Pile ou face

Pour les articles homonymes, voir Pile ou face (homonymie).

Lancer d'une pièce.

Le pile ou face est un jeu de hasard se jouant avec une pièce de monnaie. Le principe du jeu est de lancer en l'air une pièce équilibrée et de parier sur le côté sorti. La pièce tournoyante tombe au sol et s'y stabilise, ou bien elle est rattrapée d'une main et posée à plat dans l'autre main.

L'origine du nom « pile ou face » vient des noms des deux côtés d'une pièce de monnaie^{[note 1]}.

La première utilisation de ce jeu sous cette forme date de la création de la monnaie métallique. Cependant, d'autres formes existaient précédemment en utilisant des objets possédant deux côtés distincts, un coquillage par exemple. Le but est de faire un choix binaire au hasard. Aujourd'hui encore, jouer à « pile ou face » signifie qu'on laisse une décision se prendre au hasard, en fonction du côté de la pièce qui apparaîtra après le lancer.

Le jeu de pile ou face est toujours utilisé en sport par exemple. Il sert de support à beaucoup de problèmes en probabilité, certains restent encore ouverts comme le problème de la Belle au bois dormant.

C'est un outil important dans la théorie des jeux ainsi que dans la théorie des probabilités.

Origine

Articles détaillés : Avers (numismatique) et Revers (numismatique).

Capita aut Navia ?
« Tête » (de Janus) ou « Navire » ?

Denier de Charlemagne au VIII^e siècle (« croix » à gauche, « pile » à droite).

Gros tournois de Saint-Louis(« croix » à gauche, « pile » à droite représentant un châtel avec de piliers).

Écu de Louis XVI en 1792 (« face » à gauche, « pile » à droite).

Des écrits anciens nomment un jeu d'enfants de la Grèce antique, l'Ostrakinda, où le choix du rôle des deux équipes est fait en jetant une coquille ou un tesson de jarre, blanc d'un côté, noir de l'autre et en criant « nuit ou jour »^[1]^,^[2]^,^[3]. Autour du IV^e siècle av. J.‑C., il y a une grande variété de monnaie, chaque cité possédant un signe distinctif sur le côté face : une chouette pour Athènes, une tortue pour Égine, un crabe pour Agrigente, etc. Sur le côté pile, des portraits de Dieux ou de souverains commencent à apparaitre^[4].

Dans l'Antiquité romaine, à partir du III^e siècle av. J.‑C., les gravures que l'on trouvait sur les pièces de monnaie (as romain ou livre romaine) représentaient le visage (double visage) de Janus sur un côté de la pièce, et le navire qui l'avait amené en Italie sur l'autre. L'expression « capita aut navia » (« tête ou navire » en latin) était alors usitée^[3]. Il existe également plusieurs autres représentations : Dieux, monuments, souverains, etc^[4].

En 781, Charlemagne établit une réforme monétaire qui interdit l'utilisation des anciennes monnaies. Des nouvelles pièces sont alors frappées avec son monogramme (en forme de croix) sur le revers et une légende circulaire autour d'une croix sur l'avers^[5]. Le revers s'appelant pile, on disait alors, s'agissant d'un choix au hasard, « croix ou pile ». L'origine du terme pile reste incertaine, voir l'article Revers (numismatique) pour plus de détails. Plus tard, le fils de Charlemagne, Louis le Pieux, refit apparaître une monnaie à son effigie^[5].

À partir du début de la renaissance, grâce à une ordonnance^[6] d'Henri II du 31 janvier 1548, les souverains profitent du renouveau artistique pour faire représenter leur portrait de manière ressemblante et valorisante^[4]. Le côté face est donc le côté où était inscrit sur la pièce de monnaie le visage du roi, du prince, de l'empereur, ou une allégorie (Marianne, la semeuse). Ainsi, lors de la fuite manquée de Louis XVI en 1791, à Varennes, il aurait été reconnu par le maître poste grâce à l’effigie royale sur le côté face d’un écu^[7].

En langage numismatique, pile se nomme le revers et face l'avers. Aujourd'hui, le côté pile est celui qui indique la valeur de la pièce de monnaie. Dans les pièces de l'Union européenne, le côté pile est le côté des pièces portant les chiffres 1 (centime), 2 (centimes), 5 (centimes), 10 (centimes), 20 (centimes), 50 (centimes), 1 (euro) ou 2 (euros). Pour le côté face, les pièces françaises de 1, 2 et 5 centimes sont illustrées d'une représentation de Marianne ; les pièces de 10, 20 et 50 centimes représentent la semeuse, alors qu'un arbre est représenté sur les pièces de 1 et 2 euros. Certains pays européens ont choisi de faire figurer des visages sur les pièces de 1 et 2 euros.

Il existe également des pièces de monnaie dont les deux côtés sont identiques : deux face ou deux pile. Elles peuvent être de vraies pièces issues d'une erreur de fabrication^[8]^,^[9], dans ce cas elles prennent une grande valeur notamment pour les collectionneurs. La pièce possède alors un côté avers et un revers, sans possibilité de distinction. Cependant beaucoup de ces doubles pièces sont de fausses pièces.

La notion étymologique de « pile ou face » et le jeu de « pile ou face » existent également dans d'autres langues. Certaines langues possèdent des termes différents pour la notion et pour le jeu. Voici une liste, non exhaustive.

