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Terminale spécialité · Mathématiques · Probabilités · Chapitre 17

Concentration et loi des grands nombres

Fiche de cours4 min de lecturePar Robin RinguetMise à jour : octobre 2026

1Mesurer un écart à l’espérance

Notation. Pour une variable aléatoire XX d’espérance μ\mu, l’événement « XX s’écarte de μ\mu d’au moins ε\varepsilon » s’écrit ∣X−μ∣⩾ε\abs{X-\mu}\geq\varepsilon, c’est-à-dire X⩽μ−εX\leq\mu-\varepsilon ou X⩾μ+εX\geq\mu+\varepsilon. Son contraire est μ−ε<X<μ+ε\mu-\varepsilon<X<\mu+\varepsilon.

Théorème — inégalité de Bienaymé-Tchebychev. Si XX a pour espérance μ\mu et pour variance VV, alors pour tout réel ε>0\varepsilon>0 :

P(∣X−μ∣⩾ε)⩽Vε2,doncP(μ−ε<X<μ+ε)⩾1−Vε2.P\bigl(\abs{X-\mu}\geq\varepsilon\bigr)\leq\frac{V}{\varepsilon^{2}},\qquad\text{donc}\qquad P\bigl(\mu-\varepsilon<X<\mu+\varepsilon\bigr)\geq 1-\frac{V}{\varepsilon^{2}}.

Propriété — écarts en multiples de σ\sigma. Si σ>0\sigma>0, en prenant ε=kσ\varepsilon=k\sigma avec k>0k>0 :  P(∣X−μ∣⩾kσ)⩽1k2\ P\bigl(\abs{X-\mu}\geq k\sigma\bigr)\leq\dfrac{1}{k^{2}}. Ainsi P(∣X−μ∣⩾2σ)⩽0,25P\bigl(\abs{X-\mu}\geq 2\sigma\bigr)\leq 0{,}25 et P(∣X−μ∣⩾3σ)⩽19≈0,11P\bigl(\abs{X-\mu}\geq 3\sigma\bigr)\leq\frac19\approx 0{,}11 : l’écart type est l’unité naturelle de dispersion.

Remarque. Cette majoration est universelle : elle ne suppose rien sur la loi de XX. En contrepartie elle est souvent très large, et n’a d’intérêt que si Vε2<1\frac{V}{\varepsilon^{2}}<1.

2Moyenne d’un échantillon

Définition. Un échantillon de taille nn de la loi de XX est une liste (X1,…,Xn)(X_1,\dots,X_n) de variables aléatoires indépendantes suivant toutes cette loi. On pose Sn=X1+⋯+XnS_n=X_1+\cdots+X_n et Mn=SnnM_n=\dfrac{S_n}{n}.

Propriété. Si E(X)=μE(X)=\mu, V(X)=VV(X)=V et σ(X)=σ\sigma(X)=\sigma, alors

E(Sn)=nμ,V(Sn)=nV;E(Mn)=μ,V(Mn)=Vn,σ(Mn)=σn.E(S_n)=n\mu,\quad V(S_n)=nV;\qquad E(M_n)=\mu,\quad V(M_n)=\frac{V}{n},\quad \sigma(M_n)=\frac{\sigma}{\sqrt{n}}.

3Inégalité de concentration et loi des grands nombres

Théorème — inégalité de concentration. En appliquant Bienaymé-Tchebychev à MnM_n, pour tout réel ε>0\varepsilon>0 :

P(∣Mn−μ∣⩾ε)⩽Vn ε2.P\bigl(\abs{M_n-\mu}\geq\varepsilon\bigr)\leq\frac{V}{n\,\varepsilon^{2}}.

Théorème — loi des grands nombres. Pour tout réel ε>0\varepsilon>0 :  lim⁡n→+∞P(∣Mn−μ∣⩾ε)=0\ \lim\limits_{n\to+\infty}P\bigl(\abs{M_n-\mu}\geq\varepsilon\bigr)=0.

