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2ⁿᵈᵉ · Chapitre 11 · Statistiques et probabilités
Tableaux croisés d'effectifs, fréquences conditionnelles et marginales.
Le chapitre précédent a montré comment résumer une variable observée sur une population : effectifs, fréquences, indicateurs. Mais les questions les plus intéressantes portent souvent sur deux variables à la fois : le moyen de transport des élèves dépend-il de leur sexe ? La gravité des accidents de la route dépend-elle du type de route ? Pour y répondre, on croise les deux variables dans un même tableau — le tableau croisé d'effectifs — et on y lit deux nouveaux types de fréquences : les fréquences marginales et les fréquences conditionnelles. Au passage, ce chapitre est un premier contact avec les bases de données, et un entraînement à décoder les pourcentages que l'on croise chaque jour dans les médias.
Rappelons le vocabulaire du chapitre 10. Une étude statistique porte sur une population (les élèves d'une classe, les clients d'un magasin, les accidents d'une année…) dont les éléments sont les individus. Sur chaque individu, on observe une ou plusieurs variables (on dit aussi caractères).
Définition
Une variable est qualitative lorsque ses valeurs possibles, appelées modalités, ne sont pas des nombres sur lesquels on calcule. On distingue deux natures de variables qualitatives :
Exemple
Remarque
Une variable quantitative peut devenir qualitative ordinale quand on regroupe ses valeurs en classes : l'âge, regroupé en tranches (« moins de 25 ans », « 25 à 64 ans », « 65 ans et plus »), devient une variable qualitative dont les modalités sont ordonnées. C'est très fréquent en démographie. Dans tout ce chapitre, les deux variables croisées sont qualitatives — jamais deux variables numériques brutes.
Pourquoi observer deux variables à la fois ? Parce que la question intéressante est souvent celle du lien entre elles : la répartition des moyens de transport est-elle la même chez les filles et chez les garçons ? Le degré de satisfaction est-il le même chez les nouveaux clients et chez les clients fidèles ? Pour le savoir, il faut disposer, pour chaque individu, de la valeur des deux variables. Ces données se présentent sous la forme d'un fichier des individus : un tableau où chaque ligne décrit un individu et chaque colonne une variable. C'est exactement le principe d'une base de données — celles qu'exploitent l'INSEE, la Sécurité routière ou n'importe quelle entreprise.
Voici le fil rouge du chapitre. Dans une classe de seconde de élèves, on relève pour chaque élève deux variables qualitatives : son sexe (fille ou garçon) et son moyen de transport pour venir au lycée (en bus, à vélo ou à pied). Le fichier des individus commence ainsi :
| Élève | Sexe | Moyen de transport |
|---|---|---|
| fille | bus | |
| garçon | à pied | |
| fille | bus | |
| fille | vélo | |
| … | … | … |
| garçon | bus |
Trente lignes de ce type sont illisibles d'un seul coup d'œil : on les résume dans un tableau à double entrée.
Définition
Le tableau croisé d'effectifs de deux variables qualitatives observées sur une même population est le tableau à double entrée dans lequel :
Méthode
Construire un tableau croisé à partir des données brutes (dépouillement). Acquis depuis : collège.
Exemple
Le dépouillement des élèves de la classe donne le tableau croisé suivant :
| En bus | À vélo | À pied | Total | |
|---|---|---|---|---|
| Filles | ||||
| Garçons | ||||
| Total |
Contrôle : et — les deux lectures redonnent bien l'effectif total.
Remarque
Chaque case intérieure du tableau se lit avec le mot et : la case contient , donc élèves sont des filles et viennent en bus. Les totaux, eux, ne portent que sur une seule variable : élèves sont des filles (peu importe leur transport), élèves viennent en bus (peu importe leur sexe).
Pour compter les individus qui vérifient une condition ou une autre (au sens usuel des mathématiques : l'une, l'autre, ou les deux), il faut se méfier du double comptage.
Propriété
Pour deux conditions et portant sur les individus d'une même population :
On soustrait l'effectif de car les individus qui vérifient les deux conditions ont été comptés deux fois : une fois dans l'effectif de , une fois dans celui de .
Exemple
Combien d'élèves de la classe sont des filles ou viennent en bus ? Si l'on additionne brutalement , on dépasse l'effectif de la classe : les filles qui viennent en bus ont été comptées deux fois. Le bon compte est :
Vérification par le complément : les élèves qui ne sont ni des filles ni des usagers du bus sont les garçons à vélo () et les garçons à pied (), soit élèves — et .
