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Terminale Approfondissement gratuit

Déterminer la taille d'échantillon pour une précision donnée (problème)

Énoncé

Une chaîne de production fabrique des pièces dont la masse est modélisée par une variable aléatoire d'espérance μ\mu inconnue et de variance V=4V = 4 (en g2\text{g}^2). Pour estimer μ\mu, on prélève un échantillon de taille nn et on calcule la masse moyenne MnM_n. On souhaite garantir que la probabilité que MnM_n s'écarte de μ\mu de plus de a=0,5a = 0{,}5 g soit au plus α=0,05\alpha = 0{,}05. Déterminer la plus petite taille nn d'échantillon assurant cette précision.

Mode élève : cherche d'abord par toi-même (les coups de pouce sont là pour t'aider), puis passe en vue « Corrigé » pour vérifier.

Voir le corrigé détaillé
  1. 1. Traduire la contrainte

    D'après l'inégalité de concentration, P(∣Mn−μ∣≥a)≤Vn a2.P(|M_n - \mu| \geq a) \leq \dfrac{V}{n\,a^2}. Il suffit donc d'imposer à cette borne d'être inférieure ou égale à α\alpha pour garantir la précision : Vn a2≤α.\dfrac{V}{n\,a^2} \leq \alpha.
  2. 2. Résoudre l'inéquation en n

    Comme n>0n > 0 et a2>0a^2 > 0, on isole nn : Vn a2≤α  ⟺  n≥Vα a2.\dfrac{V}{n\,a^2} \leq \alpha \iff n \geq \dfrac{V}{\alpha\,a^2}.
  3. 3. Calculer le seuil

    On remplace par les valeurs V=4V = 4, α=0,05\alpha = 0{,}05 et a=0,5a = 0{,}5 (donc a2=0,25a^2 = 0{,}25) : Vα a2=40,05×0,25=40,0125=320.\dfrac{V}{\alpha\,a^2} = \dfrac{4}{0{,}05 \times 0{,}25} = \dfrac{4}{0{,}0125} = 320. Il faut donc n≥320n \geq 320.
  4. 4. Vérifier et conclure

    Pour n=320n = 320 : Vn a2=4320×0,25=480=0,05=α.\dfrac{V}{n\,a^2} = \dfrac{4}{320 \times 0{,}25} = \dfrac{4}{80} = 0{,}05 = \alpha. La borne vaut exactement α\alpha, la contrainte est satisfaite. La plus petite taille convenant est donc n=320n = 320 pièces : avec un tel échantillon, la masse moyenne MnM_n a au moins 95 %95\,\% de chances d'être à moins de 0,50{,}5 g de μ\mu.
Réponse finale
n≥Vα a2=40,0125=320 : nmin⁡=320n \geq \dfrac{V}{\alpha\,a^2} = \dfrac{4}{0{,}0125} = 320 \ : \ n_{\min} = 320

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