Remarque. Autrement dit, la probabilité que la moyenne observée sur un échantillon s’écarte de μ\mu d’au moins ε\varepsilon devient aussi petite que l’on veut pourvu que nn soit assez grand : c’est la justification théorique de l’estimation d’une espérance (ou d’une proportion) par une moyenne observée.

4Déterminer une taille d’échantillon

Méthode — précision ε\varepsilon et risque α\alpha. Pour garantir P(∣Mn−μ∣⩾ε)⩽αP\bigl(\abs{M_n-\mu}\geq\varepsilon\bigr)\leq\alpha, il suffit d’imposer Vnε2⩽α\dfrac{V}{n\varepsilon^{2}}\leq\alpha, c’est-à-dire

n⩾Vα ε2.n\geq\frac{V}{\alpha\,\varepsilon^{2}}.

On prend alors pour nn le plus petit entier vérifiant cette inégalité.

Remarque. Cas d’une proportion : si XX suit la loi de Bernoulli de paramètre pp, alors V=p(1−p)⩽14V=p(1-p)\leq\frac14 pour tout pp de [0 ;1]\intff{0}{1}. On peut donc toujours majorer VV par 14\frac14, ce qui donne une taille n⩾14αε2n\geq\dfrac{1}{4\alpha\varepsilon^{2}} valable quelle que soit la valeur inconnue de pp.

Méthode — comparer à la probabilité exacte. Lorsque la loi de XX est connue (souvent binomiale), calculer la probabilité exacte à la calculatrice et la comparer à la majoration : on constate que Bienaymé-Tchebychev est correcte mais peu précise.

Remarque — simulation. On illustre ces résultats en simulant NN échantillons de taille nn et en comptant la proportion de moyennes MnM_n situées à moins de k σnk\,\dfrac{\sigma}{\sqrt n} de μ\mu : la probabilité correspondante est au moins égale au minorant 1−1k21-\frac1{k^{2}}, et la proportion observée le dépasse en pratique nettement (environ 0,950{,}95 pour k=2k=2, contre 0,750{,}75) ; elle varie peu avec nn ; pour un écart ε\varepsilon fixé, en revanche, la proportion de moyennes à moins de ε\varepsilon de μ\mu augmente avec nn : l’histogramme des MnM_n se resserre autour de μ\mu.

5Savoir-faire du chapitre

Savoir-faire
  • Traduire un écart à l’espérance par une valeur absolue et passer à l’événement contraire.
  • Majorer P(∣X−μ∣⩾ε)P\bigl(\abs{X-\mu}\geq\varepsilon\bigr) par l’inégalité de Bienaymé-Tchebychev, en multiples de σ\sigma si besoin.
  • Calculer E(Mn)E(M_n), V(Mn)V(M_n), σ(Mn)\sigma(M_n) puis appliquer l’inégalité de concentration.
  • Déterminer une taille d’échantillon assurant une précision ε\varepsilon avec un risque au plus α\alpha, en majorant p(1−p)p(1-p) par 14\frac14 pour une proportion.
  • Énoncer et interpréter la loi des grands nombres ; comparer la majoration obtenue à la probabilité exacte.
  • Interpréter une simulation de NN échantillons de taille nn à la lumière de la concentration de MnM_n.

6Exemples types

Exemplemajorer une probabilité

On lance 100100 fois une pièce équilibrée ; XX, nombre de « pile », suit B(100 ;0,5)\mathcal{B}(100\,;0{,}5), donc μ=50\mu=50 et V=25V=25. Avec ε=10\varepsilon=10 : P(∣X−50∣⩾10)⩽25100=0,25P\bigl(\abs{X-50}\geq 10\bigr)\leq\dfrac{25}{100}=0{,}25, donc P(40<X<60)⩾0,75P(40<X<60)\geq 0{,}75. La valeur exacte de P(∣X−50∣⩾10)P\bigl(\abs{X-50}\geq 10\bigr), à la calculatrice, vaut environ 0,0570{,}057 : la majoration est correcte mais large.