Les effectifs dépendent de la taille de la population : filles en bus, c'est beaucoup dans une classe de , très peu dans un lycée de élèves. Pour comparer, on passe aux fréquences, comme au chapitre 9. La première famille de fréquences ne fait intervenir qu'une variable à la fois.
Définition
La fréquence marginale d'une modalité est la proportion d'individus de la population qui présentent cette modalité :
où est l'effectif total. Les fréquences marginales se calculent donc à partir de la ligne et de la colonne Total du tableau croisé — la marge du tableau.
Exemple
Dans la classe fil rouge () :
Propriété
Pour chacune des deux variables, la somme des fréquences marginales de toutes ses modalités vaut , c'est-à-dire .
Vérification sur le fil rouge : pour le sexe, et pour le transport.
Remarque
Le mot marginal n'a rien de péjoratif : il vient de la marge du tableau, où sont inscrits les totaux. Une fréquence marginale ignore complètement l'autre variable — ne dit rien de la répartition filles/garçons parmi les usagers du bus.
Les fréquences marginales ne suffisent pas pour répondre à la question de départ : les filles et les garçons se déplacent-ils de la même façon ? Comparer les effectifs (filles en bus) et (garçons en bus) est trompeur, car il y a filles et seulement garçons dans la classe : les deux groupes n'ont pas la même taille. La bonne idée est de rapporter chaque effectif croisé à l'effectif du groupe concerné — c'est la fréquence conditionnelle.
Définition
Soient et deux conditions portant sur les individus (par exemple deux modalités des deux variables). La fréquence conditionnelle de parmi les individus qui vérifient est :
Elle se lit : « fréquence de parmi les individus qui vérifient ». La sous-population de référence n'est plus la population entière, mais uniquement les individus qui vérifient .
Exemple
Dans la classe fil rouge, on peut conditionner en ligne (parmi les filles, parmi les garçons) ou en colonne (parmi les usagers du bus, parmi les cyclistes) :
Ces fréquences permettent enfin la comparaison cherchée : tandis que — dans cette classe, la part des cyclistes est nettement plus élevée chez les garçons que chez les filles, alors même que les effectifs croisés ( et ) semblaient proches.
Exemple
Le tableau des fréquences conditionnelles en ligne. En divisant chaque case d'une ligne par le total de cette ligne, on obtient le tableau des fréquences conditionnelles sachant le sexe, ici en pourcentages arrondis à l'unité :
| En bus | À vélo | À pied | Total | |
|---|---|---|---|---|
| Parmi les filles | ||||
| Parmi les garçons |
Ce tableau compare d'un coup d'œil les habitudes des deux groupes comme s'ils avaient la même taille : les filles de cette classe prennent surtout le bus, les garçons se répartissent plus également entre les trois modes. Chaque ligne a pour total — c'est la propriété ci-dessous. (À cause des arrondis, une somme peut parfois afficher ou ; on le signale alors en note.)
Propriété
Pour une condition fixée, la somme des fréquences conditionnelles de toutes les modalités de l'autre variable vaut .
Vérification parmi les filles :
Remarque
Le piège du chapitre : en général, . Les deux fréquences ont le même numérateur (l'effectif de et ) mais des dénominateurs différents. Sur le fil rouge :
Deux phrases, deux sous-populations de référence, deux nombres différents. Confondre les deux est l'erreur la plus fréquente — et la plus exploitée dans les discours trompeurs.
Méthode
Identifier la sous-population de référence. Dans un énoncé en français, la sous-population d'une fréquence conditionnelle est signalée par les mots « parmi les… », « chez les… », ou par le complément « des… » :
Avant tout calcul, écrire noir sur blanc : « sous-population de référence = … ; son effectif = … (le dénominateur) ».
Dans la pratique, un tableau croisé arrive rarement complet : une enquête fournit quelques effectifs, un total, une fréquence… et il faut reconstituer le reste. Deux outils s'enchaînent.
Méthode
Compléter un tableau croisé à trous.
On commence par convertir les fréquences données en effectifs (méthode 2), puis on propage par sommes et différences (méthode 1), en contrôlant à la fin que toutes les lignes et colonnes retombent sur leurs totaux.
Exemple
Une enseigne interroge clients d'un magasin. On sait que d'entre eux sont des clients fidèles, que clients au total se déclarent satisfaits, et que, parmi les clients fidèles, se déclarent satisfaits. Le tableau à compléter :
| Satisfaits | Non satisfaits | Total | |
|---|---|---|---|
| Clients fidèles | |||
| Nouveaux clients | |||
| Total |
| Satisfaits | Non satisfaits | Total | |
|---|---|---|---|
| Clients fidèles | |||
| Nouveaux clients | |||
| Total |
Le tableau complété permet d'aller plus loin : , soit — la satisfaction est plus faible chez les nouveaux clients () que chez les fidèles ().
