Énoncé
On considère1 un compétition entre trois tireurs A, B, C, qui se déroule en une suite d'épreuves de la façon suivante, jusqu'à élimination d'au moins deux des trois tireurs :
Tous les tirs sont indépendants les uns des autres.
Lorsque A tire, la probabilité pour qu'il atteigne son adversaire est égale à 23. Lorsque B tire, la probabilité pour qu'il atteigne son adversaire est égale à 12. Lorsque C tire, la probabilité pour qu'il atteigne son adversaire est égale à 13.
Lorsque qu'un des tireurs est atteint, il est dénitivement éliminé des épreuves sui- vantes.
À chacune des épreuves, les tireurs non encore éliminés tirent simultanément et chacun d'eux vise le plus dangereux de ses rivaux non encore éliminés.
(Ainsi, à la première épreuve, A vise B tandis que B et C visent A).
Pour tout nombre entiern≥1, on considère les événements suivants :
ABCn : à l'issue de la n-ième épreuve, A, B et C ne sont pas encore éliminés . ABn : à l'issue de la n-ième épreuve, seuls A et B ne sont pas encore éliminés .
On dénit de façon analogue les événementsBCn etCAn. An : à l'issue de la n-ième épreuve, seul A n'est pas éliminé .
On dénit de façon analogue les événementsBn et Cn.
∅n : à l'issue de la n-ième épreuve, les trois tireurs sont éliminés .
Enn,ABC0est l'événement certain,AB0,BC0,CA0,A0,B0,C0,∅0l'événement impossible.
PARTIE I
On détermine les probabilités pour que A, B, C remportent la compétition.
1. Calcul de probabilités.
a. Exprimer, si U et V désignent deux événements quelconques d'un espace proba- bilisé donné, la probabilitép(U∪V)en fonction dep(U), p(V)etp(U∩V). b. En déduire la probabilité pour qu'à une épreuve à laquelle participent A, B, C :
(A rate son tir) et (B ou C réussissent leur tir).
c. En déduire la probabilité pour qu'à une épreuve à laquelle participent A, B, C : (A réussit son tir) et (B ou C réussissent leur tir).
2. Détermination de probabilités conditionnelles. Soitn≥1.
1D'après ESSEC 2000, option scientique, maths 2
a. Montrer que l'événement ABn est impossible. Dans la suite, on ne considérera donc que les événementsABCn ,BCn ,CAn , An ,Bn ,Cn , ∅n .
b. Expliciter la probabilité conditionnellep(ABCn+1|ABCn). c. Expliciterp(BCn+1|ABCn)à l'aide de la question 1), puis donner
p(CAn+1|ABCn)
d. Expliciterp(An+1|ABCn),p(Bn+1|ABCn)et p(Cn+1|ABCn).
e. Expliciterp(An+1|CAn),p(Bn+1|BCn),p(Cn+1|CAn)etp(Cn+1|BCn). f. Expliciterp(∅n+1|ABCn),p(∅n+1|BCn)etp(∅n+1|CAn).
3. Nombre moyen d'épreuves à l'issue des quelles s'achève la compétition.
On noteTn l'événement Le combat cesse à l' issue de la n-ième épreuve (la com- pétition cesse à l'issue de lan-ième épreuve s'il n'a pas cessé avant et si à l'issue de la n-ième épreuve il ne reste qu'un tireur au plus).
a. Quelle est la probabilité de l'événementT1? b. Soitn≥2. Calculer la probabilité de l'événement :
ABC1∩ABC2∩ · · · ∩ABCn−1∩ABCn
c. Soitn≥2. Calculer la probabilité de la réunion des événements suivants pour les entiers0≤k≤n−1 :
ABC1∩ · · · ∩ABCk∩CAk+1∩ · · · ∩CAn (pourk= 0, il s'agit de l'événementCA1∩CA2∩ · · · ∩CAn).
d. Soitn≥2. Calculer la probabilité de la réunion des événements suivants pour les entiers0≤k≤n−1 :
ABC1∩ · · · ∩ABCk∩BCk+1∩ · · · ∩BCn (pourk= 0, il s'agit de l'événementBC1∩BC2∩ · · · ∩BCn).
e. Soit n ≥ 2. Calculer la probabilité de l'événement la compétition n'est pas terminé à l'issue de la n-ième épreuve . En déduire la probabilité p(Tn) (on vériera que cette formule redonne bien pourn= 1le résultat obtenu à la question a)).
f. Montrer que la somme Pn
k=1p(Tk) tend vers 1 quand n tend vers +∞. Puis déterminer sous forme de fraction irréductible la limite lorsquentend vers +∞
dePn
k=1kp(Tk)(cela correspond au nombre moyen d'épreuves à l'issue des quelles s'achève la compétition).
