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pbm_003.tex

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\exo {Production industrielle et contrôle de qualité}
 
\centerline {\sl Les quatres questions de cet exercice sont indépendantes.}
 
Une entreprise de matériel pour l'industrie produit des modules
constitués de deux types de pièces~: $P_1$ et $P_2$.
 
\itemnum Une pièce $P_1$ est considérée comme bonne si sa longueur, en
centimètres, est comprise entre $293, 5$ et $306, 5$.
 
\item {} On note $L$ la variable aléatoire qui, à chaque pièce $P_1$
choisie au hasard dans la production d'une journée, associe sa
longueur.
 
\item {} On suppose que $L$ suit une loi normale de moyenne $300$ et
d'écart type~$3$.
 
\item {} Déterminer, à $10^{-2}$ près, la probabilité qu'une pièce
$P_1$ soit bonne.
 
\itemnum On note $A$ l'événement~: \og {\sl une pièce $P_1$ choisie au
hasard dans la production des pièces $P_1$ est défectueuse} \fg .
 
\item {} On note de même $B$ l'événement~: \og {\sl une pièce $P_2$
choisie au hasard dans la production des pièces $P_2$ est défectueuse}
\fg . 
 
\item {} On admet que les probabilités des deux événements $A$ et $B$
sont $p (A) = 0, 03$ et $p (B) = 0, 07$ et on suppose que ces deux
événements sont indépendants.
 
\item {} Un module étant choisi au hasard dans la production,
calculer, à $10^{-4}$~près, la probabilité de chacun des événements
suivants~:
 
\itemitem {} $E_1$~: \og {\sl les deux pièces du module sont
défectueuses}\fg ~;
 
\itemitem {} $E_2$~: \og {\sl au moins une des deux pièces du module
est défectueuses}\fg ~;
 
\itemitem {} $E_3$~: \og {\sl aucune des deux pièces constituant le
module n'est défectueuse}\fg ~;
 
\itemnum Dans un important stock de ces modules, on prélève au hasard
10~modules pour vérification. Le stock est assez important pour qu'on
puisse assimiler ce prélèvement à un tirage avec remise de
$10$~modules. 
 
\item {} On considère la variable aléatoire $X$ qui, à tout prélèvement
de $10$~modules associe le nombre de modules réalisant l'événement
$E_3$ défini au {\bf 2.}
 
\item {} On suppose que la probabilité de l'événement $E_3$ est $0,
902$.
 
\itemitemalph Expliquer pourquoi $X$ suit une loi binômiale~;
déterminer les paramètres de cette loi.
 
\itemitemalph Calculer, à $10^{-3}$~près, la probabilité que, dans un
tel prélèvement, $9$~modules au moins réalisent l'é\-vé\-ne\-ment~$E_3$.
 
\itemnum Dans cette question on s'intéresse au diamètre des pièces
$P_2$.
 
\item {} Soit $\overline X$ la variable aléatoire qui, à tout
échantillon de $60$~pièces $P_2$ prélevées au hasard et avec remise
dans la production de la journée considérée, associe la moyenne des
diamètres des pièces de cet échantillon. On suppose que $\overline X$
suit la loi normale~:
$$
   \hbox {de moyenne inconnue } \mu
      \qquad {\rm et} \qquad
   \hbox {d'écart type } {\sigma \over \sqrt {60}} 
      \quad {\rm avec} \quad \sigma = 0, 084.
$$
 
\item {} On mesure le diamètre, exprimé en centimètres, de chacune des
      $60$~pièces $P_2$ d'un échantillon choisi au hasard et avec
      remise dans la production d'une journée.
 
\item {} On constate que la valeur approchée arrondie à $10^{-3}$~près
      de la moyenne $\overline x$ de cet échantillon est $\overline x
      = 4, 012$. 
 
\itemitemalph \`A partir des informations portant sur cet échantillon,
donner une estimation ponctuelle, à $10^{-3}$~près, de la moyenne $\mu
$ des diamètres des pièces $P_2$ produites pendant cette journée.
 
\itemitemalph Déterminer un intervalle de confiance centré en
$\overline x$ de la moyenne $\mu $ des diamètres des pièces $P_2$
produites pendant la journée considérée, avec le coefficient de
confiance de $95\% $.
 
\itemitemalph On considère l'affirmation suivante~: \og {\sl la
moyenne $\mu $ est obligatoirement entre $3, 991$ et $4, 033$}\fg .
 
\itemitem {} Peut-on déduire de ce qui précède qu'elle est vraie~?
 
