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Corrigé détaillé · Agrégation interne

De la meilleure approximation géométrique aux équations normales et à l’approximation de fonctions · Orthogonalité et projection orthogonale · Moindres carrés et équations normales · Matrices de Gram · Ajustement affine · Approximation de fonctions

Projection orthogonale et méthode des moindres carrés

Après avoir cherché le sujet, comparez votre démarche avec cette correction et repérez les écarts de méthode, de précision ou de rédaction.

I — Ajuster trois points

  1. Si les trois points appartenaient au graphe de xαx+βx\mapsto\alpha x+\beta, on aurait
α+β=1,β=1,α+β=2.-\alpha+\beta=1,\qquad \beta=1,\qquad \alpha+\beta=2.

La deuxième égalité donne β=1\beta=1 et la troisième α=1\alpha=1, ce qui contredit la première. Un ajustement exact est donc impossible.

  1. On développe
S(α,β)=(α+β1)2+(β1)2+(α+β2)2=2α22α+3β28β+6.\begin{aligned} S(\alpha,\beta) &=(-\alpha+\beta-1)^2+(\beta-1)^2+(\alpha+\beta-2)^2\\ &=2\alpha^2-2\alpha+3\beta^2-8\beta+6. \end{aligned}

En complétant les carrés,

S(α,β)=2(α12)2+3(β43)2+16.S(\alpha,\beta) =2\left(\alpha-\frac12\right)^2 +3\left(\beta-\frac43\right)^2 +\frac16.

Ainsi

α=12,β=43\boxed{\alpha=\frac12,\qquad \beta=\frac43}

et

minR2S=16.\boxed{\min_{\mathbb R^2}S=\frac16}.

Le minimum est unique puisque les deux carrés doivent simultanément s’annuler.

(a) On a

αX+βU=(α+ββα+β).\alpha X+\beta U =\begin{pmatrix}-\alpha+\beta\\ \beta\\ \alpha+\beta\end{pmatrix}.

Par conséquent

Y(αX+βU)=(1+αβ1β2αβ),Y-(\alpha X+\beta U) =\begin{pmatrix}1+\alpha-\beta\\1-\beta\\2-\alpha-\beta\end{pmatrix},

et donc

Y(αX+βU)2=(α+β1)2+(β1)2+(α+β2)2=S(α,β).\|Y-(\alpha X+\beta U)\|^2 =(-\alpha+\beta-1)^2+(\beta-1)^2+(\alpha+\beta-2)^2 =S(\alpha,\beta).

Lorsque (α,β)(\alpha,\beta) parcourt R2\mathbb R^2, le vecteur αX+βU\alpha X+\beta U parcourt FF. Minimiser SS revient donc à chercher le point de FF le plus proche de YY.

(b) Si aX+bU=0aX+bU=0, la deuxième coordonnée donne b=0b=0, puis la première donne a=0a=0. La famille (X,U)(X,U) est donc libre, et

dimF=2.\boxed{\dim F=2}.

(c) Avec α=12\alpha=\frac12 et β=43\beta=\frac43,

P=12X+43U=(5/64/311/6),P=\frac12X+\frac43U =\begin{pmatrix}5/6\\4/3\\11/6\end{pmatrix},

puis

R=YP=(1/61/31/6).R=Y-P =\begin{pmatrix}1/6\\-1/3\\1/6\end{pmatrix}.

On vérifie

R,X=16+16=0,R,U=1613+16=0.\langle R,X\rangle=-\frac16+\frac16=0, \qquad \langle R,U\rangle=\frac16-\frac13+\frac16=0.

Comme XX et UU engendrent FF, on obtient

RF.\boxed{R\in F^\perp}.

(a) Comme YP=RFY-P=R\in F^\perp et PZFP-Z\in F, les vecteurs YPY-P et PZP-Z sont orthogonaux. Or

YZ=(YP)+(PZ).Y-Z=(Y-P)+(P-Z).

Le théorème de Pythagore donne donc

YZ2=YP2+PZ2.\boxed{\|Y-Z\|^2=\|Y-P\|^2+\|P-Z\|^2}.