4. Probabilités pour que A, B, C remportent la compétition.
a. Montrer que, sin= 1, l'événement A remporte la compétition à l'issue de la n- ième épreuve est impossible. Montrer qu'il est égal à la réunion des événements suivants sin≥2 :
ABC1∩ · · · ∩ABCk∩CAk+1∩ · · · ∩CAn−1∩An pour 0≤k≤n−2 (pourk= 0, il s'agit de l'événementCA1∩CA2∩ · · · ∩CAn−1∩An).
b. Calculer la probabilité pour que A remporte la compétition à l'issue de la n-ième épreuve (n≥2).
c. En déduire la probabilité pour que A remporte la compétition (c'est à dire pour qu'il ne soit pas éliminé à l'issue du combat).
d. Déterminer de même la probabilité pour que B remporte la compétition.
e. Déterminer de même la probabilité pour que C remporte la compétition.
PARTIE II
Dans cette partie, on retrouve par des méthodes matricielles les probabilités pour que A, B, C remportent la compétition en n'utilisant que les résultats des questions I.1) et I.2).
1. Expression de la matrice de transitionM.
a. On considère la matrice-colonneEn à sept lignes dont les sept éléments sont dans cet ordre, du haut vers le bas,
p(ABCn), p(BCn), p(CAn), p(An), p(Bn), p(Cn), p(∅n)
Expliciter une matrice M ∈ M7(R) telle que, ∀n ∈ N, En+1 = M En. On vériera que la somme de chacune des colonnes deM est égale à 1.
b. En déduireEn en fonction den, deM et E0. 2. Calcul des puissances de la matriceM.
a. On considère deux matrices carrées d'ordre 3 notées U0 , U00 et deux matrices rectangulaires à 4 lignes et 3 colonnes notéesV0 ,V00 et l'on forme les matrices carrées d'ordre 7 :
M0=
U0 0 V0 I4
M00=
U00 0 V00 I4
où 0 désigne la matrice nulle à 3 lignes et 4 colonnes et I4 la matrice-identité d'ordre 4. Vérier à l'aide des règles du produit matriciel l'égalité suivante :
M0M00=
U0U00 0 V0U00+V00 I4
b. Expliciter les matricesU etV telles que : M =
U 0 V I4
c. Établir enn, pour n≥1, l'égalité suivante : Mn =
Un 0
V +V U+. . . V Un−1 I4
3. Diagonalisation de la matriceU.
a. Déterminer trois réelsλ1 < λ2 < λ3 tel que le système (d'inconnueX, matrice colonne de taille 3), U X = λX ait une solution non nulle. Pour i = 1,2,3, déterminerVi la solution du systèmeU X=λiX telle que
la première composante deV1vaut 1.
la troisième composante deV2vaut 1.
la deuxième composante deV3 vaut 1.
b. Déterminer une matrice inversibleP et une matrice diagonaleD telles que D= P−1U P. PréciserP−1.
4. Calcul de la limite des puissances de la matriceM.
a. Pourn∈N, expliciter les matricesDn etI3+D+D2+· · ·+Dn−1.
b. On dit qu'une suite de matrices(Xn)à plignes et q colonnes converge vers une matriceX àplignes etqcolonnes si chaque coecient de la matriceXn converge quandntend vers+∞vers le coecient correspondant de la matriceX. On admettra (sous réserve d'existence) que la limite d'un produit est le produit des limites.
