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Maths Clairesmathsclaires.com/1ere-enseignement-scientifique/02-statistiques-deux-variables1ère ens. scientifique
1ère ens. scientifique · Chapitre 2 · Probabilités et statistiques

Statistiques à deux variables

30 exercices corrigés

Cours

À quoi ça sert ?

Les vaccinés tombent-ils moins malades ? Le niveau des océans monte-t-il régulièrement ? Les ventes de glaces dépendent-elles de la température ? Pour répondre, on étudie deux caractères à la fois sur les mêmes individus, et on cherche s'ils sont liés. C'est ce que font l'Insee, les médecins ou les climatologues avec leurs bases de données. Avec ce chapitre, tu sauras :

  • lire et compléter un tableau croisé, calculer des fréquences conditionnelles ;
  • représenter deux caractères numériques par un nuage de points et calculer le point moyen ;
  • tracer une droite d'ajustement et l'utiliser pour estimer des valeurs ;
  • garder un regard critique : une prévision lointaine ou un lien entre deux caractères ne prouvent pas tout.

Les données de ce chapitre sont fictives ou simplifiées, sauf mention contraire.

1 Le tableau croisé d'effectifs

Quand on interroge des personnes sur deux questions dont les réponses sont des catégories (oui / non, une classe, un sexe…), on range les résultats dans un tableau à double entrée.

L'intuition

On demande à \(200\) élèves leur classe et s'ils font du sport. Un tableau croisé permet de comparer : la proportion de sportifs est-elle la même en seconde et en première ?

Définition

Un tableau croisé d'effectifs donne, pour chaque couple de modalités, le nombre d'individus concernés. La dernière ligne et la dernière colonne contiennent les totaux (les « marges »).

Sport : oui Sport : non Total
Seconde \(60\) \(40\) \(100\)
Première \(45\) \(55\) \(100\)
Total \(105\) \(95\) \(200\)
Fréquences
  • la fréquence marginale d'une modalité est son total divisé par l'effectif total : la part des sportifs est \(\dfrac{105}{200} = 52{,}5\,\%\) ;
  • la fréquence conditionnelle de B parmi A est \(\dfrac{\text{effectif de « A et B »}}{\text{effectif de A}}\) : parmi les élèves de seconde, la part de sportifs est \(\dfrac{60}{100} = 60\,\%\). En mots : une fréquence conditionnelle se calcule à l'intérieur d'un groupe ; le dénominateur est l'effectif de ce groupe.
Exemple guidé — deux fréquences conditionnelles qui n'ont rien à voir

Étape 1 — Parmi les secondes, part des sportifs. Le groupe est « seconde » (\(100\) élèves) : \(\dfrac{60}{100} = \boxed{60\,\%}\).

Étape 2 — Parmi les sportifs, part des secondes. Le groupe est « sportifs » (\(105\) élèves) : \(\dfrac{60}{105} \approx \boxed{57{,}1\,\%}\).

🔍 Vérification : même numérateur \(60\), mais pas le même groupe, donc pas le même dénominateur ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ Confondre « parmi les secondes, \(60\,\%\) font du sport » et « parmi les sportifs, \(60\,\%\) sont en seconde ». ✅ Repère le mot « parmi » : il donne le groupe, donc le dénominateur.
  • ❌ Diviser par l'effectif total pour une fréquence conditionnelle. ✅ On divise par l'effectif du groupe.
À toi !

Avec le même tableau, calcule la part des sportifs parmi les élèves de première, puis la part des élèves de première parmi les non-sportifs.

Voir la réponseMasquer la réponse

Parmi les premières, \(\dfrac{45}{100} = 45\,\%\) font du sport. Parmi les non-sportifs (\(95\)), \(\dfrac{55}{95} \approx 57{,}9\,\%\) sont en première.

À retenir

Fréquence marginale \(= \dfrac{\text{total de la modalité}}{\text{effectif total}}\) ; fréquence conditionnelle « parmi A » \(= \dfrac{\text{effectif de A et B}}{\text{effectif de A}}\).

2 Comparer et représenter un croisement

Pour savoir si deux caractères sont liés, on compare des fréquences conditionnelles calculées dans des groupes différents.

L'intuition

\(60\,\%\) des secondes font du sport, contre \(45\,\%\) des premières. Si le sport ne dépendait pas de la classe, ces deux pourcentages seraient à peu près égaux. L'écart suggère un lien (dans cet échantillon).

Méthode — étudier un lien entre deux caractères qualitatifs
  • calculer la fréquence conditionnelle d'une même modalité dans chaque groupe ;
  • les comparer (on peut les représenter par un diagramme en barres, une barre par groupe) ;
  • conclure avec prudence : « dans cet échantillon, … ».
Exemple guidé — une enquête sur un vaccin

(données fictives) : sur \(1\,000\) personnes, \(600\) sont vaccinées et \(30\) d'entre elles sont tombées malades ; parmi les \(400\) non vaccinées, \(60\) sont tombées malades.