(b) Pour tout ZFZ\in F,

YZ2YP2,\|Y-Z\|^2\geq\|Y-P\|^2,

avec égalité si et seulement si PZ=0P-Z=0, c’est-à-dire Z=PZ=P. Ainsi PP est l’unique point de FF le plus proche de YY. D’après la question 3(a),

minS=YP2=R2=136+19+136=16.\min S=\|Y-P\|^2=\|R\|^2 =\frac1{36}+\frac19+\frac1{36} =\boxed{\frac16}.

II — Projection orthogonale

  1. Le vecteur nul appartient à FF^\perp. Si x,xFx,x'\in F^\perp et λ,μR\lambda,\mu\in\mathbb R, alors, pour tout yFy\in F,
λx+μx,y=λx,y+μx,y=0.\langle \lambda x+\mu x',y\rangle =\lambda\langle x,y\rangle+\mu\langle x',y\rangle=0.

Ainsi λx+μxF\lambda x+\mu x'\in F^\perp : FF^\perp est un sous-espace vectoriel de EE.

Si xFFx\in F\cap F^\perp, alors xFx\in F et xx est orthogonal à tout vecteur de FF, en particulier à lui-même. Donc

x2=x,x=0,\|x\|^2=\langle x,x\rangle=0,

d’où x=0x=0. Ainsi

FF={0}.\boxed{F\cap F^\perp=\{0\}}.

(a) Chaque eie_i appartient à FF, donc

q=i=1rx,eieiF.q=\sum_{i=1}^r\langle x,e_i\rangle e_i\in F.

Pour 1jr1\leq j\leq r,

xq,ej=x,eji=1rx,eiei,ej=x,ejx,ej=0,\begin{aligned} \langle x-q,e_j\rangle &=\langle x,e_j\rangle- \sum_{i=1}^r\langle x,e_i\rangle\langle e_i,e_j\rangle\\ &=\langle x,e_j\rangle-\langle x,e_j\rangle=0, \end{aligned}

car la famille (e1,,er)(e_1,\ldots,e_r) est orthonormée. Comme elle engendre FF, on a xqFx-q\in F^\perp.

(b) La question précédente fournit une décomposition

x=q+(xq),qF,xqF.x=q+(x-q),\qquad q\in F, \qquad x-q\in F^\perp.

Supposons

x=p+r=p+r,p,pF,r,rF.x=p+r'=p'+r'', \qquad p,p'\in F, \qquad r',r''\in F^\perp.

Alors

pp=rr.p-p'=r''-r'.

Le membre de gauche appartient à FF, celui de droite à FF^\perp ; leur valeur commune appartient donc à FF={0}F\cap F^\perp=\{0\}. Ainsi p=pp=p' et r=rr'=r''. La décomposition est unique.

On obtient donc, pour tout xEx\in E, un unique pFp\in F tel que xpFx-p\in F^\perp. C’est le projeté orthogonal PF(x)P_F(x). En particulier,

E=FF.E=F\mathbin{\overset{\perp}{\oplus}}F^\perp.

(a) Soit zFz\in F. On écrit

xz=(xp)+(pz).x-z=(x-p)+(p-z).

Comme xpFx-p\in F^\perp et pzFp-z\in F, les deux termes sont orthogonaux. Donc

xz2=xp2+pz2.\boxed{\|x-z\|^2=\|x-p\|^2+\|p-z\|^2}.

Il s’ensuit que xzxp\|x-z\|\geq\|x-p\|, avec égalité si et seulement si z=pz=p. Ainsi pp est l’unique élément de FF minimisant la distance à xx.

(b) Supposons pFp\in F et

xpxzpour tout zF.\|x-p\|\leq\|x-z\|\qquad\text{pour tout }z\in F.

Soit hFh\in F. Pour tout tRt\in\mathbb R, p+thFp+th\in F, donc

xp2xpth2.\|x-p\|^2\leq\|x-p-th\|^2.

En développant,

02txp,h+t2h2pour tout tR.0\leq -2t\langle x-p,h\rangle+t^2\|h\|^2 \qquad\text{pour tout }t\in\mathbb R.