Langue	Dénomination		Signification
Langue	Jeu	Notion	Signification
(ar) Arabe (Liban)	طرة و نقشة	أرز أو شختور	cèdre ou bateau
(de) Allemand	Münzwurf	Kopf oder Zahl	tête ou nombre
(en) Anglais	Coin flipping	Heads or Tails	tête ou queue
(nl) Néerlandais	Tossen	Kruis of munt	tête ou nombre

Quelques autres langues avec quelques photos

1^re image (en haut à gauche) : côté commun « pile » des pièces de 2 euros.
Autres images : différents côtés « face » des pièces européennes.

Langue	Dénomination		Signification
Langue	Jeu	Notion	Signification
(ca) Catalan		Cara o creu	face ou croix
(es) Espagnol		Cara o cruz	face ou croix
(ga) Gaélique		Ceann nó Cláirseach	tête ou harpe
(he) Hébreu	הטלת מטבע
(hu) Hongrois		Fej vagy írás	tête ou écriture
(it) Italien		Testa o croce	tête ou croix
(ja) Japonais	コイントス
(lv) Letton		Cipars vai ģerbonis	nombre ou blason
(es) Mexicain		Aguila o sol	aigle ou soleil
(no) Norvégien		krone eller mynt	couronne ou pièce
(pt) Portugais		Cara ou coroa	face ou couronne
(ro) Roumain		Cap sau pajură	tête ou aigle
(ru) Russe		Орёл или ре́шка	aigle ou queue
(sv) Suédois		Krona eller klave	couronne ou blason
(tr) Turc		Yazı Tura	écriture ou face
(vi) Vietnamien		ngửa hay sấp	face ou revers

Harpe sur une pièce irlandaise de 1542.
L'aigle et le soleil sur un peso mexicain de 1908.
Couronne sur un réal portugais de 1909.
Aigle sur un rouble russe de 1998.

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Utilisation

Procédure

Pile ou face au cricket.

Le jeu de pile ou face permet d'aider à la décision d'un choix binaire. La méthode la plus courante pour lancer une pièce est de positionner horizontalement sur le bout du pouce et la tranche de l'index^[10]. Il suffit alors d'exercer une extension du pouce afin de donner un mouvement de rotation à la pièce^{[note 2]}, la pièce doit réaliser au moins une rotation entière en l'air^[11]. D'après une étude statistique^[12], le nombre moyen de retournements de pièce pour un pile ou face typique est de 19. On laisse la pièce retomber au sol ou alors on la rattrape et la positionne horizontalement sur le dos de l'autre main. Dans tous les cas c'est le côté supérieur de la pièce qui donne le résultat.

Il est courant de parier sur pile ou sur face avant le lancer de pièce. On peut également parier pendant que la pièce est en l'air, ce qui évite toute tentative de tricherie de la part du lanceur.

En sport

Dans plusieurs sports tels que le badminton, le cricket, le football américain, le handball, ou encore le rugby à XV, l'équipe gagnante au pile ou face peut choisir l'équipe qui commence ou le côté du terrain. Il est également courant d'utiliser le pile ou face lors de prolongations ou pour déterminer un gagnant lors de matchs trop longs ou lors de matchs qui ne désignent pas de vainqueurs.

En 1919, le premier président du club de football espagnol Valence CF a été choisi au jeu de pile ou face. Après 7 h 35 d'un match de ping-pong, Marin Goldberger a été désigné vainqueur par un pile ou face au championnat du monde en 1936. En 1963, lors de la coupe des clubs champions, les deux équipes du Galatasaray et du FC Zurich restèrent ex-æquo lors des qualifications ; le FC Zurich se qualifia au pile ou face. De 1966 à 1985, lors de la draft NBA, les équipes de basket-ball utilisent des jeux de pile ou face pour l'obtention du premier choix de joueur. Lors d'une demi-finale de la coupe de France de 1967, à la fin du troisième match nul entre les équipes de Lyon et d'Angoulême, les Lyonnais ont été qualifiés par un pile ou face.

Jeux

Jeux avec mise

On peut jouer au pile ou face en pariant sur une mise, jeu souvent présent dans les exercices de probabilité. L'étude se porte alors sur des lancers indépendants simultanés ou successifs. Plusieurs règles et stratégies de mises existent.

Exemple de stratégie de mise :

On considère un jeu de pile ou face classique : un joueur mise une somme sur pile ou face, s'il obtient le bon résultat il gagne une fois sa mise (en plus de sa mise), sinon il perd sa mise. On recommence alors un autre lancer de pièce. Il existe une stratégie permettant au joueur d'être toujours gagnant à la longue : le joueur mise 1 euro pour le premier tirage. S'il perd, il mise 2 euros au deuxième lancer, s'il perd, il mise 4 euros au troisième lancer, et ainsi de suite. S'il n'a toujours pas gagné, il mise 2^n-1 au n-ième lancer. Le joueur arrête de jouer lorsqu'il gagne.

Ce jeu est gagnant pour le joueur. En effet, S'il gagne au n-ième lancer, il aura misé $\scriptstyle 1+2+4+...+2^{n-1}=\sum_{k=0}^{n-1}2^k=2^n-1$ euros et aura gagné 2ⁿ euros. Son gain est donc de 1 euro. De plus le jeu se termine en temps fini. La limite d'utilisation de cette technique est que le jeu n'est pas borné en temps, c'est-à-dire qu'il peut durer très longtemps. Pour être gagnant, il faut ainsi supposer que le joueur ait un porte-monnaie infini, c'est-à-dire qu'il peut miser 2ⁿ même pour n grand.

Jeux sans mise

Pièce utilisée comme dé à deux côtés ou « D2 ».

Certains jeux utilisent la notion de hasard binaire (oui/non, accepté/refusé, gagnant/perdant par exemple) pendant leur déroulement. Ce sont généralement des jeux de rôle dans lesquels des actions ou évènements sont laissés au hasard d'un jeu de pile ou face. Citons par exemple le jeu Magic : l'assemblée dans lequel certaines cartes demandent la réalisation d'un jeu de pile ou face^[13].

