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Question transversaleMathsSIFiabilité et maintenance

Un composant électronique annoncé avec une durée moyenne de 100 000 heures a-t-il des chances de tenir un an ?

Si un composant tombe en panne à un taux constant λ, sa fiabilité R(t), probabilité de fonctionner encore à l'instant t, vérifie R' = −λR, donc R(t) = e^(−λt). Avec λ = 10⁻⁵ par heure (moyenne de bon fonctionnement de 100 000 h), il tient un an (8 760 h) avec une probabilité de 91,6 %, mais seulement 36,8 % jusqu'à sa durée moyenne.

Grand oral session 2027 : exposé de 10 minutes debout, puis 10 minutes d'échange, sans calculatrice. Plan prévu pour 9,5 min.

Pourquoi cette question : un modèle d'introduction

Le jury attend que vous expliquiez pourquoi vous avez choisi la question. Inspirez-vous de ce modèle, mais racontez votre propre parcours.

En lisant la fiche technique d'un disque dur, j'ai vu « MTBF : 1 000 000 heures », soit plus d'un siècle. Pourtant, des disques tombent en panne au bout de quelques années. En sciences de l'ingénieur, j'ai découvert ce que signifie vraiment cette « durée moyenne de bon fonctionnement », et qu'elle se comprend avec une équation différentielle et l'exponentielle.

L'enjeu et les notions du programme

Modéliser un taux de panne constant par une équation différentielle, en déduire la fiabilité exponentielle et interpréter la durée moyenne.

Mathématiques

  • Équations différentielles y' = ay (terminale)
  • Fonction exponentielle, logarithme (terminale)
  • Probabilités, événement contraire (première)

Sciences de l'ingénieur

  • Fiabilité, taux de défaillance, MTBF (terminale)
  • Sûreté de fonctionnement d'un système (terminale)

Le plan de l'exposé en 9,5 min

  1. 1. Introduction

    1 min

    Les fabricants annoncent une « durée moyenne de bon fonctionnement » (MTBF). Problématique : quelle est la probabilité qu'un composant fonctionne encore après une durée donnée, et que signifie vraiment cette moyenne ?

  2. 2. Mathématiques : une équation différentielle

    4 min

    On note R(t) la fiabilité, probabilité que le composant fonctionne encore à l'instant t. Hypothèse : le taux de panne λ est constant (le composant ne vieillit pas). Pendant un petit intervalle dt, la proportion de composants qui tombent en panne est λ dt. D'où R(t+dt)≈ R(t)-λ R(t)dt, soit R'=-λ R, avec R(0)=1.

    Solution : R(t)=e^(-λ t). Avec λ=10⁻⁵ par heure : après un an (8 760 h), R=e^(-0,0876)≈0,916. Après 100 000 h, R=e⁻¹≈0,368.

    On montre (calcul admis) que la durée moyenne de fonctionnement vaut frac1λ=100 000 h. Mais seuls 36,8 % des composants atteignent cette durée moyenne : la plupart tombent en panne avant, quelques-uns durent beaucoup plus longtemps. La durée médiane, atteinte par la moitié des composants, vaut fracln2λ≈69 300 h.

    Interprétation de la MTBF : sur un parc de 1 000 composants, on observe en moyenne 1 000×10⁻⁵=0,01 panne par heure, soit environ 88 pannes par an.

  3. 3. SI : usage et limites

    3 min

    Le taux constant est réaliste pour l'électronique pendant sa vie utile. Au début (défauts de fabrication) et à la fin (usure), le taux augmente : c'est la « courbe en baignoire ». Pour les pièces mécaniques, qui s'usent, le modèle exponentiel est mal adapté.

    La MTBF sert surtout à prévoir les pannes d'un parc et à dimensionner les stocks de pièces de rechange : un centre de données avec 10 000 disques de MTBF 1 000 000 h voit une panne tous les 100 h environ, soit plusieurs par mois. Elle ne garantit pas la durée de vie d'un exemplaire.

  4. 4. Conclusion

    1,5 min

    Un taux de panne constant donne une fiabilité e^(-λ t) : 91,6 % de chances de tenir un an pour λ=10⁻⁵/h, mais seulement 36,8 % d'atteindre la MTBF de 100 000 h. La MTBF décrit un parc, pas un exemplaire. J'ouvre sur la redondance, qui augmente la fiabilité d'un système.

Ce que j'écris au tableau

Pas de calculatrice ni de support numérique : un calcul clé écrit au tableau rend l'exposé concret et montre la solidité des connaissances.

R'=-λ R, R(0)=1⇒ R(t)=e^(-λ t) MTBF =frac1λ=10⁵ h
R(8 760)=e^(-0,0876)≈0,916 R (tfrac1λ)=e⁻¹≈0,368 t_médiane=fracln2λ≈69 300 h

Conclusion : la réponse à la question

La fiabilité d'un composant à taux de panne constant suit une exponentielle décroissante. Comprendre la différence entre moyenne, médiane et durée individuelle évite de mal lire une fiche technique.

Les questions probables du jury

Pendant les 10 minutesd'échange, le jury vous fait préciser et approfondir, sur tout le programme de vos spécialités en lien avec la question.

Résolvez R' = −λR avec R(0) = 1.

R(t)=e^(-λ t).

Calculez la médiane de la durée de vie.

e^(-λ t)=1/2⇔ t=fracln2λ.

Pourquoi 36,8 % seulement atteignent la MTBF ?

R(1/λ)=e⁻¹≈0,368 : la loi est dissymétrique, beaucoup de pannes précoces et quelques durées très longues.

Qu'est-ce que la courbe en baignoire ?

Le taux de panne au cours de la vie : élevé au début, constant ensuite, croissant à la fin par usure.

Combien de pannes par an sur 10 000 disques de MTBF 10⁶ h ?

10 000 × 8 760 / 10⁶ ≈ 88 pannes.

Les pièges qui coûtent des points

  • Croire qu'un composant dure au moins sa MTBF.
  • Appliquer le modèle exponentiel à des pièces qui s'usent.
  • Confondre moyenne et médiane.

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