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Mathématiques (enseignement scientifique, tronc commun) · PremièreÉpreuve anticipée de mathématiques

Échantillonnage et simulation : cours de Première

Publié le 6 novembre 2026 · Mis à jour le 6 novembre 2026 · Signaler une erreur

L'essentiel

  • Un échantillon est une partie de la population étudiée ; sa fréquence ne reproduit presque jamais exactement celle de la population : c'est la fluctuation d'échantillonnage.4
  • Simuler, c'est reproduire une expérience aléatoire avec un outil (tableur, programme, simulateur) pour observer son comportement et valider ou invalider un modèle.1
  • Plus l'échantillon est grand, plus les fréquences observées se resserrent autour de la valeur cherchée.
  • La capture-recapture estime un effectif total par une quatrième proportionnelle : N=marqueˊs au deˊpart×taille de la recapturemarqueˊs dans la recaptureN = \dfrac{\text{marqués au départ} \times \text{taille de la recapture}}{\text{marqués dans la recapture}}.4
  • Un intervalle de confiance au niveau 95 % (formule fournie) encadre la proportion inconnue de la population ; on décide en l'interprétant avec prudence.4

Population, échantillon, fréquence : poser le vocabulaire

Un institut de sondage ne peut pas interroger les 50 millions d'adultes d'un pays. Un laboratoire ne peut pas tester chaque comprimé fabriqué. Un écologue ne peut pas compter chaque poisson d'un lac. Dans tous ces cas, on observe une petite partie pour apprendre quelque chose sur le tout. C'est le principe de l'échantillonnage, et c'est exactement ce que le programme de Première te demande de maîtriser avec l'aide d'outils logiciels : chercher, expérimenter, modéliser, simuler, puis valider ou invalider un modèle.1

Dans ce cours, tu vas voir pourquoi un échantillon ne donne jamais exactement le résultat attendu, comment on le simule, comment on encadre une valeur inconnue et comment on prend une décision raisonnable. Tu t'appuies sur ce que tu connais déjà : les fréquences, les fréquences conditionnelles, les probabilités et les arbres.

La fluctuation d'échantillonnage

Imagine deux camarades qui interrogent chacun 100 élèves tirés au hasard dans le même lycée. Ils n'obtiendront presque jamais le même résultat : l'un trouve 0,37, l'autre 0,42. Personne ne s'est trompé. Chacun a simplement vu un échantillon différent.

Les ressources d'accompagnement du programme proposent justement de simuler plusieurs échantillons de même effectif afin de visualiser cette fluctuation.4 Les documents d'Éduscol en mathématiques en donnent des déclinaisons : fluctuation des fréquences de succès sur des échantillons d'une variable de Bernoulli, ou fluctuation des moyennes calculées sur des échantillons d'une variable aléatoire dans l'activité « Loterie » de Première générale.3

Carte mentale du chapitreCarte mentale centrée sur l'échantillonnage, avec quatre branches : vocabulaire, fluctuation, simulation et décision.PopulationÉchantillonFréquenceVocabulaireVarie selon l'échantillonSe resserre si n croîtFluctuationModèleGénérateur aléatoireRépétitionsSimulationIntervalle de confianceComparerConclureDécisionÉchantillonnage

Échantillonnage

  • Vocabulaire
    • Population
    • Échantillon
    • Fréquence
  • Fluctuation
    • Varie selon l'échantillon
    • Se resserre si n croît
  • Simulation
    • Modèle
    • Générateur aléatoire
    • Répétitions
  • Décision
    • Intervalle de confiance
    • Comparer
    • Conclure
Carte mentale du chapitre · Les grandes idées du chapitre.

Simuler une expérience aléatoire

Répéter mille fois une expérience réelle est long, coûteux, parfois impossible. On la simule : on la reproduit avec un outil qui génère du hasard (tableur, programme Python, simulateur en ligne), en s'assurant que les probabilités du modèle sont respectées.