Pour les choix multiples (supérieurs à trois possibilités), des dés multifaces sont généralement utilisés (1d6 signifie jeter un dé à six côtés). 1d2 signifie donc faire un jeu de pile ou face. Certains « dés à deux côtés » ont alors la forme d'une pièce^[14].

Citons, par exemple, le jeu Prince Valiant qui n'utilise que des pièces.

Exemples de jeux

Les pièces sont considérées équilibrées.

Jeu pour deux joueurs et un lancer (jeu classique)

Un joueur choisit pile, l'autre face. La pièce est jetée en l'air. Le joueur ayant choisi le bon côté de la pièce gagne, l'autre perd. Le jeu est équilibré, les joueurs ont même probabilité de gagner.
Jeu pour deux joueurs et deux lancers

Un joueur choisit identiques, l'autre différents. Les deux pièces sont jetées en l'air (ou deux fois la même pièce). Si les deux pièces donnent le même résultat, le joueur ayant choisi identiques gagne, l'autre perd. Si les deux pièces donnent des résultats différents, le joueur ayant choisi différents gagne, l'autre perd. Le jeu est équilibré.
Jeu pour deux joueurs et n lancers

Un nombre impair n est choisi en début de jeu, ce choix n'influencera pas les chances de gagner. Un joueur choisit pile, l'autre face. Une pièce est jetée en l'air n fois. Si pile est apparu plus de fois, le joueur ayant choisi pile gagne, l'autre perd. De même pour face. Le jeu est équilibré.
Jeu pour deux joueurs et une pièce (problème du chevalier de Méré ou problème des partis)

Un joueur choisit pile, l'autre face. La pièce est lancée en l'air un certain nombre de fois. Le joueur ayant choisi pile gagne si pile apparait trois fois avant que face n'apparaisse trois fois. De même pour face. Le nombre 3 peut être modifié sans changer les chances de gagner. Le nombre de lancers n'est pas fixe mais le jeu s'arrêtera en temps fini. Le jeu est équilibré.

Question que le chevalier de Méré a soumise à Pascal :

Si on stoppe le jeu avant la fin, les deux joueurs se répartissent la mise du jeu. Mais quelle est la part de chacun en fonction du nombre de pile et face déjà apparus ? Pascal a donné une solution par un raisonnement de proche en proche (en utilisant notamment le triangle de Pascal), Fermat a donné la même solution par un raisonnement différent (utilisant des évènements équiprobables)^[15].

Jeu pour trois joueurs et trois pièces (l'intrus)

Chaque joueur jette sa pièce en l'air. Si tous les résultats sont les mêmes, on recommence. Sinon, un joueur a obtenu un résultat différent des deux autres, ce joueur gagne. Le nombre de lancers n'est pas fixe mais le jeu s'arrêtera en temps fini. Le jeu est équilibré.
Jeu pour n joueurs et n pièces

Chaque joueur jette sa pièce en l'air. S'il n'y a pas de résultat (pile ou face) majoritaire, on recommence. Sinon, les joueurs en nombre majoritaire sont éliminés du jeu. On recommence avec les joueurs restants jusqu'à obtention de un ou deux joueurs restants. S'il reste un joueur, il est gagnant ; s'il reste deux joueurs, ils jouent à un jeu de pile ou face classique. Le nombre de lancers n'est pas fixe mais le jeu s'arrêtera en temps fini. Le jeu est équilibré.

Concept et anecdotes

Blaise Pascal.

L'idée du jeu de pile ou face, c'est-à-dire d'une expérience aléatoire dont le résultat est un succès ou un échec, permet d'illustrer le concept d'un choix aléatoire. Blaise Pascal, dans ses pensées, utilise la métaphore du jeu de pile ou face pour illustrer son fameux pari :

« Examinons donc ce point et disons : Dieu est, ou il n’est pas. Mais de quel côté pencherons-nous ? La raison n’y peut rien déterminer. Il y a un chaos infini qui nous sépare. Il se joue un jeu, à l’extrémité de cette distance infinie, où il arrivera croix ou pile : que gagerez-vous ? [...] Pesons le gain et la perte, en prenant croix que Dieu est. Estimons ces deux cas : si vous gagnez, vous gagnez tout ; si vous perdez, vous ne perdez rien. Gagez donc qu’il est sans hésiter ! »

— Blaise Pascal ^[16]^,^{[note 3]}

Le jeu de pile ou face est utilisé pour consulter le système de divination Yi Jing. La valeur 2 est assignée à pile et 3 à face^[17], on effectue alors la somme des résultats sur trois lancers de pièce. Dans un domaine plus scientifique, les différents pas d'une marche aléatoire sont donnés par le résultat d'un jeu de pile ou face. Il est utilisé comme métaphore en mécanique quantique : le résultat de l'expérience du chat de Schrödinger est déterminé par « un jeu de pile ou face dont le résultat est inconnu avant l'ouverture de la boîte »^[18].

