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Leçon 3
La méthode des moindres carrés
Le cours écrit
3.1 Mesurer l'écart entre une droite et le nuage
Soit une droite d'équation . Pour chaque point , on note le point de qui a la même abscisse. L'écart vertical (ou résidu) est Il est positif si est au-dessus de , négatif s'il est au-dessous. Pour que les écarts ne se compensent pas, on les élève au carré et on les additionne : Plus est petit, plus la droite est proche des points. La méthode des moindres carrés consiste à choisir et pour que soit minimal.
3.2 Le théorème
Théorème 2. On suppose (les ne sont pas tous égaux). Il existe une seule droite qui rend minimal. On l'appelle la droite de régression de en , notée . Son équation est , avec L'égalité signifie que passe par le point moyen . La somme des écarts est alors nulle.
3.3 Démonstration
Elle ne fait pas partie des compétences exigibles, mais elle explique les formules. Elle n'utilise que le second degré.
Étape 1 : la pente est fixée, on cherche le meilleur . On pose . Alors C'est un trinôme en , de coefficient : il est minimal pour . Quelle que soit sa pente, la meilleure droite passe donc par .
Étape 2 : la droite passe par , on cherche . Avec , chaque écart s'écrit . En développant les carrés et en faisant la somme : C'est un trinôme en , de coefficient : il est minimal pour .
Pour toute droite, , et l'égalité n'a lieu que pour les valeurs de et du théorème. En remplaçant par sa valeur, on obtient la valeur du minimum :
3.4 Exemples
Exemple 4. Droite de régression de en pour l'exemple 1.
- et . Donc : .
- Vérification : est sur la droite, car .
- Écarts : , , , , , . Leur somme est nulle et . On retrouve .
- Comparaison : la droite horizontale , qui passe aussi par , donne .
- Prévision : pour une saison à mm, et : on peut prévoir un rendement d'environ quintaux par hectare.
Exemple 5. Pour l'exemple 3 (pêche), , donc et : : . Un jour où l'on débarque tonnes, on peut estimer le prix à centaines de francs CFA, soit F CFA le kilo.
Exercices 5 et 6
- Exercice 5 : l'allongement d'un ressort
- Exercice 6 : les moindres carrés à la main
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Corrigés
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