Paradoxe de Bertrand

Le paradoxe de Bertrand est un problème en théorie des probabilités qui met en évidence les limites du recours à l'intuition dans cette discipline.



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Probabilités - Paradoxe probabiliste

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Le paradoxe de Bertrand est un problème en théorie des probabilités qui met en évidence les limites du recours à l'intuition dans cette discipline. Il consiste à choisir au hasard une corde d'un cercle donné et d'estimer la probabilité que celle-ci soit de longueur supérieure au côté du triangle équilatéral inscrit dans le cercle. Le paradoxe est que cette probabilité dépend du protocole de choix de la corde.

Ce problème fut énoncé pour la première fois en 1888 par Joseph Bertrand dans son ouvrage Calcul des probabilités. Bertrand en donnait trois réponses différentes (une chance sur deux, une sur trois et une sur quatre), l'ensemble des trois apparemment valides.

Énoncé

Soit un cercle de rayon 1. Le côté d'un triangle équilatéral inscrit dans ce cercle a pour longueur \sqrt 3. Le paradoxe de Bertrand consiste à déterminer la probabilité qu'une corde du cercle, choisie au hasard, possède une longueur supérieure à \sqrt 3.

  1. Extrémités aléatoires : soit un point de la circonférence du cercle et le triangle équilatéral inscrit dont l'un des sommets est ce point. On choisit aléatoirement un autre point sur le cercle et on considère la corde reliant les deux points. Elle est plus longue que le côté du triangle si le deuxième point est localisé sur l'arc reliant les deux sommets du triangle opposé au premier point. La probabilité est par conséquent alors \frac 1 3.
  2. Rayon aléatoire : on choisit un rayon du cercle et on considère le triangle équilatéral inscrit dont un côté est perpendiculaire au rayon. On choisit aléatoirement un point sur le rayon et on trace la corde dont il est le milieu. Cette corde est plus longue que le côté du triangle si le point est localisé plus près du centre du cercle que l'intersection de ce côté et du rayon, laquelle est localisée au milieu de ce dernier. La probabilité est par conséquent alors \frac 1 2.
  3. Milieu aléatoire : soit un point choisi aléatoirement à l'intérieur du cercle et une corde dont il est le milieu. La corde est plus longue qu'un côté du triangle équilatéral inscrit si le point est localisé à l'intérieur d'un cercle concentrique de rayon 1/2. L'aire de ce cercle est un quart celle du grand cercle. La probabilité est par conséquent alors \frac 1 4.

Explication

Le paradoxe de Bertrand met en évidence la dépendance à la méthode de sélection d'une corde «au hasard». Dès que cette méthode est spécifiée, le problème possède une solution bien définie. En l'absence d'une telle méthode, le terme «au hasard», dans «choisir une corde du cercle au hasard», est ambigu. Les trois solutions présentées par Bertrand correspondent à des méthodes de sélection différentes et valables, et en l'absence d'autre information, il n'y a aucune raison d'en privilégier une comparé aux autres.

Une autre façon de visualiser les méthodes consiste à considérer la distribution des milieux des cordes. En dehors des diamètres, une corde est entièrement définie par son milieu. Chacune des trois méthodes de Bertrand conduit à une distribution des milieux différentes : les deux premières méthodes produisent deux distributions non-uniformes différentes, la troisième une distribution uniforme des milieux à l'intérieur du cercle. D'autres distributions peuvent être imaginées, conduisant à des probabilités toujours différentes.

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