EXERCICE 1 · 26-MATSPEGEAN1

Jeu de boules à la fête foraine

Arbre pondéré, loi de probabilité, espérance et condition d’équité d’un jeu.

Barème officiel
6 points
Temps conseillé
40 min
Parcours
Spécialité maths
Mis à jour

Énoncé

Durant une fête foraine, une urne contient dix boules. Chaque boule est soit verte, soit rouge, indiscernable au toucher.

Un jeu est proposé aux personnes présentes à la fête foraine. Pour y participer, le joueur doit d’abord payer 1 euro.

Ensuite :

  • le joueur tire une première boule qu’il donne au forain ; celui-ci note sa couleur puis remet la boule dans l’urne ;
  • le joueur tire une deuxième boule ; le forain note la couleur de ce deuxième tirage et remet à nouveau la boule dans l’urne.

Voici les récompenses qu’il obtient :

  • si le joueur a tiré deux boules rouges, il reçoit 3 euros ;
  • si le joueur a tiré deux boules vertes, il reçoit 1 euro ;
  • sinon il ne reçoit pas d’argent.

Partie A

Dans cette partie, on considère que cette urne contient 1 boule rouge et 9 boules vertes.

On note :

  • R1R_1 l’événement : « la première boule tirée est rouge » ;
  • R2R_2 l’événement : « la deuxième boule tirée est rouge ».
  1. Recopier et compléter l’arbre pondéré ci-dessous représentant la situation.
Arbre pondéré à compléterL’arbre décrit deux tirages avec remise. Les premières branches indiquent la couleur de la première boule et les suivantes celle de la deuxième boule. Les six probabilités sont à compléter.………………R₂R₂R₂R₂R₁R₁
  1. On note XX la variable aléatoire donnant le gain algébrique du joueur, c’est-à-dire la différence entre la somme reçue après les deux tirages et les frais de participation au jeu de 1 euro.

    a. Donner les valeurs prises par la variable aléatoire XX.

    b. Montrer que P(X=−1)=18100P(X=-1)=\dfrac{18}{100}.

    c. Recopier et compléter le tableau suivant donnant la loi de probabilité de XX.

kk
P(X=k)P(X=k)

d. Calculer l’espérance de XX. Interpréter le résultat.

Partie B

Dans cette partie, on considère que cette urne contient maintenant nn boules rouges et 10−n10-n boules vertes, où nn est un nombre entier naturel avec 0⩽n⩽100\leqslant n\leqslant10.

On note YY la variable aléatoire donnant le gain algébrique après les deux tirages.

  1. Démontrer que :

    E(Y)=4n2−20n100.E(Y)=\frac{4n^2-20n}{100}.

    On expliquera la démarche mise en œuvre. Toute démarche, même incomplète, sera prise en compte dans la notation.

  2. Pour combien de boules rouges dans l’urne le jeu est-il équitable entre le joueur et le forain ?

Voir la correction détaillée

Cette correction est proposée par le site. Elle ne constitue pas un corrigé officiel du ministère.

Partie A — Étudier le jeu avec une boule rouge

1. Compléter l’arbre

L’urne contient une boule rouge sur dix, donc :

P(R1)=110etP(R1‾)=910.P(R_1)=\frac1{10} \qquad\text{et}\qquad P(\overline{R_1})=\frac9{10}.

La première boule est remise dans l’urne. Sa composition ne change donc pas avant le second tirage. Sur chacune des branches du premier niveau :

P(R2)=110etP(R2‾)=910.P(R_2)=\frac1{10} \qquad\text{et}\qquad P(\overline{R_2})=\frac9{10}.

2. Déterminer la loi de XX

a. Il faut retirer le prix d’entrée de 1 euro à chaque récompense :

  • deux boules rouges donnent un gain de 3−1=23-1=2 euros ;
  • deux boules vertes donnent un gain de 1−1=01-1=0 euro ;
  • deux boules de couleurs différentes donnent un gain de 0−1=−10-1=-1 euro.

Ainsi, XX prend les valeurs −1-1, 00 et 22.

b. Le gain vaut −1-1 lorsque les deux boules sont de couleurs différentes. Deux chemins de l’arbre conviennent :

P(X=−1)=P(R1∩R2‾)+P(R1‾∩R2)=110×910+910×110=18100.\begin{aligned} P(X=-1) &=P(R_1\cap\overline{R_2}) +P(\overline{R_1}\cap R_2)\\ &=\frac1{10}\times\frac9{10} +\frac9{10}\times\frac1{10}\\ &=\boxed{\frac{18}{100}}. \end{aligned}

c. Pour les deux autres gains :

P(X=0)=910×910=81100P(X=0)=\frac9{10}\times\frac9{10}=\frac{81}{100}

et

P(X=2)=110×110=1100.P(X=2)=\frac1{10}\times\frac1{10}=\frac1{100}.

La loi de probabilité de XX est donc :

kk−1-10022
P(X=k)P(X=k)18100\dfrac{18}{100}81100\dfrac{81}{100}1100\dfrac{1}{100}

d. L’espérance de XX vaut :

E(X)=(−1)×18100+0×81100+2×1100=−16100=−0,16.\begin{aligned} E(X) &=(-1)\times\frac{18}{100} +0\times\frac{81}{100} +2\times\frac1{100}\\ &=-\frac{16}{100}\\ &=\boxed{-0{,}16}. \end{aligned}

Sur un grand nombre de parties, un joueur perd en moyenne 0,16 euro par partie. Le jeu est donc avantageux pour le forain.

Partie B — Faire varier la composition de l’urne

  1. La probabilité de tirer une boule rouge est n10\dfrac n{10} et celle de tirer une boule verte est 10−n10\dfrac{10-n}{10}.

    Le gain YY vaut 22 si les deux boules sont rouges, 00 si elles sont toutes les deux vertes et −1-1 si elles sont de couleurs différentes. Ainsi :

    P(Y=2)=n2100P(Y=2)=\frac{n^2}{100}

    et

    P(Y=−1)=2×n10×10−n10=2n(10−n)100.P(Y=-1) =2\times\frac n{10}\times\frac{10-n}{10} =\frac{2n(10-n)}{100}.

    On en déduit :

    E(Y)=2×n2100+0×P(Y=0)−2n(10−n)100=2n2−20n+2n2100=4n2−20n100.\begin{aligned} E(Y) &=2\times\frac{n^2}{100} +0\times P(Y=0) -\frac{2n(10-n)}{100}\\ &=\frac{2n^2-20n+2n^2}{100}\\ &=\boxed{\frac{4n^2-20n}{100}}. \end{aligned}
  2. Le jeu est équitable lorsque le gain moyen du joueur est nul. On résout donc E(Y)=0E(Y)=0 :

    4n2−20n100=0  ⟺  4n(n−5)=0  ⟺  n=0oun=5.\frac{4n^2-20n}{100}=0 \iff 4n(n-5)=0 \iff n=0\quad\text{ou}\quad n=5.

    Ces deux valeurs appartiennent bien à l’ensemble des entiers compris entre 00 et 1010. Le jeu est équitable lorsque l’urne contient 0 ou 5 boules rouges.