\finexo
 
\corrige
 
\itemnum La variable $L$ suit la loi normale ${\cal N} (300, 3)$, donc
la variable $T$ définie par $T = (L-300)/3$ suit la loi normale
centrée réduite ${\cal N} (0, 1)$. Il vient alors
$$\eqalign {
   p (293, 5 \leq L \leq 306, 5) 
   &= p \left( {293, 5 - 300 \over 3} \leq {L - 300 \over 3}
      \leq {306, 5 - 300 \over 3} \right)
\cr
   &= p (-2, 16 \leq T \leq 2, 16)
\cr
   &= 2 \Pi (2, 16) - 1 \qquad \hbox {vu la symétrie de la loi ${\cal N} (0, 1)$}
\cr
   &= 2 \times 0, 984\, 6 - 1 
   \qquad {\rm soit} \qquad 
   \dresultat {p (293, 5 \leq L \leq 306, 5) = 0, 969\, 2}
\cr
}$$
 
\itemnum $\bullet $ $p (E_1) = p (A\cap B) = p (A) \times p (B)$ puisque
$A$ et $B$ sont indépendants. D'où $p (E_1) = 0, 03 \times 0, 07$,
soit \dresultat {p (E_1) = 0, 002\, 1}.
 
\item {} $\bullet $ $p (E_2) = p (A\cup B) = p (A) + p (B) - p (A\cap
B) = 0, 03 + 0, 07 - 0, 021$, soit \dresultat {p (E_2) = 0, 097\, 9}.
 
\item {} $\bullet $ $p (E_3) = p \left( \overline {A\cup B} \right) =
1 - p (A\cup B) = 1 - 0, 097\, 9$, soit \dresultat {p (E_3) = 0, 902\, 1}.
 
\itemalphnum On a 10~tirages indépendants, pour seulement 2~issues
possibles ($E_3$ ou $\overline E_3$), on est bien dans le cadre d'une
loi binômiale. Donc $X$ suit la \tresultat {loi binômiale ${\cal B}
(10; 0, 902)$}.
 
\itemalph Dans ce cas, on a
$$\eqalign {
   p (X \geq 9) &= p (X=9) + p (X=10)
\cr
   &= C_{10}^9 (0, 902)^9 \times (0, 098)^1 + C_{10}^{10} (0,
   902)^{10} \times (0, 098)^0
\cr
   &= 10 \times (0, 902)^9 \times (0, 098) + (0, 902)^{10} 
   \qquad {\rm soit} \qquad 
   \dresultat {p (X \geq 9) = 0, 744}
\cr
}$$
 
\itemnum La variable $\overline X$ suit la loi normale ${\cal N} (\mu
; 0, 084/\sqrt {60})$, et la moyenne sur un échantillon donné est
  $\overline x = 4, 012$. 
 
\itemalph L'estimation ponctuelle est \mresultat {\mu= 4, 012}.
 
\itemalph On veut trouver le réel positif $a$ tel que $p (\overline x
  - a \leq \mu \leq \overline x + a) = 0, 95$. Introduisons la
    variable $\overline T$ définie par 
$$
   \overline T = {\overline X - \mu \over 0, 084} \times \sqrt {60},
$$
alors $\overline T$ suit la loi normale centrée réduite ${\cal N} (0,
1)$ et l'on sait que pour tout réel positif $t$ on a
$$
   p (-t \leq \overline T \leq t) = 2\Pi (t) - 1.
$$
Un coup d'\oe il sur le formulaire nous montre qu'il faut choisir
$t = 1, 96$ pour obtenir une probabilité de $0, 95$. Autrement dit, on
sait que l'on a
$$\eqalign {
   p \left( -1, 96 \leq {\sqrt {60} \over 0, 084} \big( \overline X -
\mu \big) \leq 1, 96 \right)
   &= 0, 95
\cr
   &= p \left( -1, 96 \times {0, 084 \over \sqrt {60}} \leq \overline
   X - \mu \leq 1, 96 \times {0, 084 \over \sqrt {60}} \right)
\cr
   &= p ( -0, 021 - \overline X \leq - \mu \leq 0, 021 + \overline X)
\cr
   &= p ( 0, 021 + \overline X \geq \mu \geq -0, 021 - \overline X)
\cr
}$$
D'où ici l'intervalle de confiance à $95\% $ cherché~: \mresultat {I =
[3, 991 \, ; 4, 033]}.
 
\itemalph Bien sûr, \tresultat {l'affirmation proposée est fausse}~:
avec un intervalle de confiance à $95\% $ on est encore très loin
d'une certitude\dots 
 
\fincorrige