La Spécialité Maths en Première

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Probabilités conditionnelles

Exercice 6

Un exercice qui permet de se perfectionner en PYTHON, mais qui ne serait pas donné tel quel dans un devoir surveillé...

Le plan est rapporté au repère orthonormé (O,I,J).
Soit $\C$ le cercle de centre O et de rayon 1.
Soit A(1;1).

méthode de Monte Carlo
  1. Soit M un point de coordonnées $(x, y)$.
    Exprimer la distance OM en fonction de $x$ et $y$.

  2. Soit $\D$ le quart de disque de centre O de rayon 1 situé dans le premier quadrant.
    On suppose que $\D$ est privé des points I et J.
    $\D$ est hachuré en rouge sur le graphique.
    On considère un point M de coordonnées (x, y), avec $0≤x$<$1$ et $0≤y$<$1$.
    Expliquer pourquoi le point M est dans $\D$ si et seulement si $x^2+y^2≤1$.

  3. Quelle est l'aire de $\D$?
    Quelle est l'aire du carré OIAJ ?

  4. On tire aléatoirement les valeurs des nombres réels x et y dans l'intervalle $[0;1[$, puis on place le point M de coordonnées (x;y) sur le graphique.
    Le point M est nécessairement dans le carré OIAJ.
    Quelle est la probabilité que le point M appartienne à $\D$?

  5. On répète $n$ fois de suite l'expérience précédente.
    Soit $m$ le nombre de points dans $\D$.
    Expliquer pourquoi, le rapport ${m}/{n}$ est certainement une approximation du nombre ${π}/{4}$ si le nombre de tirages $n$ est grand.

  6. Compléter les lignes 12, 14, 15 et 18 du programme suivant, écrit en Python, pour qu'il permette de simuler les $n$ expériences ci-dessus, et qu'il affiche finalement la valeur de ${m}/{n}$
    fig13
    Toute phrase qui suit un dièse (#) est un commentaire.
    Les instructions concernant l'affichage graphique et les entrées-sorties ne sont pas exigibles, c'est pourquoi elles sont toutes commentées.

  7. Faire fonctionner le programme pour n=200.

  8. Faire fonctionner le programme pour n=10 000.
    Donner la valeur de la fréquence obtenue arrondie à 0,01 près, et comparer à ${π}/{4}$.

  9. On a adapté le programme pour qu'il permette d'obtenir une valeur approchée de l'aire du domaine hachuré sur le dessin suivant.
    fig16
    La fonction représentée ci-dessus est la fonction $f$ définie par $f(x)=(2x+x^2)exp(x)+0,5$ sur l'intervalle $[0,2;1]$.
    Voici le programme.
    fig17
    Compléter le programme proposé. Le faire fonctionner, et estimer l'aire.
Solution...
Corrigé

fig12

  1. Soit M un point de coordonnées $(x, y)$.
    On a: ${OM}↖{→}(x;y)$.
    Et comme le repère est orthonormé, on obtient: $OM=√{x^2+y^2}$

  2. Soit $\D$ le quart de disque de centre O de rayon 1, situé dans le premier quadrant, et privé des points I et J.
    Un point M de coordonnées (x, y), où $0≤x$<$1$ et $0≤y$<$1$, est situé dans le carré OIAJ privé des bords [IA] et [AJ].
    Comme $\D$ a pour rayon 1, un tel point M est dans $\D$ si et seulement si $OM≤1$,
    c'est à dire: si et seulement si $OM^2≤1^2$ (car OM est positif
    c'est à dire: si et seulement si $x^2+y^2≤1$.

  3. L'aire de $\D$ vaut $a_D={π×OM^2}/{4}={π×1^2}/{4}=$${π}/{4}$
    L'aire du carré OIAJ vaut $a_C=OI^2=1^2=$$1$

  4. La probabilité que le point M appartienne à $\D$ vaut $p={a_D}/{a_C}={{π}/{4}}/{1}=$${π}/{4}$

  5. On répète $n$ fois de suite l'expérience citée.
    Soit $f$ la fréquence des points M se retrouvant dans $\D$
    Soit $p$ la probabilité qu'un point M appartienne à$\D$.
    Et $f$ est certainement proche de $p$ si $n$ est suffisamment grand.
    Or, comme $m$ est le nombre de points dans $\D$, on a: $f={m}/{n}$
    Et par ailleurs, on a: $p={π}/{4}$.
    Donc le rapport ${m}/{n}$ est certainement une approximation du nombre ${π}/{4}$ si le nombre de tirages $n$ est grand.
    La méthode utilisée s'appelle la méthode de Monte Carlo.

  6. Voici le programme complété pour qu'il permette de simuler les $n$ expériences ci-dessus, et qu'il affiche finalement la valeur de ${m}/{n}$
    fig14

  7. Voici la fenêtre qui s'affiche pour n=200. Evidemment, le caractère aléatoire du placement des points vous donnera un graphique légèrement différent!
    Attention! Il faut fermer la fenêtre pour que le programme se termine.
    fig15

  8. Pour n=10 000, j'ai obtenu une fréquence de 0,79 arrondie à 0,01 près, très proche de ${π}/{4}$ qui vaut également environ 0,79 arrondi à 0,01 près.

  9. Voici le programme complété.
    fig18
    Pour n=10 000, j'ai obtenu une estimation de l'aire égale à 3,11 arrondie à 0,01 près, très proche de 3,07, trouvée par une autre méthode dans un exercice de niveau seconde.
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