Étape 1 — Les deux fréquences conditionnelles. Parmi les vaccinés : \(\dfrac{30}{600} = 5\,\%\) de malades. Parmi les non-vaccinés : \(\dfrac{60}{400} = 15\,\%\).

Étape 2 — Comparer. Les non-vaccinés sont trois fois plus souvent malades : dans cet échantillon, la vaccination est associée à moins de maladie.

Étape 3 — Une autre lecture. Parmi les \(90\) malades, \(\dfrac{30}{90} \approx 33\,\%\) sont vaccinés.

🔍 Vérification : \(30 + 60 = 90\) malades au total ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ « Un tiers des malades sont vaccinés, donc le vaccin ne marche pas. » ✅ Pour juger le vaccin, on compare les taux de malades parmi les vaccinés et parmi les non-vaccinés.
  • ❌ Conclure à une cause dès qu'on voit un lien. ✅ Un lien statistique ne prouve pas qu'un caractère cause l'autre.
À toi !

Dans un lycée, \(80\) des \(200\) filles et \(50\) des \(250\) garçons font partie d'une chorale. Compare la participation à la chorale chez les filles et chez les garçons.

Voir la réponseMasquer la réponse

Parmi les filles, \(\dfrac{80}{200} = 40\,\%\) ; parmi les garçons, \(\dfrac{50}{250} = 20\,\%\). Dans ce lycée, les filles participent deux fois plus souvent à la chorale.

À retenir

Pour étudier un lien, on compare des fréquences conditionnelles dans des groupes différents. Lien statistique ne veut pas dire cause.

3 Nuage de points et point moyen

Quand les deux caractères sont des nombres (une année et un nombre d'abonnés, une température et des ventes), on représente chaque individu par un point.

Définition

On dispose de \(n\) couples de valeurs \((x_1 \,;\, y_1)\), \((x_2 \,;\, y_2)\), …, \((x_n \,;\, y_n)\). Le nuage de points est l'ensemble des points de coordonnées \((x_i \,;\, y_i)\) dans un repère. Le point moyen \(G\) a pour coordonnées les moyennes : \(x_G = \bar{x} = \dfrac{x_1 + \cdots + x_n}{n}\) et \(y_G = \bar{y} = \dfrac{y_1 + \cdots + y_n}{n}\).

Exemple guidé — les abonnés d'une chaîne vidéo

\(x\) est le rang de l'année, \(y\) le nombre d'abonnés en milliers.

\(x\) \(1\) \(2\) \(3\) \(4\) \(5\) \(6\)
\(y\) \(3\) \(4\) \(5\) \(5{,}8\) \(7{,}1\) \(8{,}1\)

Étape 1 — La moyenne des \(x\). \(\bar{x} = \dfrac{1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6}{6} = \dfrac{21}{6} = 3{,}5\).

Étape 2 — La moyenne des \(y\). \(\bar{y} = \dfrac{3 + 4 + 5 + 5{,}8 + 7{,}1 + 8{,}1}{6} = \dfrac{33}{6} = 5{,}5\).

Étape 3 — Conclure. Le point moyen est \(\boxed{G(3{,}5 \,;\, 5{,}5)}\).

🔍 Vérification : \(G\) est au milieu du nuage, entre le premier et le dernier point ✓.

1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 O G y = x + 2 x
Nuage de points des abonnés, point moyen G et droite d'ajustement d'équation y = x + 2.
Erreurs fréquentes
  • ❌ Relier les points du nuage. ✅ On laisse des points isolés : la droite d'ajustement viendra ensuite.
  • ❌ Calculer le point moyen avec le premier et le dernier point seulement. ✅ On fait la moyenne de toutes les valeurs.
À toi !

Calcule le point moyen de la série \(x\) : \(1\) ; \(2\) ; \(3\) ; \(4\) et \(y\) : \(2\) ; \(4\) ; \(5\) ; \(9\).

Voir la réponseMasquer la réponse

\(\bar{x} = \dfrac{10}{4} = 2{,}5\) et \(\bar{y} = \dfrac{20}{4} = 5\), donc \(G(2{,}5 \,;\, 5)\).

À retenir

Nuage = points \((x_i \,;\, y_i)\) non reliés ; point moyen \(G(\bar{x} \,;\, \bar{y})\).

4 Ajustement affine

Si les points du nuage sont presque alignés, on les remplace par une droite qui passe au plus près d'eux : c'est un ajustement affine.

L'intuition

Dans le nuage des abonnés, les points montent régulièrement d'environ \(1\) millier par an. Une droite résume cette tendance et permet de faire des estimations.