Expliciter à l'aide des résultats précédents les limites des deux suites matricielles (Dn) et (I3+D+D2 +· · · +Dn−1), puis des trois suites matricielles (Un), (I3+U+U2+· · ·+Un−1)et(V +V U+V U2+· · ·+V Un−1).
c. En déduire enn les limites des deux suites matricielles(Mn)et (En).
d. Vérier que les suites (p(ABCn)), (p(BCn)) et (p(CAn)) convergent vers 0 et expliciter sous forme d'une fraction irréductible les limites des suites (p(An)), (p(Bn)),(p(Cn)),(p(∅n)).
Retrouver alors les probabilités obtenues en I pour que A, B, C remportent la compétition.
Corrigé PARTIE I
Notons A ( respectivement B et C) l'événement A (resp. B, C) réussit son tir à une épreuve donnée.
1. Calcul de probabilités.
a. D'après le cours :
P(U∪V) =P(U) +P(V)−P(U∩V) b. On cherche la probabilité deA ∩(B ∪ C).
P(A∩(B∪C)) =P((A∩B)∪(A∩C)) =P(A∩B)+P(A∩C)−P(A∩B∩C) (d'après a)
=P(A)P(B) +P(A)P(C)−P(A)P(B)P(C) (par indépendance des tirs)
= 1 3 1 2+1
3 1 3 −1
3 1 2 1 3 = 2
9 c. On cherche la probabilité deA ∩(B ∪ C). On trouve de même
P(A ∩(B ∪ C)) =P((A ∩ B)∪(A ∩ C)) =P(A ∩ B) +P(A ∩ C)−P(A ∩ B ∩ C)
=P(A)P(B) +P(A)P(C)−P(A)P(B)P(C)
= 2 3 1 2+2
3 1 3 −2
3 1 2 1 3 = 4
9 2. Détermination de probabilités conditionnelles
a. Tant qu'aucun des tireurs n'est éliminé, à chaque étape A vise B, B et C visent A. Le tireur C n'est pas visé et ne peut donc pas être éliminé avant A ou B.
L'événementABn est donc impossible.
b. ABCn+1∩ABCn est événement ABCn et A,B et C ratent leur tir à l'étape n. Par indépendance des tirs on a donc
p(ABCn+1|ABCn) =p(A)p(B)p(C) = 1 3 1 2 2 3 =1
9
c. Comme, tant qu'aucun des tireurs n'est éliminé à chaque étape A vise B, B et C visent A. L'événementBCn+1∩ABCn est événement ABCn inter l'événement
épreuve à 3
B ou C réussit 2/3
B et C échouent 1/3
A réussit 2/3
A échoue
1/3 2/3 1/3
Fig. 1: probabilités conditionnelles
"Arate son tire etB ouCréussissent leur tir à l'étapen". Par indépendance des tirs on a donc
p(BCn+1|ABCn) =p(A ∩(B ∪ C)) = 2
9 par 1b) De même
p(CAn+1|ABCn) =p(A ∩ B ∩ C) =2 9
d. Si A, B, C ne sont pas éliminés, personne ne vise C, C ne peut donc pas être éliminé. D'où
p(An+1|ABCn) = 0 et p(Bn+1|ABCn) = 0 Comme dans la question précédente
p(Cn+1|ABCn) =p(A ∩(B ∪ C)) = 4
9 par 1c)
e. Si à une étape il reste A et C alors A vise sur C et C vise sur A. L'événement An+1∩CAn est donc l'événement CAn inter l'événement "A rate son tir et C réussit son tir à l'étapen". Par indépendance des tirs, on a donc
p(An+1|CAn) =p(A ∩ C) = 4 9
De même
p(Bn+1|BCn) =p(B ∩ C) = 1
3 p(Cn+1|CAn) =p(C ∩ A) = 1 9 et
p(Cn+1|BCn) =p(C ∩ B) =1 6
f. On a toujours, si A, B, C ne sont pas éliminés, personne ne vise C, C ne peut donc pas être éliminé, d'où