Les fréquences marginales et conditionnelles sont partout dans la presse, souvent sans que le mot « fréquence » apparaisse : « des Français… », « chez les jeunes, … », « un conducteur sur trois… ». Savoir traduire ces phrases est une capacité du programme — et un réflexe de citoyen.
Méthode
Traduire une phrase de presse en fréquence.
Exemple
Trois phrases de style journalistique, analysées :
Remarque
Esprit critique : une fréquence conditionnelle ne dit rien de l'effectif de sa sous-population. Dans la classe fil rouge, « deux tiers des cyclistes sont des garçons » () sonne comme un phénomène massif… mais ne concerne que élèves sur , et seulement garçons sur . Un pourcentage conditionnel spectaculaire calculé sur une sous-population minuscule n'a pas grande portée : toujours se demander « pourcentage de quoi, et sur combien d'individus ? » avant de conclure.
Le fichier des individus de la classe fil rouge se représente en Python par deux listes parallèles : sexe[i] et transport[i] décrivent le même élève numéro i. C'est le principe de toute base de données : une ligne = un individu, une colonne = une variable. Les modalités sont codées par des chaînes courtes, sans accent : "F" et "G" pour le sexe, "bus", "velo" et "pied" pour le transport.
Exemple
Filtrer : compter les individus vérifiant un critère. Le script parcourt les élèves et compte ceux qui répondent au critère, construit avec and, or ou not :
sexe = ["F", "G", "F", "F", "G", "F", "F", "G", "F", "F",
"G", "F", "G", "F", "F", "G", "F", "G", "F", "F",
"G", "F", "G", "F", "F", "G", "F", "G", "F", "G"]
transport = ["bus", "pied", "bus", "velo", "bus", "pied",
"bus", "velo", "bus", "bus", "pied", "bus",
"velo", "bus", "pied", "bus", "bus", "pied",
"bus", "bus", "velo", "bus", "pied", "velo",
"bus", "velo", "pied", "pied", "pied", "bus"]
# Les filles qui viennent a velo (ET)
compteur = 0
for i in range(30):
if sexe[i] == "F" and transport[i] == "velo":
compteur = compteur + 1
print(compteur) # affiche 2
# Les eleves qui viennent a velo ou a pied (OU)
compteur = 0
for i in range(30):
if transport[i] == "velo" or transport[i] == "pied":
compteur = compteur + 1
print(compteur) # affiche 15
# Les eleves qui ne viennent pas en bus (NON)
compteur = 0
for i in range(30):
if not transport[i] == "bus":
compteur = compteur + 1
print(compteur) # affiche 15
Les deux derniers comptages donnent le même résultat () : « à vélo ou à pied » et « pas en bus » décrivent ici le même sous-ensemble d'élèves, puisqu'il n'y a que trois modalités de transport.
Exemple
Croiser : reconstruire une case du tableau et une fréquence conditionnelle. Avec les mêmes listes, une fonction à double condition calcule l'effectif de n'importe quelle case du tableau croisé, et une seconde fonction calcule un effectif marginal :
def effectif_croise(s, t):
"""Effectif de la case (sexe s, transport t)."""
compteur = 0
for i in range(len(sexe)):
if sexe[i] == s and transport[i] == t:
compteur = compteur + 1
return compteur
def effectif_sexe(s):
"""Effectif marginal du sexe s."""
compteur = 0
for i in range(len(sexe)):
if sexe[i] == s:
compteur = compteur + 1
return compteur
print(effectif_croise("F", "bus")) # affiche 12
print(effectif_sexe("F")) # affiche 18
# Frequence conditionnelle du bus parmi les filles
f = effectif_croise("F", "bus") / effectif_sexe("F")
print(f) # affiche 0.6666666666666666 (environ 0,67)
On retrouve exactement les valeurs du cours : la case vaut , l'effectif marginal des filles vaut , et . En appelant effectif_croise pour les six couples de modalités, on reconstruit tout le tableau croisé de la section 2.
Remarque
Ces quelques lignes contiennent le principe du traitement des vraies données : les fichiers de l'INSEE ou de la Sécurité routière comptent des millions de lignes, mais les ordinateurs qui les exploitent font exactement cela — parcourir les lignes, filtrer selon des critères combinés par ET/OU/NON, compter, puis diviser pour obtenir des fréquences. Le tableur (avec ses fonctions de comptage conditionnel) et les logiciels de statistique automatisent ce même schéma.
On peut le travailler ensemble dès cette semaine. Une séance ciblée sur ce chapitre, et vous repartez au minimum avec une méthode.