace échantillonnal fini, espace échantillonnal infini dénombrable, espace échantillonnal indénombrable.-

Espace échantillonnal fini.-

Si l’on peur écrire et compter tous les éléments d’un espace échantillonnal S, on dit qu’il est un espace échantillonnal fini. L’ensemble S de l’exemple C1.L2.1 est un ensemble fini.

Exemple C1.L2.3

On jette en l’air à trois reprises une même pièce de monnaie équilibrée et l’on note à chaque fois sur quel côté elle tombe. L’espace échantillonnal s’écrit :
S = {PPP, PPF, PFP, PFF, FPF, FPP, FFP, FFF}.

Exemple C1.L2.4

On jette en l’air à trois reprises une même pièce de monnaie équilibrée et l’on note combien de fois elle tombe sur le côté face. L’espace échantillonnal s’écrit :
S = {0, 1, 2, 3}.

Espace échantillonnal infini dénombrable.-

L’espace échantillonnal est infini dénombrable si l’on dispose d’un moyen de montrer la progression des résultats (éléments) à partir des premiers résultats (discrets) mais le nombre total des résultats (éléments) est infini.

Exemple C1.L2.5

À l’aide d’un moniteur, on compte les radiations émises par une source radioactive dans un intervalle d’une minute. On a dans ce cas l’espace échantillonnal :
S = {0, 1, 2, 3,…}.
Il s’agit ici d’un espace échantillonnal infini dénombrable.

Espace échantillonnal indénombrable.-

L’espace échantillonnal est non dénombrable ou indénombrable si l’on a une situation où les résultats possibles sont trop nombreux et l’on ne peut les écrire dans une liste; on a alors recours à un intervalle pour décrire complètement les éléments de cet ensemble.

Exemple C1.L2.6

Par un certain procédé, on fabrique quotidiennement dans une usine un volume d’un certain produit mesuré suivant une certaine unité. La production journalière varie entre un minimum noté a et un maximum noté b. On choisit une journée au hasard et l’on note la quantité x produite cette journée-là. On a alors l’espace échantillonnal indénombrable suivant :
S = {x : x ε R, a ≤ x ≤ b}.

1.2.3 Ensemble vide, réunion, intersection, complémentaire

Ensemble vide

Si un événement ou un sous-ensemble d’un espace échantillonnal S ne contient aucun résultat, cet événement est un ensemble vide et est noté Ø.

Exemple C1.L2.7

On considère deux événements tirés de l’espace échantillonnal de l’exemple C1.L2.1 :
A = {1, 2, 3} et B = {4, 5, 6} sous-ensembles de S;
S = {1, 2, 3, 4, 5, 6}.
Les événements A et B n’ont aucun élément en commun. L’ensemble des éléments communs à A et à B est l’ensemble vide Ø.

Réunion et Intersection

On considère l’expérience du lancer d’un dé. Soit l’événement A : «le dé tombe sur une face supérieure ou égale à 3» et l’événement B : «le dé tombe sur une face impaire». On a :
A = {3, 4, 5, 6} et B = {1, 3, 5}.

La réunion des ensembles A et B se note A U B et s’écrit :
A U B = {1, 3, 4, 5, 6}.

L’intersection des ensembles A et B se note A ∩ B et s’écrit :
A ∩ B = {3, 5}.
Si deux ensembles n’ont aucun élément en commun, leur intersection est l’ensemble vide.


Complémentaire

On considère à nouveau l’expérience du lancer d’un dé et l’événement B = {1, 3, 5}. Le complémentaire de B dans l’espace échantillonnal S (voir l’exemple C1.L2.1) est formé des éléments de S qui n’appartiennent pas à B. Il se note B’ et s’écrit : B = {2, 4, 6}. C’est l’événement : «le dé tombe sur une face paire».


1.2.4 Diagramme de Venn

Une manière de représenter l’information reliée à un problème de probabilité est d’illustrer par un schéma : l’espace échantillonnal, tous les événements impliqués et tous les sous-ensembles qui sont formés quand des événements se recoupent.

L’un des schémas les plus utilisés pour représenter l’espace échantillonnal et les événements est le diagramme de Venn.

Un diagramme de Venn est un schéma dans lequel un grand rectangle représente l’espace échantillonnal S, des cercles (toutes autres surfaces limitées par une ligne fermée) représentent les divers événements impliqués dans le problème étudié.

Les diagrammes de Venn peuvent être utilisés pour organiser et visualiser des relations entre événements, pour déterminer des probabilités au-delà de celles qui sont données au départ.

Si deux événements ont une intersection non vide, leurs cercles se chevauchent.

Diagramme de Venn de deux événements A et B ayant une intersection non vide

Si deux événements sont mutuellement exclusifs, leurs cercles ne se coupent pas : leur intersection est un événement impossible.

Si deux événements sont mutuellement exclusifs, l’occurrence de l’un empêche celle de l’autre : l’occurrence des deux événements simultanément est impossible.

Diagramme de Venn de trois évennements A, B et C mutuellement exclusifs

Si deux événements sont collectivement exhaustifs, leur réunion est l’espace échantillonnal S tout entier.

Diagramme de Venn de quatre événements A, B, C et D mutuellement exclusifs et collectivement exhaustifs.

Fin de la Leçon 1.2


Références utilisées dans la préparation de cette leçon:

1. Hines, William W., Montgomery, Douglas C., Goldsman, David M., Borror, Connie M. (2005) Probabilités et statistique pour ingénieurs, Les Éditions de la Chenelière, 597 p., traduction de Probability and statistics in engineering, Fourth Edition, Wiley 2003 des mêmes auteurs et du chapitre 7 de Introduction to Statistical Quality Control, Fourth Edition, Montgomery, Douglas C. Wiley 2001.

2. Rumsey, Deborah (2006) Probability for Dummies, Wiley, 358 p.

3. Moi-même.
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Mise à jour 21 juin 2010