Exempletaille d’un échantillon

On veut estimer une proportion inconnue pp à ε=0,02\varepsilon=0{,}02 près avec un risque α=0,05\alpha=0{,}05. En majorant V=p(1−p)V=p(1-p) par 14\frac14 : n⩾14×0,05×0,022=12 500n\geq\dfrac{1}{4\times 0{,}05\times 0{,}02^{2}}=12\,500. Un échantillon de 12 50012\,500 personnes suffit pour garantir P(∣Mn−p∣⩾0,02)⩽0,05P\bigl(\abs{M_n-p}\geq 0{,}02\bigr)\leq 0{,}05.

Exempleécart en multiples de σ\sigma

Une pièce usinée a une longueur XX d’espérance μ=40 mm\mu={40\,\mathrm{mm}} et d’écart type σ=0,3 mm\sigma={0{,}3\,\mathrm{mm}}. Alors P(∣X−40∣⩾0,9)=P(∣X−μ∣⩾3σ)⩽19P\bigl(\abs{X-40}\geq 0{,}9\bigr)=P\bigl(\abs{X-\mu}\geq 3\sigma\bigr)\leq\frac19 : au plus une pièce sur neuf (environ 11,1%{11{,}1\%}) s’écarte d’au moins 0,9 mm{0{,}9\,\mathrm{mm}} de la longueur moyenne.

Exempleinégalité de concentration

On lance 1 0001\,000 fois un dé équilibré et l’on note M1000M_{1000} la moyenne des résultats obtenus. Ici μ=3,5\mu=3{,}5 et V=3512≈2,92V=\frac{35}{12}\approx 2{,}92, donc P(∣M1000−3,5∣⩾0,2)⩽35/121 000×0,22≈0,073P\bigl(\abs{M_{1000}-3{,}5}\geq 0{,}2\bigr)\leq\dfrac{35/12}{1\,000\times 0{,}2^{2}}\approx 0{,}073 : avec une probabilité d’au moins 0,9270{,}927, la moyenne observée est strictement comprise entre 3,33{,}3 et 3,73{,}7.

Pièges
  • Bienaymé-Tchebychev donne une majoration, jamais une valeur : écrire P(∣X−μ∣⩾ε)=Vε2P\bigl(\abs{X-\mu}\geq\varepsilon\bigr)=\frac{V}{\varepsilon^{2}} est faux.
  • Ne pas confondre VV et σ\sigma : le dénominateur contient ε2\varepsilon^{2} et le numérateur la variance, pas l’écart type.
  • Dans l’inégalité de concentration, c’est la variance de la loi initiale qui apparaît, divisée par nn : Vnε2\frac{V}{n\varepsilon^{2}}, et non Vε2\frac{V}{\varepsilon^{2}}.
  • Une majoration supérieure ou égale à 11 n’apporte aucune information : l’inégalité n’est utile que pour ε\varepsilon assez grand, ou nn assez grand.
  • La loi des grands nombres porte sur la probabilité d’un écart, pas sur une compensation des résultats passés : un tirage n’est jamais « en retard ».
  • Multiplier la précision par 22 (c’est-à-dire diviser ε\varepsilon par 22) multiplie la taille d’échantillon nécessaire par 44, et non par 22.

Exercices, contrôles et sujets

Les énoncés sont en accès libre, à télécharger en PDF.

1

Exercices de base

PDF

Les bases : inégalité de Bienaymé-Tchebychev, écarts en multiples de σ\sigma, inégalité de concentration, taille d’un échantillon

9 exercicesniveau Difficulté 1 sur 3 à Difficulté 2 sur 3durée conseillée : 2 hcalculatrice autorisée

  1. Appliquer l’inégalitéDifficulté 1 sur 3
  2. Traduire un écart avec une valeur absolueDifficulté 1 sur 3
  3. L’écart type comme unité de dispersionDifficulté 1 sur 3
  4. Majoration contre probabilité exacteDifficulté 2 sur 3
  5. Moyenne d’un échantillonDifficulté 1 sur 3
  6. L’inégalité de concentrationDifficulté 2 sur 3
  7. Choisir la taille de l’échantillonDifficulté 2 sur 3
  8. Fréquence d’un caractère dans un sondageDifficulté 2 sur 3
  9. Des moyennes de plus en plus concentréesDifficulté 2 sur 3
2