Si h0h\neq0 et xp,h0\langle x-p,h\rangle\neq0, le choix

t=xp,hh2t=\frac{\langle x-p,h\rangle}{\|h\|^2}

rendrait le membre de droite strictement négatif. Donc xp,h=0\langle x-p,h\rangle=0. Le cas h=0h=0 est immédiat. Ainsi xpx-p est orthogonal à tout hFh\in F, donc

xpF.\boxed{x-p\in F^\perp}.

(c) Pour pFp\in F :

  • p=PF(x)p=P_F(x) implique xpFx-p\in F^\perp par définition ;
  • si xpFx-p\in F^\perp, l’unicité de la question 6 donne p=PF(x)p=P_F(x) ;
  • la question (a) montre que p=PF(x)p=P_F(x) implique que pp est l’unique meilleur approximant ;
  • si pp minimise la distance à xx, la question (b) donne xpFx-p\in F^\perp, donc p=PF(x)p=P_F(x).

Les trois assertions sont donc équivalentes.

(a) D’après la formule de la question 6,

PF(x)=i=1rx,eiei,P_F(x)=\sum_{i=1}^r\langle x,e_i\rangle e_i,

la linéarité de PFP_F est immédiate. Si xFx\in F, alors PF(x)=xP_F(x)=x ; par conséquent

PF2=PF.P_F^2=P_F.

Tout PF(x)P_F(x) appartient à FF, et tout élément de FF est fixé par PFP_F, donc

Im(PF)=F.\boxed{\operatorname{Im}(P_F)=F}.

Enfin,

PF(x)=0    x=0+(x0),xF    xF,P_F(x)=0 \iff x=0+(x-0),\quad x\in F^\perp \iff x\in F^\perp,

d’où

ker(PF)=F.\boxed{\ker(P_F)=F^\perp}.

(b) Complétons (e1,,er)(e_1,\ldots,e_r) en une base orthonormée (e1,,er,er+1,,en)(e_1,\ldots,e_r,e_{r+1},\ldots,e_n) de EE. La projection fixe les rr premiers vecteurs et annule les suivants. Sa matrice est donc

(Ir000).\boxed{ \begin{pmatrix} I_r&0\\ 0&0 \end{pmatrix}}.

(c) Écrivons

y=PF(y)+y,yF.y=P_F(y)+y_\perp, \qquad y_\perp\in F^\perp.

Comme PF(x)FP_F(x)\in F,

PF(x),y=PF(x),PF(y).\langle P_F(x),y\rangle =\langle P_F(x),P_F(y)\rangle.

De même, en écrivant x=PF(x)+xx=P_F(x)+x_\perp,

x,PF(y)=PF(x),PF(y).\langle x,P_F(y)\rangle =\langle P_F(x),P_F(y)\rangle.

Ainsi

PF(x),y=x,PF(y).\boxed{\langle P_F(x),y\rangle=\langle x,P_F(y)\rangle}.

Par ailleurs,

x2=PF(x)2+xPF(x)2,\|x\|^2=\|P_F(x)\|^2+\|x-P_F(x)\|^2,

d’où PF(x)x\|P_F(x)\|\leq\|x\|. Il y a égalité si et seulement si xPF(x)=0x-P_F(x)=0, c’est-à-dire si et seulement si xFx\in F.

III — Le problème des moindres carrés

(a) Lorsque xx parcourt Rn\mathbb R^n, le vecteur AxAx parcourt exactement

ImA={Ax ; xRn}.\operatorname{Im}A=\{Ax\ ;\ x\in\mathbb R^n\}.

Ainsi

Φ(x)=Axy2=yAx2,\Phi(x)=\|Ax-y\|^2=\|y-Ax\|^2,

et minimiser Φ\Phi revient à chercher le point de ImA\operatorname{Im}A le plus proche de yy.

(b) Comme ImA\operatorname{Im}A est un sous-espace de Rm\mathbb R^m, il existe un unique point

p=PImA(y)p=P_{\operatorname{Im}A}(y)

minimisant la distance à yy. Il existe au moins un xx tel que Ax=pAx=p, puisque pImAp\in\operatorname{Im}A. Ainsi Φ\Phi admet un minimum. Si xx et xx' sont deux minimiseurs, alors

Ax=Ax=p.Ax=Ax'=p.