En 1851, un pile ou face détermine si une nouvelle ville dans l'Oregon sera nommée d'après Boston ou Portland, Portland gagne. En 1939, Bill Hewlett et Dave Packard ont parié à pile ou face si leur société allait s’appeler Hewlett-Packard ou Packard-Hewlett^[19]. Le soir de leur passage au Monterey Pop Festival en 1967, pour savoir qui des Who ou du Jimi Hendrix Experience passerait avant l'autre, il fallut tirer à pile ou face, et les Who gagnèrent. En 1968, Roland Moreno invente une machine à tirer à pile ou face, la « Matapof »^[20]. En 1970, l'éleveur Ogden Phipps et le couple Christopher et Penny Chenery jouent à pile ou face le droit de choisir un des trois poulains de l'étalon Bold Ruler. Les perdants au jeu deviendront propriétaires d'un des plus grands champions de l'histoire des courses : le pur-sang anglais Secretariat. En 1977, un juge déclara avoir tiré à pile ou face pour savoir si Denis Lemon allait recevoir une condamnation ferme ou non suite à une accusation pour blasphème pour la publication d'un poème sur des amours homosexuelles de Jésus avec un centurion^[21]. En 1987, Corynne Charby interpréta la chanson « Pile ou face » composée par Franck Yvi et Jean-Louis D'Onorio. Cette chanson fut reprise par Emmanuelle Béart en 2002 dans le film Huit femmes de François Ozon. Le thème de la chanson est de « vivre sa vie à pile ou face », c'est-à-dire de laisser le hasard décider.

En fiction

Certains personnages de film sont associés au jeu du pile ou face, ce dernier devenant parfois même l'identité du personnage. Dans le film américain Scarface, sorti en 1932 et réalisé par Howard Hawks, le personnage Guino Rinaldo, joué par George Raft, est un gangster jouant constamment à pile ou face. Ce personnage fut parodié par Bugs Bunny dans le dessin animé Racketeer Rabbit en 1946. George Raft parodia son propre personnage dans la comédie Certains l'aiment chaud de Billy Wilder, avec le personnage de Spats Colombo. Spats rencontre un gangster rival jouant à pile ou face, il lui demande « Où as-tu appris à faire ça ? »^[22]^,^[23]. Le personnage schizophrène Double-Face ou Pile-ou-face ennemi de Batman créé en 1942 par Bob Kane et Bill Finger décide de la légalité de ses crimes par un jeu de pile ou face. Il utilise une pièce à deux côtés identiques à l'exception d'une rayure de couteau sur l'une d'elles. C'est une pièce de dollar en argent. Citons également le roman Non, ce pays n'est pas pour le vieil homme et son adaptation cinématographique, No Country for Old Men sorti en 2007 de Joel et Ethan Coen, où le tueur à gage psychopathe Anton Chigurh, utilise un lancer de pièce et laisse la destinée décider de la vie de ses victimes^[24]. Une parodie a été faite dans l'épisode 19 de la vingtième saison des Simpson, Une adresse chic^[25].

Le jeu de pile ou face est également à l'origine de certaines intrigues fictives. À la fin de la nouvelle d'Isaac Asimov La Machine qui gagna la guerre publiée en 1961, le personnage de Lamar Swift révèle à ses collaborateurs que l'ordinateur ne donnait en fait pas toutes les informations et qu'il jouait les grandes décisions à pile ou face. Dans l'épisode 16 de la deuxième saison de la série télévisée La Quatrième Dimension, le personnage principal obtient des pouvoirs télépathiques après avoir jeté une pièce qui reste mystérieusement sur la tranche. Son don disparaît lorsqu'il fait tomber la pièce restée sur la tranche.

Le concept de jeu infini de pile ou face est utilisé pour illustrer l'absurde comme dans la pièce de théâtre Rosencrantz et Guildenstern sont morts de 1966, et dans son adaptation cinématographique de 1990, de Tom Stoppard. Les deux personnages Rosencrantz et Guildenstern de la pièce de théâtre Hamlet de William Shakespeare assistent à leur propre histoire^[26]. Au début de la pièce, Rosencrantz gagne 85 fois de suite au pile ou face, la très faible probabilité de cet évènement montre que la situation dans laquelle se retrouvent les personnages est absurde mais possible.

L'aspect binaire du jeu est illustré dans le dixième épisode de la cinquième saison de la série animée Futurama de Matt Groening. Le professeur Hubert Farnsworth crée un univers parallèle dans lequel le résultat du jeu de pile ou face est inversé : pile dans un univers lorsque le résultat est face dans l'autre (et vice versa).

De manière plus humoristique, dans l'épisode 16 de la dixième saison de Friends (diffusée en 2004), Joey perd 57 fois de suite contre Rachel au pile ou face avec les règles suivantes : face elle gagne, et pile il perd^[27].

Modélisation mathématique

Formalisme mathématique

Voir aussi l'article « Espace probabilisable ».

Donnons ici une formalisation mathématique de l'espace et de la loi de probabilité pour un jeu de pile ou face. C'est un cas particulier souvent utilisé en théorie des probabilités puisqu'on peut décrire explicitement les objets mathématiques.

Pour le lancer d'une pièce, l'univers des possibles est $Ω = {0,1}$ , il est composé de deux éléments 0 (ou F) pour face et 1 (ou P) pour pile. On munit cet univers fini de l'ensemble des parties $\scriptstyle \mathcal P(\Omega)=\{ \emptyset, \{0\},\{1\},\{0,1\} \}$ . Intuitivement l'ensemble $Ω$ représente les résultats possibles après un lancer de pièce.
On définit alors une probabilité $\scriptstyle \mathbb P$ en donnant ses valeurs pour les événements {obtenir face} et {obtenir pile}, c'est-à-dire respectivement $\scriptstyle \{0\}$ et $\scriptstyle \{1\}$ : $\scriptstyle \mathbb P(1)=p$ et $\scriptstyle \mathbb P(0)=1-p$ avec $\scriptstyle p\in [0,1]$ . C'est-à-dire que la probabilité d'obtenir pile est p et celle d'obtenir face est 1-p. (p=1-p=1/2 pour une pièce équilibrée). Ainsi la donnée de $\scriptstyle (\Omega, \mathcal P(\Omega), \mathbb P)$ définit mathématiquement un lancer de pièce.