p(∅n+1|ABCn) = 0 D'autre part,
p(∅n+1|BCn) =p(B ∩ C) =1
6 p(∅n+1|CAn) =p(C ∩ A) =2 9
ABC n-1 1/9 ABC n
BC n 2/9 AC n
2/9 AB n
0
A n 0
B n 0
C n 4/9
vide n 0
Fig. 2: issues épreuve à 3
3. Nombre moyen d'épreuves à l'issue desquelles s'achève le combat.
BC n-1 2/6 BC n
B n
2/6
C n 1/6
vide n 1/6
Fig. 3: issues épreuve avec BC
AC n-1 2/9 AC n
A n
2/9
C n 1/9
vide n 2/9
Fig. 4: issues épreuve avec AC
a. L'événementT1est l'union disjointe des événementsA1,B1,C1,∅1. La probabilité des événementsA1, B1, C1, ∅1 a été calculé en d) et e) en prenantn= 0 et en utilisant queABC0 est l'événement certain. On trouve donc
p(T1) =p(A1) +p(B1) +p(C1) +p(∅1) = 0 + 0 +4
9 + 0 = 4 9
b. Soitn≥2. Remarquons que pour0≤k≤n
ABC0∩ABC1∩ · · · ∩ABCk−1∩ABCk =ABCk
D'où, par la question 2b.,
p(ABC1∩ABC2∩ · · · ∩ABCn−1∩ABCn)
=p(ABC1|ABC0)p(ABC2|ABC1). . . p(ABCn|ABCn−1) = 1 9n
c. Soitn≥2 et soit0≤k≤n−1, on trouve de même : p(ABC1∩ · · · ∩ABCk∩CAk+1∩ · · · ∩CAn)
=p(ABC1|ABC0). . . p(ABCk|ABCk−1)p(CAk+1|ABCk) p(CAk+2|CAk+1)). . . p(CAn|CAn−1)
= 1
9 k 2
9 2
9
n−k−1
= 2n−k 9n d. Soitn≥2 et soit0≤k≤n−1 :
p(ABC1∩ · · · ∩ABCk∩BCk+1∩ · · · ∩BCn)
=p(ABC1|ABC0). . . p(ABCk|ABCk−1)p(BCk+1|ABCk) p(BCk+2|BCk+1)). . . p(BCn|BCn−1)
= 1
9 k
2 9
1 3
n−k−1
= 2
3n+k+1 e. Soitn≥2. NotonsT>nl'événement étudié. Le combat n'est pas ni à l'issue de la
n-ième épreuve si à l'issue de la n-ième épreuve il reste deux ou trois tireurs.T>n
est la réunion disjointe deABCn,ABn (qui est l'événement impossible), CAnet BCn.
D'autre part,
CAn est l'union disjointe des événementsABC1∩ · · · ∩ABCk∩CAk+1∩ · · · ∩ CAn, pour0≤k≤n−1
BCnest l'union disjointe des événementsABC1∩· · ·∩ABCk∩BCk+1∩· · ·∩BCn, pour0≤k≤n−1.
D'où, d'après les questions b), c) et d)
p(T>n) = 1 9n +
n−1
X
k=0
2n−k 9n +
n−1
X
k=0
2 3n+k+1
= 1
9n +2n+1−2 9n +
1 3n − 1
9n
= 2n+1+ 3n−2 9n On aT>n−1 est l'union disjointe deTn et T>n. Donc
p(Tn) =p(T>n−1)−p(T>n) = 2n+ 3n−1−2
9n−1 −2n+1+ 3n−2 9n
Pourn= 1, 2n+39n−1n−1−2−2n+1+39nn−2 = 49 ce qui correspond à la probabilité deT1.
f. Pourk∈N, posonstk= 2k+1+39kk−2.
Soitn≥1. D'après la formule précédente (valable dèsk= 1)
n
X
k=1
p(Tk) =
n
X
k=1
(tk−1−tk) =t0−tn (sommation en dominos)
= 1−2n+1+ 3n−2 9n qui tend bien vers 1 en+∞. D'où
n
X
k=1
kp(Tk) =
n
X
k=1
k(tk−1−tk) =
n
X
k=1
tk−1
!
−ntn
=
n−1
X
k=0
2k+1+ 3k−2 9k
!