Le vecteur ajusté est donc unique, même si le paramètre ne l’est pas nécessairement.

(c) Soit x0x_0 un minimiseur. Un vecteur xx est aussi minimiseur si et seulement s’il donne le même vecteur ajusté :

Ax=Ax0    A(xx0)=0    xx0kerA.Ax=Ax_0 \iff A(x-x_0)=0 \iff x-x_0\in\ker A.

Par conséquent l’ensemble des minimiseurs est

x0+kerA.\boxed{x_0+\ker A}.

Il est réduit à un seul vecteur si et seulement si

kerA={0}.\boxed{\ker A=\{0\}}.

(a) Pour x=(xj)Rnx=(x_j)\in\mathbb R^n et z=(zi)Rmz=(z_i)\in\mathbb R^m,

Ax,z=i=1m(j=1naijxj)zi=j=1nxj(i=1maijzi)=x,ATz.\begin{aligned} \langle Ax,z\rangle &=\sum_{i=1}^m\left(\sum_{j=1}^n a_{ij}x_j\right)z_i\\ &=\sum_{j=1}^n x_j\left(\sum_{i=1}^m a_{ij}z_i\right) =\langle x,A^Tz\rangle. \end{aligned}

(b) Pour zRmz\in\mathbb R^m,

z(ImA)    Ax,z=0pour tout xRn    x,ATz=0pour tout xRn    ATz=0.\begin{aligned} z\in(\operatorname{Im}A)^\perp &\iff \langle Ax,z\rangle=0\quad\text{pour tout }x\in\mathbb R^n\\ &\iff \langle x,A^Tz\rangle=0\quad\text{pour tout }x\in\mathbb R^n\\ &\iff A^Tz=0. \end{aligned}

Donc

(ImA)=ker(AT).\boxed{(\operatorname{Im}A)^\perp=\ker(A^T)}.

(c) Le vecteur xx minimise Φ\Phi si et seulement si AxAx est le projeté orthogonal de yy sur ImA\operatorname{Im}A, c’est-à-dire si et seulement si

yAx(ImA).y-Ax\in(\operatorname{Im}A)^\perp.

D’après (b), cela équivaut à

AT(yAx)=0,A^T(y-Ax)=0,

ou encore

ATAx=ATy.\boxed{A^TAx=A^Ty}.

Les équations normales traduisent donc exactement l’orthogonalité du résidu au sous-espace des vecteurs ajustés.

(a) La (i,j)(i,j)-ième entrée de ATAA^TA est le produit scalaire de la ii-ième et de la jj-ième colonne de AA :

(ATA)ij=ai,aj.\boxed{(A^TA)_{ij}=\langle a_i,a_j\rangle}.

C’est donc la matrice de Gram de la famille (a1,,an)(a_1,\ldots,a_n).

(b) Si xkerAx\in\ker A, alors ATAx=0A^TAx=0, donc kerAker(ATA)\ker A\subset\ker(A^TA). Réciproquement, si ATAx=0A^TAx=0, alors

0=x,ATAx=Ax,Ax=Ax2,0=\langle x,A^TAx\rangle=\langle Ax,Ax\rangle=\|Ax\|^2,

donc Ax=0Ax=0. Ainsi

ker(ATA)=kerA.\boxed{\ker(A^TA)=\ker A}.

(c) ATAA^TA est une matrice carrée de taille nn. Elle est inversible si et seulement si son noyau est réduit à {0}\{0\}. D’après (b),

ATA inversible    kerA={0}    (a1,,an) est libre.A^TA\text{ inversible} \iff \ker A=\{0\} \iff (a_1,\ldots,a_n)\text{ est libre}.

(d) Sous ces hypothèses, les équations normales ont l’unique solution

x^=(ATA)1ATy.\boxed{\widehat x=(A^TA)^{-1}A^Ty}.

Le vecteur ajusté est donc

Ax^=A(ATA)1ATy=PImA(y).A\widehat x=A(A^TA)^{-1}A^Ty=P_{\operatorname{Im}A}(y).

La matrice de la projection orthogonale sur ImA\operatorname{Im}A est ainsi

A(ATA)1AT.\boxed{A(A^TA)^{-1}A^T}.