Pour deux lancers successifs d'une même pièce (ou de deux pièces avec la même loi $\scriptstyle \mathbb P$ ), l'univers est $\scriptstyle \Omega'=\{0,1\}\times\{0,1\}=\{(0,0),(0,1),(1,0),(1,1)\}$ dont les éléments correspondent aux résultats dans l'ordre des deux pièces. On définit une probabilité $\scriptstyle \mathbb Q$ par $\scriptstyle \mathbb Q((a,b))=\mathbb P(a) \mathbb P(b)$ où a et b valent 0 ou 1. C'est-à-dire que les lancers sont indépendants et que chaque lancer a la loi d'un jeu de pile ou face.

Pour deux lancers de deux pièces différentes n'ayant pas la même loi ; c'est-à-dire la première a pour loi $\scriptstyle \mathbb P_1$ définie avec la paramètre p et la deuxième avec la loi $\scriptstyle \mathbb P_2$ définie avec le paramètre q≠p. L'univers est encore $\scriptstyle \Omega'$ et on définit la mesure de probabilité $\scriptstyle \tilde{\mathbb Q}((a,b))=\mathbb P_1(a) \mathbb P_2(b)$ .

Ces définitions se généralisent pour plus de lancers.

Lois de probabilité

Jacques Bernoulli

Le lancer d'une pièce est une épreuve de Bernoulli, c'est-à-dire que l'on réalise une épreuve aléatoire dont le résultat est un succès ou un échec. Ce résultat est représenté par une variable aléatoire de la loi de Bernoulli, ses valeurs possibles sont 0 et 1 (associées à pile et face, ou inversement). Si la pièce est équilibrée, le paramètre de la loi de Bernoulli est p=1/2, c'est-à-dire que pile et face ont la même probabilité d'apparaître. Si la pièce n'est pas équilibrée, le paramètre p de la loi de Bernoulli ne vaut pas 1/2 et un côté de la pièce a plus de chance d'apparaître que l'autre. Si p>1/2, $\scriptstyle \, \mathbb P(X=1)>\mathbb P(X=0)$ . Remarquons que dans la théorie des probabilités, la pièce est supposée parfaite au sens où la pièce ne peut pas tomber sur la tranche.

Donnons un lien avec la loi binomiale. Lorsque l'on effectue plusieurs lancers de la même pièce, ou de pièces ayant le même équilibrage, les lancers sont supposés indépendants. Le nombre de fois où apparaît le côté pile sur n lancers suit une loi binomiale B (n, p) où la paramètre p est la probabilité que le côté associé au résultat 1 apparaisse.

Il existe également un lien avec la loi géométrique. Si la probabilité d'obtenir pile est p et la probabilité d'obtenir face est 1-p (p=1-p=1/2 dans le cas équilibré), alors la probabilité d'obtenir face pour les n premiers lancers et pile pour le n+1^e lancer est égale à $\scriptstyle (1-p)^np$ . Le nombre de lancers nécessaires pour l'apparition du premier côté pile suit donc une loi géométrique.

Des liens avec d'autres lois de probabilité sont possibles en utilisant des résultats asymptotiques, la loi normale, par exemple, en faisant tendre n vers l'infini (voir la convergence vers la loi normale).

Loi de la proportion de face dans un jeu de pile ou face. Pour chacun des 10 000 jeux de 200 lancers, on compte la proportion de face. Cette densité de loi binomiale approche la courbe de Gauss de la loi normale centrée en 1/2.

Faire tendre n vers l'infini revient à considérer un nombre de lancers qui tend vers l'infini. Pour une infinité de lancers d'une pièce, le fait qu'une séquence de 100 face consécutifs soit réalisée une infinité de fois, est un événement queue, c'est-à-dire que sa probabilité est 0 ou 1. C'est la loi du zéro un de Kolmogorov.

Le jeu de pile ou face permet d'aborder beaucoup de notions probabilistes, il a été inscrit dans la listes des épreuves orales du concours de l'agrégation de mathématiques.

« Le jeu de pile ou face, dont le principe est si simple, possède un très grand caractère de généralité et conduit, lorsqu’on l’étudie en détail, aux mathématiques les plus élevées. »

— Émile Borel, Principes et Formules classiques du Calcul des Probabilités, Chapitre V : Jeu de pile ou face ; 1924^[28]

La modélisation mathématique du jeu de pile ou face, ou l'utilisation de la loi de Bernoulli, a été utilisée comme première approche pour des résultats mathématiques applicables à des lois plus générales :

Dans son œuvre posthume Ars Conjectandi publié en 1713, Jacques Bernoulli énonce une première version de la loi des grands nombres pour des variables de Bernoulli $\scriptstyle (X_k,k\ge 1)$ . Notons $\scriptstyle S_n=X_1+...+X_n$ la somme du nombre de pile obtenues pour n lancers. Alors la moyenne du nombre de pile converge (en probabilité) vers la probabilité p d'obtenir pile quand on réalise un grand nombre de lancers :
pour tout $\varepsilon>0, \mathbb P\left( \left| \frac{S_n}{n} -p\right| >\varepsilon \right)\underset{n\rightarrow \infty}{\longrightarrow} 0,$
Pierre-Simon de Laplace donne une première version du théorème central limite en 1812 qui ne s'applique alors que pour une variable à deux états. Son résultat généralise celui d'Abraham de Moivre de 1733 démontré pour le cas particulier p=1/2. En reprenant les notations précédentes, pour tous $\scriptstyle a,b\in \mathbb R\cup\{-\infty\}\cup\{+\infty\}$ tels que a<b :
$\mathbb P\left( a\leq \frac{S_n-np}{\sqrt{np(1-p)}} \leq b \right)\underset{n\rightarrow \infty}{\longrightarrow} \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int_a^b e^{-\frac{x^2}{2}} \mathrm{d}x$ .