−n2n+1+ 3n−2 9n Ce qui permet de calculer l'espérance :
n−1
X
k=0
2k+1
9k tend vers 18 7
n−1
X
k=0
3k
9k tend vers 3 2
n−1
X
k=0
2
9k tend vers 9 4 n2n+1+ 3n−2
9n tend vers 0
⇒
n
X
k=1
kp(Tk)tend vers 51 28
4. Probabilités pour que A, B, C remportent le combat
a. Si A est le seul tireur restant à l'issue de la n-ième étape alors B et C ont été éliminés avant selon le schéma suivant.
(ABC)−−−−→kfois (ABC)→(AC)−−−−−−−−→n−k−2fois (AC)→(A)
Comme déjà vu, tant qu'aucun des tireurs n'est éliminé à chaque étape A vise B, B et C visent A. B est donc éliminé (strictement) avant C. Dès que C est éliminé,
A gagne. On voit donc que l'événementA1 est impossible et que pourn≥2,An
est l'union disjointe des
ABC1∩ · · · ∩ABCk∩CAk+1∩ · · · ∩CAn−1∩An
pour0≤k≤n−2(oùkcorrespond à l'étape où B a été éliminé).
b. Soitn ≥2 et 0 ≤k ≤n−2. D'après la formule des probabilités composées, la probabilité de l'événement correspondant au schéma indiqué est
1 9
k
×2 9×
2 9
n−k−2
×4 9 = 1
9n2n+1−k
Ces événements indexés par k sont disjoints, la probabilité que A remporte le combat à l'issue de l'épreuvenest donc la somme des probabilités
n−2
X
k=0
1
9n2n+1−k = 1
9n 2n+1+· · ·+ 23
= 2n+2−23 9n = 4
2 9
n
−8 1
9 n
c. L'événement A est l'union disjointe desAn pour n≥2. Donc p(A) est la limite quandntend vers+∞dePn
k=2p(Ak). On obtientp(A) = 631P B. p(A) = 4
2 9
2
1 1−29 −8
1 9
2
1
1−19 = 16 9×7 − 8
9×8 =16−7 9×7 =1
7 d. Suivant le même principeBn est l'union disjointe, pour0≤k≤n−2, des
ABC1∩ · · · ∩ABCk∩BCk+1∩ · · · ∩BCn−1∩Bn Soitn≥2 et0≤k≤n−2
p(ABC1∩ · · · ∩ABCk∩BCk+1∩ · · · ∩BCn−1∩Bn)
=p(ABC1∩ · · · ∩ABCk∩BCk+1∩ · · · ∩BCn−1)p(Bn|BCn−1)
= 2
3n+k 1 3 = 2
3n+k+1 D'où
p(Bn) = 1 3n − 1
32n−1 Doncp(B)est la limite quandntend vers+∞dePn
k=2p(Bk). On obtient p(B) =
1 3
2 1 1−13 −3
1 9
2 1 1−19 = 1
8
e. Pour que C gagne le combat à l'étapenil y a plusieurs cas de gure : Soit A et B sont éliminés en même temps. NotonsCn,AB cet événement.
C'est aussiABC1∩ · · · ∩ABCn−1∩Cn de probabilité
p(ABC1∩ · · · ∩ABCn−1∩Cn) =p(ABCn−1)p(Cn|ABCn−1) = 1 9n−1
4 9 = 4
9n Soit A est éliminé puis B. NotonsCn,B cet événement.
