Espaces probabilisés

Ce dossier propose quatre exemples simples d'application des mathématiques aux sciences sociales, à travers des jeux à organiser en classe, et ouvre ainsi à quelques réflexions profondes sur la coopération entre les humains, l'intuition en probabilités, les équilibres économiques, le libre arbitre.

En mai 2014, le Département de Mathématiques et Applications de l'École normale supérieure a organisé deux journées de formation à l'attention des professeurs de classes préparatoires.

Ces six exposés de deux heures exposent à la fois certaines bases des probabilités et statistiques (variables indépendantes, variables gaussiennes, intervalles de confiance, test statistiques), détaillent des exemples importants de processus aléatoires (jeu de pile ou face, percolation, mouvement brownien, arbres aléatoires) et donnent quelques ouvertures vers des champs contemporains de la recherche en probabilité.

Cet article présente les différentes vidéos. Nous remercions particulièrement Raphaël Cerf, directeur de l'équipe de probabilités du DMA, pour avoir suggéré d'insérer ces vidéos sur Culture Math. La captation des exposés a été réalisée par le pôle communication de l'ÉNS.

De grands défis mathématiques d’Euclide à Condorcet n’est pas une histoire des grands problèmes mathématiques ou historiques. Cet ouvrage, la dernière production de la commission inter-IREM « épistémologie et histoire des mathématiques », ne restreint pas non plus l’histoire des mathématiques à ses seuls apports culturels qui, par ailleurs, ne sont pas négligés...

Les psychologues Daniel Kahneman et Amos Tversky ont montré qu’en raison de toute une série de biais de jugement, les individus sont souvent incapables d’évaluer correctement les situations d’incertitude et d’appliquer les lois générales des probabilités, notamment la loi des grands nombres et la règle de Bayes.

Le couple fréquence-probabilité, ainsi que la théorie instituant ce rapport qu'on peut appeler schématiquement "loi des grands nombres", est un leitmotiv de la période classique de l'histoire du calcul des probabilités. Il est au coeur du développement de la théorie et des préoccupations des probabilistes, comme de ses utilisateurs. Les programmes des lycées imposent de prendre une approche fréquentiste pour définir une probabilité. Cela pose le problème du statut de ces énoncés que l'on rassemble sous le nom de "loi des grands nombres". Peu de propositions mathématiques portent ce titre de "loi". Est-ce un théorème, comme il est utilisé habituellement pour le théorème de De Moivre-Laplace ? Est-ce un énoncé extra-mathématique, admis comme prémisse à toute théorie scientifique ?

La percolation est un phénomène physique que l'on rencontre bien sûr lorsque l'on étudie le passage de la vapeur à travers du café, mais également des situations aussi diverses que la propagation d'un incendie de forêt, la circulation automobile, la conductivité électrique d'une alliage... Nous introduisons ici cette théorie, partant de la notion de graphe aléatoire. Nous verrons notamment qu'il existe une notion de probabilité critique, c'est-à-dire un seuil tel qu'en-dessous la probabilité d'avoir un phénomène de percolation est nulle, et égale à 1 au-delà.
Nous nous pencherons plus particulièrement sur les cas des arbres infinis et des réseaux cubiques.

Lorsque l'on bat un jeu de cartes, selon le procédé classique qui consiste à couper le paquet en deux parties puis à alterner les cartes des deux parties pour reformer un seul tas (puis à recommencer l'opération un certain nombre de fois), le but est bien sûr qu'aucun joueur ne puisse deviner l'ordre des cartes après battage. Manifestement, si l'on ne bat qu'une seule fois, un joueur attentif qui connaissait l'ordre initial des cartes dispose encore de certaines informations. D'où la question de savoir combien de fois il faut battre le paquet de cartes pour qu'il soit "bien mélangé".

Étant donné un cercle, si l'on trace une corde au hasard sur ce cercle, quelle est la probabilité pour que celle-ci soit plus longue que le rayon du cercle ? Cette question, connue sous le nom de "paradoxe" de la corde de Bertrand, est particulièrement judicieuse pour illustrer la notion de mesure de probabilité. Nous allons voir que la réponse varie en fonction du mode de construction, chaque façon de penser étant lié à une mesure particulière.