Article détaillé : Théorème de Moivre-Laplace.

Le jeu avec une vraie pièce est-il juste ?

Une étude statistique a été réalisée par deux médecins sur des patients en oto-laryngologie à Vancouver^[29]. Ils ont demandé à treize patients de faire trois cents lancers chacun et d'essayer d'obtenir face. Ces patients ont reçu une formation de manipulation de pièces et ont pu s'exercer quelques minutes avant l'expérience.

Les treize patients ont réussi à obtenir plus de face que de pile, dont sept patients de manière statistiquement significative. Le meilleur a obtenu 68 % de face. Il est à noter que les deux meilleurs patients ont été motivés par une récompense (pécuniaire) avant l'expérience.

Différentes explications sont données : on peut biaiser le résultat avec de l'exercice sur la manipulation de pièce (c'est le cas pour certains magiciens qui réalisent une illusion de rotation de la pièce), le résultat dépend du côté de la pièce initialement au-dessus avant de la lancer, le résultat de la surface de réception (avec la main ou sur une surface fixe comme une table), le résultat dépend de la pièce (la pièce belge de 1 euro tomberait plus de fois sur face^[29]).

Déterminer si la pièce est faussée

La question que l'on se pose est : Étant donnée une pièce de monnaie, est-elle équilibrée ou non ? Donnons plusieurs méthodes expérimentales pour y répondre. On suppose ici, par rapport à la sous-section précédente, que le lancer de pièce en lui-même est équiprobable.

Utilisation de la loi des grands nombres.

La loi des grands nombres assure que si on effectue un grand nombre de lancers, la moyenne du nombre de côtés pile obtenu est proche de 1/2. L'idée première est donc de lancer la pièce « un grand nombre de fois », de calculer la moyenne du nombre de pile et de le comparer avec 1/2. Cette méthode a cependant ses limites puisque l'on ne peut lancer une infinité de fois.
Utilisation de l'inégalité de Bienaymé-Tchebychev.

L'inégalité de Bienaymé-Tchebychev appliquée au nombre $\scriptstyle Y_n$ de pile obtenus pour n lancers s'écrit de la manière suivante : $\scriptstyle \mathbb P(|Y_n - \frac{n}{2}| \geq a )\leq \frac{n}{4a^2}$ , pour tout a. Par exemple, pour quarante lancers, $\scriptstyle \mathbb P(|Y_{40}-20| \geq 5 )\leq \frac{40}{100} = 0,4$ . Cette inégalité permet d'évaluer la probabilité que le nombre de pile observé (valeur théorique) soit éloigné du nombre de pile théorique, cependant elle n'est pas suffisamment précise pour décider si la pièce est biaisée ou non.

Courbe, dite « en cloche », de la loi normale.
Utilisation du théorème central limite.

Le théorème central limite appliqué au nombre $\scriptstyle Y_n$ de pile obtenus pour n lancers correspond au théorème de Moivre-Laplace, il assure que, pour une pièce équilibrée, $\scriptstyle \mathbb P\left( Y_n-\frac{n}{2} \leq \frac{b \sqrt{n}}{2} \right)$ est proche de $\scriptstyle \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int_{-\infty}^b e^{-\frac{x^2}{2}}dx$ . On utilise alors une table de loi normale^[30] pour obtenir une valeur approchée de cette intégrale. Ainsi, pour 40 lancers, $\scriptstyle \mathbb P(|Y_{40}-20| \geq 5 ) = 2 \times \mathbb P\left( Y_{40}-20 \leq -5 \right) = 2-2\times \mathbb P\left( Y_{40}-20 \leq 5 \right)$ , en prenant b=1,58, on obtient $\scriptstyle \mathbb P(|Y_{40}-20| \geq 5 ) \approx 2-2\times 0,944 = 0,11$ . C'est-à-dire, avec une probabilité 0,89, le nombre de pile pour quarante lancers est entre quinze et vingt-cinq. Ce résultat, plus précis que l'inégalité précédente, n'est valide que pour « n grand », n>36 d'après le théorème de Moivre-Laplace. Une meilleure méthode est d'utiliser un test statistique.
Réalisons le test statistique du χ² à un degré de liberté puisque que l'on vérifie une unique valeur : le nombre de pile, c'est un test bilatéral. (Voir également le déroulement d'un test d'hypothèse.)

1^re étape : On formule l'hypothèse nulle $\scriptstyle H_0$ et on fixe un seuil $α$ . L'hypothèse $\scriptstyle H_0$ est l'évènement dont on veut connaitre la probabilité : $\scriptstyle H0$ =[la pièce a une chance sur deux de tomber sur pile]. Le seuil $α$ est le pourcentage en dessous duquel on est prêt à rejeter l'hypothèse $\scriptstyle H_0$ (souvent $α = 5%$ ou 1%).
2^e étape : On calcule la variable de décision. C'est-à-dire que l'on réalise une expérience de n lancers de pièce, puis on compte le nombre de côtés pile obtenus. Ce nombre que l'on note $\scriptstyle o_p$ est appelé la valeur empirique. Le choix de la taille de l'échantillon n'est pas évident, il doit être suffisamment petit pour être réalisable et suffisamment grand pour donner un résultat significatif. Le nombre de lancers minimal est de dix (5 divisé par la fréquence théorique : 0,5, cf. les conditions du test).
3^e étape : On calcule la valeur de la statistique qui correspond à la distance de $\scriptstyle o_p$ à la valeur théorique p=1/2 pour le test du χ². Le $χ 2$ observé est

$\chi^2_{obs} = \frac{(o_p - n \times 0,5)^2}{n \times 0,5} + \frac{(n - o_p - n \times 0,5)^2}{n \times 0,5} = 0,5 n + \frac{o_p^2 - n o_p}{0,5 n}$

4^e étape : On compare cette statistique avec la valeur critique $\scriptstyle\chi^2_{crit}$ calculée en fonction de la taille de l'échantillon : n et du seuil : $α$ . La table suivante est calculée à partir de la loi du χ².