Le programme cite des situations simples à modéliser ou à simuler : le pile ou face, le jeu de « croix ou pile » de d'Alembert, la pierre-feuille-ciseaux, le jeu du lièvre et de la tortue, le jeu du « passe-dix » (problème du grand-duc de Toscane).1 Les ressources de Canopé mentionnent aussi un simulateur de planche de Galton, découvert d'abord en autonomie puis débattu en classe.5

Les étapes d'une simulationCinq étapes successives : modéliser, coder le hasard, répéter, calculer les fréquences, interpréter.1ModéliserFixer les issues et leurs probabilités.2Coder le hasardAssocier une plage de valeurs à chaque issue.3RépéterGénérer plusieurs échantillons de même effectif.4CalculerObtenir la fréquence de chaque échantillon.5InterpréterComparer au modèle, conclure avec prudence.
  1. ModéliserFixer les issues et leurs probabilités.
  2. Coder le hasardAssocier une plage de valeurs à chaque issue.
  3. RépéterGénérer plusieurs échantillons de même effectif.
  4. CalculerObtenir la fréquence de chaque échantillon.
  5. InterpréterComparer au modèle, conclure avec prudence.
Les étapes d'une simulation · Démarche générale d'une simulation.

Estimer un effectif : la capture-recapture

Comment connaître le nombre de poissons d'un lac sans les compter un par un ? On en capture un certain nombre, on les marque, on les relâche, puis on en recapture un second échantillon et on regarde la part de poissons marqués.

Démonstration · Retrouver la formule

On part de l'égalité des proportions mn=MN\dfrac{m}{n} = \dfrac{M}{N}. On multiplie les deux membres par NN puis par nn :

N×mn=M⟹N×m=M×n⟹N=M×nmN \times \frac{m}{n} = M \quad\Longrightarrow\quad N \times m = M \times n \quad\Longrightarrow\quad N = \frac{M \times n}{m}

la dernière étape étant possible parce que m≠0m \neq 0.

Encadrer une proportion : l'intervalle de confiance

Une seule fréquence ff ne suffit pas pour estimer pp : on veut un intervalle qui a de bonnes chances de contenir la valeur inconnue. D'après les ressources du programme, on part d'un échantillon pour estimer une grandeur inconnue d'une population très nombreuse, grâce à une formule donnée d'intervalle de confiance au niveau 95 %.4 Tu n'as donc pas à la redémontrer : tu dois savoir l'appliquer et interpréter ce qu'elle dit.

Analyser et décider à partir d'un échantillon

Calculer un intervalle ne suffit pas : il faut en tirer une conclusion. Les ressources de Canopé travaillent justement l'analyse critique d'un résultat d'échantillonnage et la prise de décision à partir d'un échantillon.6

Le même raisonnement s'applique en santé. Le programme évoque les tests médicaux et les notions de faux positifs et de faux négatifs.1 Un test peut se tromper dans les deux sens, et ses performances ne se jugent qu'à partir d'échantillons de personnes dont l'état réel est connu. Tu retrouves ici les tableaux croisés et les probabilités conditionnelles vus avant.

Taille de l'échantillon et conclusion
Taille nFréquence fIntervalle0,5 dedans ?Conclusion
4000,56[0,51 ; 0,61]NonAnnonce mise en doute
1000,56[0,46 ; 0,66]OuiCompatible avec l'annonce
Taille de l'échantillon et conclusion · À fréquence égale, un plus grand échantillon permet de trancher.

Récapitulatif et méthodes à avoir en tête

Exercices corrigés

Exercice 1 Combien de poissons dans le lac ?

★☆☆Environ 8 min

Pour estimer le nombre de poissons d'un lac, un technicien en capture 80, les marque puis les relâche. Une semaine plus tard, il en capture 50 et constate que 10 sont marqués.

  1. Quelle hypothèse faut-il faire pour utiliser la méthode de capture-recapture ?
  2. Estime le nombre total de poissons du lac.
Indice 1

Écris l'égalité entre la proportion de poissons marqués dans la recapture et dans le lac entier.

Indice 2

Une quatrième proportionnelle se calcule par un produit en croix.

Voir la correction pas à pas
  1. On note M=80M = 80, n=50n = 50, m=10m = 10 et NN l'effectif cherché.

  2. Hypothèse : la proportion de poissons marqués est la même dans l'échantillon de recapture et dans tout le lac.

  3. On écrit mn=MN\dfrac{m}{n} = \dfrac{M}{N}, soit 1050=80N\dfrac{10}{50} = \dfrac{80}{N}.

  4. On en déduit N=80×5010=400N = \dfrac{80 \times 50}{10} = 400.

Le lac contient environ 400 poissons. C'est une estimation, qui dépend de l'échantillon de recapture.