Exercices d'application

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Problèmes : contrôle de masse, sondage, jeu répété, simulations Python, marche aléatoire, stabilisation d’une fréquence

8 exercicesniveau Difficulté 2 sur 3durée conseillée : 2 h 30calculatrice autorisée

  1. Des sachets de caféDifficulté 2 sur 3
  2. Un sondage avant une électionDifficulté 2 sur 3
  3. Un jeu répétéDifficulté 2 sur 3
  4. Simuler des échantillons en PythonDifficulté 2 sur 3
  5. Contrôle d’une productionDifficulté 2 sur 3
  6. Une marche aléatoireDifficulté 2 sur 3
  7. La fréquence se stabilise-t-elle ?Difficulté 2 sur 3
  8. Vrai ou faux ?Difficulté 2 sur 3
3

Contrôle A

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QCM, temps d’attente à un guichet, contrôle de qualité, sondage et algorithme Python

Durée : 1 hcalculatrice autorisée4 exercices indépendantsbarème sur 20

  1. Questionnaire à choix multiples5 ptsDifficulté 1 sur 3
  2. Le temps d’attente à un guichet5 ptsDifficulté 2 sur 3
  3. Un contrôle de qualité6 ptsDifficulté 2 sur 3
  4. Un sondage4 ptsDifficulté 2 sur 3
4

Contrôle B

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Cours et automatismes, surréservation d’un vol, borne de recharge, estimation d’une probabilité inconnue

Durée : 1 hcalculatrice autorisée4 exercices indépendantsbarème sur 20

  1. Cours et automatismes4 ptsDifficulté 1 sur 3
  2. Surréservation d’un vol6 ptsDifficulté 3 sur 3
  3. Une borne de recharge6 ptsDifficulté 2 sur 3
  4. Estimer la probabilité d’un événement4 ptsDifficulté 3 sur 3
5

Approfondissement

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Pour aller plus loin : démonstration de Bienaymé-Tchebychev, inégalité de Markov, cas d’égalité, théorème de Bernoulli, marche aléatoire en n\sqrt n

6 exercicesniveau Difficulté 3 sur 3durée conseillée : 2 h 30calculatrice autorisée

  1. Démontrer l’inégalité de Bienaymé-TchebychevDifficulté 3 sur 3
  2. L’inégalité de Markov (hors programme — pour aller plus loin)Difficulté 3 sur 3
  3. L’inégalité peut-elle être améliorée ?Difficulté 3 sur 3
  4. De Bienaymé-Tchebychev au théorème de BernoulliDifficulté 3 sur 3
  5. L’ordre de grandeur d’une marche aléatoireDifficulté 3 sur 3
  6. Pourquoi les instituts interrogent-ils mille personnes ?Difficulté 3 sur 3
6

Sujet type bac

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Une plateforme de covoiturage : annulations, échantillons, taille d’un sondage interne — et un Vrai/Faux justifié

Durée : 1 h 30calculatrice autorisée2 exercices indépendantsbarème sur 12

  1. Une plateforme de covoiturage7 ptsDifficulté 2 sur 3
  2. Vrai ou faux5 ptsDifficulté 2 sur 3

Terminale · Mathématiques : les 17 chapitres

  1. Raisonnement par récurrence
  2. Limites de suites
  3. Limites de fonctions
  4. Continuité
  5. Compléments sur la dérivation
  6. Convexité
  7. Fonction logarithme népérien
  8. Fonctions sinus et cosinus
  9. Primitives et équations différentielles
  10. Calcul intégral
  11. Combinatoire et dénombrement
  12. Vecteurs, droites et plans de l’espace
  13. Orthogonalité et distances dans l’espace
  14. Représentations paramétriques et équations cartésiennes
  15. Succession d’épreuves indépendantes et loi binomiale
  16. Sommes de variables aléatoires
  17. Concentration et loi des grands nombres