Loi du $χ 2$ à un degré de liberté pour un test bilatéral^[30].
fiabilité ( $100% - α$ )	1 %	5 %	10 %	50 %	90 %	95 %	99 %	99,9 %
seuil ( $α$ )	99 %	95 %	90 %	50 %	10 %	5 %	1 %	0,1 %
$\chi^2_{crit}$	0,000 2	0,004	0,02	0,45	2,71	3,84	6,63	10,83

5^e étape : Finalement, on déduit l'acceptation ou le rejet de l'hypothèse $\scriptstyle H_0$ .
Si $\chi^2_{obs} > \chi^2_{crit}$ , on rejette l'hypothèse $\scriptstyle H_0$ au seuil $α$ ,
si $\chi^2_{obs} < \chi^2_{crit}$ , on accepte l'hypothèse $\scriptstyle H_0$ au seuil $α$ .

Exemple : on réalise $n = 100$ lancers, et on choisit un seuil $α = 5%,$

si on obtient $\scriptstyle o_p= 61$ pile et $n-\scriptstyle o_p= 39$ face,
$\scriptstyle \chi^2_{obs} = \frac{(61 - 50)^2}{50} + \frac{(39 - 50)^2}{50} = 4.84$ est supérieur à $\scriptstyle \chi^2_{crit} = 3.84$ .
On rejette alors l'hypothèse la pièce est équilibrée au seuil 5%.
C'est-à-dire : on peut affirmer, avec fiabilité 95%, que la pièce est n'est pas équilibrée.
si on obtient $\scriptstyle o_p= 59$ pile et $n-\scriptstyle o_p= 41$ face,
alors $\scriptstyle \chi^2_{obs} = \frac{(59 - 50)^2}{50} + \frac{(41 - 50)^2}{50} = 3.24$ est inférieur à $\scriptstyle \chi^2_{crit} = 3.84$ .
On ne peut pas rejeter l'hypothèse la pièce est équilibrée, au seuil 5%.
C'est-à-dire : on ne peut pas affirmer, avec fiabilité 95%, que la pièce n'est pas équilibrée.

Contre-intuitions

Intuitivement les réponses aux deux questions suivantes semblent être identiques. Mais leur différence est source de bien des erreurs et de paradoxes mathématiques.

La question « Quelle est la probabilité d'obtenir pile au dixième lancer sachant que l'on a obtenu face sur les neuf premiers lancers ? », se pose entre le neuvième lancer et le dixième, sachant donc que l'on connait déjà les résultats des premiers lancers.

La réponse est donc 1/2 puisque les lancers de pièces sont indépendants.

Écriture mathématique : $\scriptstyle \mathbb P (X_{10}=1 | X_1=...=X_9=0)= \mathbb P (X_{10}=1)=\frac{1}{2}$

La question « Quelle est la probabilité d'obtenir pile au dixième lancer et d'obtenir face sur les neuf premiers lancers ? » se pose quant à elle avant le premier lancer, la probabilité concernant les dix lancers.

La réponse est donc (1/2)¹⁰≈0,001.

Écriture mathématique : $\scriptstyle \mathbb P (X_{10}=1 , X_1=...=X_9=0)= \mathbb P (X_{10}=1)\mathbb P (X_1=1)...\mathbb P (X_9=0)=(\frac{1}{2})^{10}$

Le paradoxe engendré par la différence entre ces deux questions s'appelle l'erreur du parieur. Des problèmes basés sur le jeu de pile ou face ont souvent été énoncés pour illustrer des paradoxes plus généraux. Certains sont contre-intuitifs, d'autres n'ont toujours pas été résolus. En voici quelques exemples.

Les deux pièces de d'Alembert

Citons un raisonnement fallacieux du mathématicien réputé Jean le Rond D'Alembert^[31]. La question est de calculer la probabilité d'obtenir au moins une fois pile en deux lancers successifs de pièces. D'après son raisonnement, il y trois cas possibles : « obtenir pile au premier lancer », « obtenir pile au deuxième lancer » et « ne pas obtenir pile sur les deux lancers ». Parmi ces trois issues, deux sont favorables, la probabilité est donc 2/3.

Cependant, les trois cas ne sont pas équiprobables, en effet d'Alembert considérait le cas « obtenir deux fois pile » inclus dans le cas « obtenir pile au premier lancer » puisque l'obtention de pile au premier lancer finit le jeu. En incluant ce nouvel évènement, on obtient le bon résultat : 3/4.

« L'esprit de d'Alembert, habituellement juste et fin, déraisonnait complètement sur le Calcul des probabilités »

— Joseph Bertrand, Calcul des probabilités, préface

Paradoxe des trois pièces de monnaie

Article détaillé : Paradoxe des trois pièces de monnaie.