C'est l'union disjointe, pour0≤k≤n−2, des événements ABC1∩ · · · ∩ABCk∩BCk+1∩ · · · ∩BCn−1∩Cn
Soitn≥2 et0≤k≤n−2
p(ABC1∩ · · · ∩ABCk∩BCk+1∩ · · · ∩BCn−1∩Cn)
=p(ABC1∩ · · · ∩ABCk∩BCk+1∩ · · · ∩BCn−1)p(Cn|BCn−1))
= 2
3n+k 1 6 = 1
3n+k+1 La probabilité deCn,B est donc :
1 2( 1
3n − 1 32n−1)
Soit B est éliminé puis A. NotonsCn,Acet événement. C'est l'union disjointe, pour0≤k≤n−2, des événements
ABC1∩ · · · ∩ABCk∩CAk+1∩ · · · ∩CAn−1∩Cn
Soitn≥2 et0≤k≤n−2
p(ABC1∩ · · · ∩ABCk∩CAk+1∩ · · · ∩CAn−1∩Cn)
=p(ABC1∩ · · · ∩ABCk∩CAk+1∩ · · · ∩CAn−1)p(Cn|CAn−1)
= 2n−k−1 9n−1
1
9 =2n−1−k 9n La probabilité deCn,Aest donc
n−2
X
k=0
2n−1−k 9n = 1
9n(2n−2)
L'événementCn est l'union disjointe des Cn,AB, Cn,B et Cn,A Doncp(C)est la limite quandntend vers+∞de
n
X
k=1
p(Cn,AB) +
n
X
k=2
p(Cn,B) +
n
X
k=2
p(Cn,A) On obtient :
n
X
k=1
p(Cn,AB) tend vers 1 2
n
X
k=2
p(Cn,B) tend vers 1 16
n
X
k=2
p(Cn,A) tend vers 1 28
⇒p(C) = 67 112
PARTIE II
1. Expression de la matrice de transitionM a. On trouve
M =
1
9 0 0 0 0 0 0 2
9 1
3 0 0 0 0 0
2
9 0 2
9 0 0 0 0
0 0 4
9 1 0 0 0 0 1
3 0 0 1 0 0
4 9
1 6
1
9 0 0 1 0 0 1
6 2
9 0 0 0 1
b. Soitn∈N. Par récurrence,En =MnE0. 2. Calcul des puissances de la matriceM.
a. Vérication évidente à l'aide du produit par blocs.
b. En lisant dans la matrice de transition, on trouve
U =
1
9 0 0
2 9
1 3 0 2
9 0 2
9
V =
0 0 4
9 0 1
3 0 4
9 1 6
1 9 0 1
6 2 9
c.
3. Diagonalisation de la matriceU
a. Le système considéré admet une solution non nulle si la matriceU−λI3n'est pas inversible. NotonsP(λ)le déterminant de cette matrice.
P(λ) =
1
9−λ 0 0
2 9
1
3−λ 0
2
9 0 29−λ
= (1 9−λ)(1
3 −λ)(2 9−λ)
D'oùλ1=19,λ2=29 etλ3=13.
La résolution des systèmes donneV1= (1,−1,−2),V2= (0,0,1)etV3= (0,1,0). b. D'après la formule de changement de base, on obtient le résultat cherché, en
formant la matrice des vecteurs propres trouvés soit :
P =
1 0 0
−1 0 1
−2 1 0
et D=
1
9 0 0
0 29 0 0 0 13
avec P−1=
1 0 0 2 0 1 1 1 0
4. Calcul de la limite des puissances de la matriceM. a. Soitn∈N,
Dn =
1
9n 0 0 0 29nn 0 0 0 31n
et
I3+D+· · ·+Dn=
9
8−8.91n 0 0
0 97 −27.9n+1n 0 0 0 32−2.31n
b. On obtient que (Dn) converge vers la matrice nulle et que(I3+D+· · ·+Dn) converge vers la matrice
9
8 0 0
0 9 7 0
0 0 3
2
De U =P DP−1, on tireUn = P DnP−1 pour n ∈ N. On en déduit que (Un) converge versP0P−1ie vers la matrice nulle et(I3+U+· · ·+Un)converge vers la matrice
P
9
8 0 0
0 9 7 0
0 0 3
2
P−1=
9
8 0 0
3 8
3 2 0 9
28 0 9 7
c. D'après l'expression deMntrouvée en 2)c) et en utilisant que(V+V U+· · ·+V Un) converge vers la matrice
V
9
8 0 0
3 8
3 2 0 9
28 0 9 7
=
1
7 0 4
7 1
8
1 2 0 67
112 1 4
1 7 15
112 1 4
2 7
Donc
En=MnE0=
0 0 0 1 7 1 8 67 112
15 112
d. On retrouve bien que(p(ABCn)), (p(BCn))et(p(CAn))convergent vers0, que (p(An))converge vers 1
7, que(p(Bn))converge vers 1
8, que(p(Cn)converge vers 67
112 et que(p(∅n)converge vers 15 112.