Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/CombinatoricsUnreviewed

Le drame du gardien de nuit

by Sequoia·translated by Catalpa·
23
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

This score reflects both the level of the required concepts and the difficulty of the solution.Ce score tient compte à la fois du niveau des notions nécessaires et de la difficulté de la résolution.

  1. 110First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 1125Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 2650Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 5170Advanced / graduateAvancé / master
  5. 7190Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91100Research levelNiveau recherche
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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  1. Vous êtes gardien de nuit, mais vous revenez d’une visite chez des amis et vous avez un peu trop bu. Vous vous tenez devant la porte de votre lieu de travail, vous sortez de votre poche les nn clefs en votre possession et vous les laissez tomber par terre. Hélas, le trousseau s’est défait et vous ne vous rappelez plus quelle clef ouvre la porte !
    Vous décidez donc d’essayer la première que vous voyez. Si elle fonctionne, tant mieux pour vous, mais si elle ne fonctionne pas, vous la laissez retomber par terre au milieu des autres clefs. Bien sûr, vous êtes ivre - vous ne vous rappelez pas quelle clef vous avez déjà essayé. Vous répétez le même processus jusqu’à ouvrir la porte.
    Quelle est la probabilité que la kk-unième clef ouvre la porte ?

  2. Après cette terrible nuit à essayer d’ouvrir la porte, vous décidez de vous en tenir au jus de tomates lorsque vous sortez avec des amis. Vous achetez donc un nouveau trousseau mais ne vous souvenez toujours pas de quelle clef ouvre la porte de votre lieu de travail. Or cette fois-ci vous avez une stratégie : vous mettez de côté chaque clef essayée qui n’ouvre pas la porte.

Dans ce cas-ci, quelle est de nouveau la probabilité que la kk-unième clef ouvre la porte ?
FLUX 2026 08 26 13 39 25

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Solutions

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Solution by Sequoia

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  1. Disons que la première clef n’ouvre pas la porte, elle fait donc parti des n1n-1 clefs qui n’ouvre pas la porte parmi les nn. Cette événement a donc une probabilité n1n\frac{n-1}{n} de survenir.
    La seconde clef n’ouvre toujours pas la porte avec la même probabilité, ce qui rajoute un facteur n1n\frac{n-1}{n}. On itère ce raisonnement jusqu’à la k1k-1-ème clef qui n’ouvre pas la porte. Tout cela est donc un événement de probabilité (n1n)k1\left(\frac{n-1}{n}\right)^{k-1}, où l’on peut tout multiplier par indépendance.
    Mais la kk-ème clef va ouvrir la porte ! Ainsi cet événement a une probabilité 1n\frac{1}{n} d’advenir car on choisit une clef sur nn.
    Finalement, la probabilité que la kk-ème clef ouvre la porte suit une loi géométrique de paramètre 1n\frac{1}{n}, le résultat est donc (n1n)k11n\left(\frac{n-1}{n}\right)^{k-1}\,\frac{1}{n}.

2.La différence maintenant est que le gardien fait attention à la clef qu’il utilise. Disons que la première clef n’ouvre pas la porte, cela a donc une probabilité n1n\frac{n-1}{n} d’arriver, rien ne change pour l’instant.
Mais maintenant on met cette mauvaise clef de côté, il en reste donc n1n-1. Si on en choisit une mauvaise, cela a une probabilité n2n1\frac{n-2}{n-1} d’arriver (n2n-2 mauvaises clefs dans les n1n-1).
Maintenant il reste donc n2n-2 clefs devant nous. On peut ainsi prolonger ce raisonnement jusqu’à ce qu’on ait tiré k1k-1 mauvaises clefs (donc il en reste n(k1)=nk+1n-(k-1)=n-k+1). On multiplie alors les probabilités pour trouver:
n1nn2n1n3n2nk+2nk+3nk+1nk+2\frac{n-1}{n}\frac{n-2}{n-1}\frac{n-3}{n-2}\cdots\frac{n-k+2}{n-k+3}\frac{n-k+1}{n-k+2}Mais on remarque que n1n-1 se simplifie, ainsi que n2n-2, n3,,n-3,\dots, jusqu’à nk+1n-k+1 qui, lui, va rester.
On trouve ainsi nk+1n\frac{n-k+1}{n}.
Mais maintenant il nous reste à tirer la bonne clef parmi les nk+1n-k+1 restante, événement de probabilité 1nk+1\frac{1}{n-k+1} qui, multiplié par le résultat précédent, donne 1n\frac{1}{n}. Ainsi notre probabilité finale vaut 1n\frac{1}{n}. Elle ne dépend pas de kk !

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