Le terme paradoxe est dans ce cas utilisé dans le sens contre-intuitif (premier sens du wiktionnaire), ce n'est pas un vrai paradoxe mathématique (deuxième sens du wiktionnaire).

On lance trois pièces de monnaie. Quelle est la probabilité que toutes trois retombent du même côté, que ce soit pile ou face ?

La réponse est 1/4.

Problème de la Belle au bois dormant

Article détaillé : Problème de la Belle au bois dormant.

Le problème de la Belle au bois dormant est un paradoxe probabiliste polémique où deux interprétations contradictoires coexistent. Aucune des deux n'a pour l'instant été réfutée.

Le dimanche soir, alors que la Belle au bois dormant est endormie, nous lançons une pièce de monnaie pour un tirage à pile ou face.

Si la pièce tombe sur face, le lendemain (le lundi), on la réveille et on a un entretien avec elle (voir ci-dessous pour l'entretien).
Si c’est pile, on la réveille le lundi, on a un entretien avec elle, puis on la rendort en lui administrant un somnifère à effet amnésique pour lui faire complètement oublier la journée du lundi. Enfin on la réveille à nouveau le mardi et on a un autre entretien avec elle.

Durant l'entretien, qu'il soit uniquement le lundi, ou le lundi et le mardi, on lui pose la question : « Quelle est la probabilité que la pièce soit tombée sur pile ? » La princesse est parfaitement au courant des règles.

Deux raisonnements s'opposent, l'un annonce 2/3 pour résultat, l'autre 1/2.

Paradoxe de St-Pétersbourg

Article détaillé : Paradoxe de Saint-Pétersbourg.

Ce paradoxe a été énoncé en 1713 par Nicolas Bernoulli. Soit le jeu suivant : on lance en l'air une pièce de monnaie.

Si face apparaît, la banque paie 2 euros au joueur, et on arrête le jeu.
Sinon, on relance la pièce.
1. Si face apparaît, la banque paie 4 euros, et on arrête le jeu.
2. Sinon, on relance la pièce.
  1. Si face apparaît, la banque paie 8 euros au joueur, et ainsi de suite.

Donc, si face apparaît pour la première fois au n^e lancer, la banque paie 2ⁿ euros au joueur.

La question est : « Combien seriez-vous prêt à payer en début de partie pour jouer à un tel jeu ? » En d'autres termes : « Combien faut-il que vous payiez pour que le jeu soit équitable ? »

La réponse est : acceptez de jouer pour n'importe quel prix. En d'autres termes, l'espérance du gain est infinie.

Paradoxe de Penney

Cette énigme mathématique a été énoncée en 1969 par Walter Penney puis reprise en détail plus tard par Martin Gardner en 1972^[32].

Deux joueurs A et B s'affrontent dans une série de lancers de pièce.

A gagne si la configuration PPF (pile, pile, face) apparaît avant la configuration FPP.
B gagne si la configuration FPP (face, pile, pile) apparaît avant la configuration PPF.
Si l'un des joueurs est gagnant, l'autre est déclaré perdant.

Le jeu est-il équilibré ?

La réponse est non : B a deux fois plus de chance de gagner que A. Intuitivement, pour qu'un joueur gagne, il faut que la configuration PP apparaisse, cependant il faut un lancer de plus pour que A puisse gagner.
Cependant, le temps d'atteinte des configurations FPP et PPF dans la série de lancers ont la même loi de probabilité. D'où le paradoxe.

Retour à l'équilibre

On définit les "intermissions", U comme étant les intervalles de temps entre les moments successifs où les fortunes des deux joueurs reviennent à leur état à un instant antérieur, choisi comme origine. U est une variable aléatoire mais contre intuitivement l'espérance de U est infinie. Plus précisément pour $\scriptstyle u>>1$ on peut démontrer que $\scriptstyle \mathbb P(U>u)~u^{-1/2}$ ^[33].

Annexes

Sur les autres projets Wikimedia :

« pile ou face », sur le Wiktionnaire (dictionnaire universel)

Liens externes

Simulation de lancers de pile ou face.

Notes et références

Notes

↑ Dans tout cet article wikipédia, les noms des deux côtés d'une pièces seront écrits en italique : pile et face et on ne les accordera pas en nombre. On utilisera le terme « côté » (au lieu de face) pour désigner les différentes facettes des objets. Le nom du jeu ne sera pas écrit en italique : « pile ou face ».
↑ Il est à noter que des études physiques ont été réalisées pour modéliser un lancer de pièce. Il apparaît qu'une petite modification des conditions initiales (vitesse de rotation et hauteur notamment) entraine des résultats différents. voir: (en) Tomaszka Kapitaniak et collègues, Understanding Coin-Tossing, vol. 32(4), The mathematical intelligencer, 2010 [lire en ligne (page consultée le 9 novembre 2011)], p. 54-58 .
↑ Le terme « croix ou pile » désigne le jeu de pile ou face.

Références

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↑ Louis Becq de Fouquières, Les jeux des anciens : Leur description, leur origines, leurs rapports avec la religion, l'histoire, les arts et les mœurs, Université Complutense de Madrid, Journal of Human Sport & Exercise, 1869 [lire en ligne (page consultée le 15 août 2011)], p. 81
↑ ^{a et b} Charles Victor Daremberg et Edmond Saglio, Dictionnaire des Antiquités grecques et romaines, vol. 2, t. 1, Hachette, 1919 [lire en ligne (page consultée le 27 septembre 2011)], p. 897
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↑ Jean-Luc Lacuve, « Non, ce pays n’est pas pour le vieil homme » sur le site du ciné-club de Caen, 6 février 2008. Consulté le 11 août 2011
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