Définition

Un ajustement affine consiste à choisir une droite d'équation \(y = ax + b\) proche des points du nuage. Il existe plusieurs méthodes :

  • au jugé : on trace à la règle une droite qui passe « au milieu » des points, souvent par le point moyen ;
  • méthode de Mayer : on coupe la série en deux groupes de même taille, on calcule le point moyen \(G_1\) et \(G_2\) de chaque groupe, et on trace la droite \((G_1G_2)\) ;
  • moindres carrés : la calculatrice ou le tableur donnent la droite qui rend la plus petite possible la somme des carrés des écarts verticaux. Aucune théorie n'est demandée : on lit \(a\) et \(b\) sur l'outil.
Propriété

La droite de Mayer et la droite des moindres carrés passent par le point moyen \(G\) du nuage.

Exemple guidé — méthode de Mayer sur les abonnés

Étape 1 — Premier groupe (\(x = 1, 2, 3\)). \(G_1\left(\dfrac{1 + 2 + 3}{3} \,;\, \dfrac{3 + 4 + 5}{3}\right) = G_1(2 \,;\, 4)\).

Étape 2 — Second groupe (\(x = 4, 5, 6\)). \(G_2\left(\dfrac{4 + 5 + 6}{3} \,;\, \dfrac{5{,}8 + 7{,}1 + 8{,}1}{3}\right) = G_2(5 \,;\, 7)\).

Étape 3 — La droite \((G_1G_2)\). Coefficient directeur : \(a = \dfrac{7 - 4}{5 - 2} = 1\). Avec \(G_1\) : \(4 = 1 \times 2 + b\), donc \(b = 2\). La droite de Mayer est \(\boxed{y = x + 2}\).

🔍 Vérification : le point moyen \(G(3{,}5 \,;\, 5{,}5)\) est bien sur la droite : \(3{,}5 + 2 = 5{,}5\) ✓. (La calculatrice donne, par les moindres carrés, \(y \approx 1{,}017x + 1{,}94\) : très proche.)

Erreurs fréquentes
  • ❌ Faire un ajustement affine sur un nuage qui forme une courbe. ✅ On vérifie d'abord sur le graphique que les points sont à peu près alignés.
  • ❌ Dans la méthode de Mayer, faire des groupes de tailles différentes sans raison. ✅ On coupe la série (rangée par \(x\) croissants) en deux moitiés.
À toi !

Avec la droite \(y = x + 2\), quel nombre d'abonnés estime-t-on pour \(x = 4{,}5\) ? Pour quelle valeur de \(x\) estime-t-on \(9\) milliers d'abonnés ?

Voir la réponseMasquer la réponse

\(4{,}5 + 2 = 6{,}5\) milliers d'abonnés. Et \(x + 2 = 9\) donne \(x = 7\).

À retenir

Ajustement affine = droite \(y = ax + b\) proche du nuage ; Mayer : droite \((G_1G_2)\) ; moindres carrés : \(a\) et \(b\) lus sur l'outil ; ces droites passent par \(G\).

5 Interpoler et extrapoler

Une fois la droite choisie, on l'utilise pour estimer des valeurs qu'on n'a pas mesurées.

Définition
  • interpoler, c'est estimer une valeur à l'intérieur de la plage des données (par exemple une année entre deux mesures) ;
  • extrapoler, c'est estimer une valeur en dehors de cette plage (par exemple une prévision pour l'avenir).
Prudence

Une interpolation est en général fiable si le nuage est bien aligné. Une extrapolation suppose que la tendance continue : elle est d'autant plus risquée qu'on s'éloigne des données.

Exemple guidé — prévoir les abonnés

Étape 1 — Une interpolation. Pour \(x = 4{,}5\) (milieu de la cinquième année), \(y \approx 4{,}5 + 2 = 6{,}5\) milliers.

Étape 2 — Une extrapolation. Pour l'année \(8\) : \(y \approx 8 + 2 = \boxed{10 \text{ milliers}}\), si la croissance reste régulière.

🔍 Vérification : la droite des moindres carrés donne \(1{,}017 \times 8 + 1{,}94 \approx 10{,}08\) : les deux méthodes concordent ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ Annoncer une extrapolation lointaine comme une certitude. ✅ On dit « si la tendance se maintient, on peut estimer… ».
  • ❌ Croire qu'une bonne corrélation prouve une cause. ✅ Les ventes de glaces et les noyades augmentent ensemble en été : c'est la chaleur qui explique les deux.
À toi !

Les ventes de glaces \(y\) sont bien ajustées par \(y = 10x - 30\) pour des températures \(x\) entre \(15\) et \(30\,°\)C. Estime les ventes à \(25\,°\)C, puis dis si l'estimation à \(45\,°\)C est fiable.

Voir la réponseMasquer la réponse

\(10 \times 25 - 30 = 220\) glaces (interpolation, fiable). À \(45\,°\)C, on extrapole loin des données : le modèle n'a pas été vérifié par de telles chaleurs, l'estimation est peu fiable.

À retenir

Interpoler (dans la plage) est assez fiable ; extrapoler (hors de la plage) suppose que la tendance continue. Corrélation n'est pas causalité.


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