Exercice 2 Intervalle de confiance d'un sondage

★★☆Environ 10 min

Un sondage est réalisé auprès de n=625n = 625 habitants d'une ville. 275 d'entre eux se déclarent favorables à la création d'une piste cyclable. On utilise la formule d'intervalle de confiance au niveau 95 % : [f−1n ; f+1n]\left[f - \dfrac{1}{\sqrt{n}}\ ;\ f + \dfrac{1}{\sqrt{n}}\right].

  1. Calcule la fréquence ff observée.
  2. Calcule la borne inférieure de l'intervalle.
  3. Un élu affirme que la moitié des habitants est favorable. Que peut-on lui répondre ?
Indice 1

Calcule d'abord 275625\dfrac{275}{625} puis 1625\dfrac{1}{\sqrt{625}}.

Indice 2

Pour la question 3, regarde si 0,5 est dans l'intervalle.

Voir la correction pas à pas
  1. Fréquence : f=275625=0,44f = \dfrac{275}{625} = 0{,}44.

  2. Demi-largeur : 1625=125=0,04\dfrac{1}{\sqrt{625}} = \dfrac{1}{25} = 0{,}04.

  3. Borne inférieure : 0,44−0,04=0,400{,}44 - 0{,}04 = 0{,}40. Borne supérieure : 0,44+0,04=0,480{,}44 + 0{,}04 = 0{,}48.

  4. L'intervalle est [0,40 ; 0,48][0{,}40\ ;\ 0{,}48]. La valeur 0,50{,}5 n'en fait pas partie.

La borne inférieure vaut 0,40. Comme 0,5 n'appartient pas à l'intervalle, le sondage met en doute l'affirmation de l'élu : la proportion de favorables semble inférieure à 50 %, avec un niveau de confiance de 95 %.

Exercice 3 Quelle taille d'échantillon choisir ?

★★★Environ 12 min

Avec la formule [f−1n ; f+1n]\left[f - \dfrac{1}{\sqrt{n}}\ ;\ f + \dfrac{1}{\sqrt{n}}\right], l'amplitude de l'intervalle est 2n\dfrac{2}{\sqrt{n}}.

  1. Calcule l'amplitude pour n=100n = 100 puis pour n=400n = 400.
  2. On souhaite une amplitude égale à 0,040{,}04. Quelle taille d'échantillon faut-il ?
  3. Par combien faut-il multiplier nn pour diviser l'amplitude par 3 ?
Indice 1

Pour la question 2, résous 2n=0,04\dfrac{2}{\sqrt{n}} = 0{,}04 en isolant n\sqrt{n} puis nn.

Indice 2

Pour la question 3, compare 29n\dfrac{2}{\sqrt{9n}} et 2n\dfrac{2}{\sqrt{n}}.

Voir la correction pas à pas
  1. Pour n=100n = 100 : 210=0,2\dfrac{2}{10} = 0{,}2. Pour n=400n = 400 : 220=0,1\dfrac{2}{20} = 0{,}1.

  2. On résout 2n=0,04\dfrac{2}{\sqrt{n}} = 0{,}04 : n=20,04=50\sqrt{n} = \dfrac{2}{0{,}04} = 50.

  3. On élève au carré : n=502=2 500n = 50^2 = 2\,500.

  4. Pour diviser l'amplitude par 3, il faut que n\sqrt{n} soit multiplié par 3, donc nn multiplié par 32=93^2 = 9.

Il faut un échantillon de 2 500 personnes pour obtenir une amplitude de 0,04, et il faut multiplier nn par 9 pour diviser l'amplitude par 3. Gagner en précision coûte donc très cher en taille d'échantillon.

Quiz

8 questions · correction immédiate · ton score reste sur ton appareil.

  1. Deux élèves interrogent chacun 100 personnes tirées au hasard dans la même population et obtiennent des fréquences différentes. Comment l'expliquer ?

  2. Une pièce équilibrée vient de donner six « pile » de suite. Au lancer suivant, la probabilité d'obtenir « face » est plus grande que 0,5.

  3. On marque 120 individus d'une population, puis on en recapture 30, dont 6 marqués. Quel est l'effectif total estimé ?

  4. Quand la taille nn de l'échantillon est multipliée par 4, que devient l'amplitude de l'intervalle [f−1n ; f+1n]\left[f - \dfrac{1}{\sqrt{n}}\ ;\ f + \dfrac{1}{\sqrt{n}}\right] ?

  5. Quelles méthodes simulent correctement un lancer de pièce équilibrée avec un chiffre aléatoire entre 0 et 9, chaque chiffre ayant la même probabilité ?

    Plusieurs réponses possibles.

  6. Un échantillon de n=100n = 100 personnes donne f=0,4f = 0{,}4. Quelle est la borne inférieure de l'intervalle [f−1n ; f+1n]\left[f - \dfrac{1}{\sqrt{n}}\ ;\ f + \dfrac{1}{\sqrt{n}}\right] ?

  7. Un fabricant annonce que 50 % de ses produits sont conformes à une norme. Un contrôle sur n=400n = 400 produits donne f=0,56f = 0{,}56, soit l'intervalle [0,51 ; 0,61][0{,}51\ ;\ 0{,}61]. Quelle conclusion est la plus juste ?

  8. Si une simulation donne des fréquences proches de celles du modèle, elle démontre que le modèle est exact.

Les questions qu'on se pose

Pourquoi une fréquence d'échantillon n'est-elle jamais exactement égale à la proportion de la population ?

Parce que l'échantillon ne contient qu'une partie des individus, et que cette partie change d'un tirage à l'autre. La proportion calculée dépend de l'échantillon choisi : c'est la fluctuation d'échantillonnage.4 Plus l'échantillon est grand, plus la fréquence a de chances d'être proche de la proportion cherchée, mais l'égalité exacte reste exceptionnelle.

Faut-il apprendre la formule de l'intervalle de confiance par cœur ?

Le programme prévoit l'usage d'une formule donnée pour un intervalle de confiance au niveau 95 %.4 Le plus important est de savoir l'appliquer correctement (calculer ff, nn puis les deux bornes) et d'interpréter le résultat dans le contexte. Si l'énoncé ne la rappelle pas, mieux vaut connaître celle utilisée en classe.

À quoi sert une simulation si on connaît déjà la probabilité théorique ?

La simulation montre ce que donne concrètement la théorie : la dispersion des fréquences, l'effet de la taille de l'échantillon, la fréquence de situations rares. Elle sert aussi à tester un modèle quand on ne sait pas calculer, par exemple pour des jeux comme le « passe-dix » ou la pierre-feuille-ciseaux cités au programme.1

Comment savoir quelle méthode utiliser dans un exercice ?

Regarde ce que l'énoncé demande. S'il parle d'individus marqués puis recapturés, c'est une capture-recapture.4 S'il donne un échantillon et demande ce qu'on peut dire de la population, utilise l'intervalle de confiance. S'il demande de reproduire une expérience un grand nombre de fois, c'est une simulation. S'il demande si une affirmation est crédible, compare la valeur annoncée à l'intervalle.

Que faire si la valeur annoncée est dans l'intervalle de confiance ?

Tu peux dire que l'échantillon est compatible avec l'affirmation, sans la démontrer. Un échantillon plus grand donnerait un intervalle plus étroit et permettrait peut-être de trancher. Évite la formule « l'affirmation est vraie » : elle dépasse ce que l'échantillon autorise.

Sources

Programme visé : Programme de mathématiques intégré à l'enseignement scientifique en classe de première générale · Bulletin officiel de l'Éducation nationale (BOEN)

  1. Programme de mathématiques intégré à l'enseignement scientifique en classe de première générale, Bulletin officiel de l'Éducation nationale (BOEN). Consulté le 6 novembre 2026.
  2. Programmes et ressources en enseignement scientifique - voie générale, Éduscol. Consulté le 6 novembre 2026.
  3. Programmes et ressources en mathématiques - voie GT, Éduscol. Consulté le 6 novembre 2026.
  4. Ressources d'accompagnement - Enseignement scientifique et mathématiques intégrées, Éduscol. Consulté le 6 novembre 2026.
  5. A G I R - Mathématiques Première : Compétences et statistiques & probabilités, Réseau Canopé. Consulté le 6 novembre 2026.
  6. A G I R - Mathématiques : Statistiques & probabilités (collège-lycée), Réseau Canopé. Consulté le 6 novembre 2026.

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