(a) Si x=(x1,x2)Tx=(x_1,x_2)^T, alors

Ax=(x1+x20)Ax=\begin{pmatrix}x_1+x_2\\0\end{pmatrix}

et

Axy2=(x1+x21)2+1.\|Ax-y\|^2=(x_1+x_2-1)^2+1.

Le minimum vaut 11 et il est atteint exactement lorsque

x1+x2=1.\boxed{x_1+x_2=1}.

Les minimiseurs sont donc les vecteurs

x=(t1t),tR.\boxed{x=\begin{pmatrix}t\\1-t\end{pmatrix},\qquad t\in\mathbb R}.

(b) Pour tout minimiseur,

Ax=(10),yAx=(01).Ax=\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix}, \qquad y-Ax=\begin{pmatrix}0\\1\end{pmatrix}.

Le vecteur ajusté est unique, contrairement au paramètre xx.

(c) On calcule

ATA=(1111),ATy=(11).A^TA=\begin{pmatrix}1&1\\1&1\end{pmatrix}, \qquad A^Ty=\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}.

Les équations normales sont donc

{x1+x2=1,x1+x2=1.\begin{cases} x_1+x_2=1,\\ x_1+x_2=1. \end{cases}

Elles caractérisent exactement la droite affine de minimiseurs trouvée en (a). La singularité de ATAA^TA n’empêche donc pas les équations normales de caractériser les minimiseurs ; elle empêche seulement ici leur unicité.

IV — Ajuster une droite à NN observations

(a) Il suffit de prendre

A=(x11xN1).\boxed{ A=\begin{pmatrix} x_1&1\\ \vdots&\vdots\\ x_N&1 \end{pmatrix}}.

Ses colonnes sont XX et 1\mathbf1, et

A(ab)=aX+b1.A\begin{pmatrix}a\\b\end{pmatrix}=aX+b\mathbf1.

(b) Les colonnes sont liées si et seulement s’il existe (λ,μ)(0,0)(\lambda,\mu)\neq(0,0) tel que

λX+μ1=0.\lambda X+\mu\mathbf1=0.

Si λ=0\lambda=0, alors μ=0\mu=0, contradiction. Il faut donc λ0\lambda\neq0, et

xi=μλx_i=-\frac\mu\lambda

pour tout ii : les xix_i sont tous égaux. Réciproquement, s’ils sont tous égaux à cc, alors X=c1X=c\mathbf1, donc les colonnes sont liées. Ainsi elles sont indépendantes si et seulement si les xix_i ne sont pas tous égaux.

(c) Par hypothèse, les colonnes de AA sont indépendantes, donc kerA={0}\ker A=\{0\}. D’après la partie III, le problème de moindres carrés possède alors un unique paramètre minimisant. Il existe donc un unique couple (a,b)(a,b) recherché.

(a) Les équations normales s’écrivent

{i=1Nxi(axi+byi)=0,i=1N(axi+byi)=0.\begin{cases} \displaystyle\sum_{i=1}^N x_i(ax_i+b-y_i)=0,\\[2mm] \displaystyle\sum_{i=1}^N (ax_i+b-y_i)=0. \end{cases}

De façon équivalente,

{i=1Nxi(yiaxib)=0,i=1N(yiaxib)=0.\begin{cases} \displaystyle\sum_{i=1}^N x_i(y_i-ax_i-b)=0,\\[2mm] \displaystyle\sum_{i=1}^N (y_i-ax_i-b)=0. \end{cases}

(b) La deuxième équation donne

NyˉaNxˉNb=0,N\bar y-aN\bar x-Nb=0,

donc

b=yˉaxˉ.\boxed{b=\bar y-a\bar x}.

(c) En remplaçant bb dans la première équation sous la forme utilisant le résidu,

i=1Nxi[(yiyˉ)a(xixˉ)]=0.\sum_{i=1}^N x_i\bigl[(y_i-\bar y)-a(x_i-\bar x)\bigr]=0.

Or

i=1N(yiyˉ)=0,i=1N(xixˉ)=0.\sum_{i=1}^N(y_i-\bar y)=0, \qquad \sum_{i=1}^N(x_i-\bar x)=0.

On peut donc remplacer xix_i par xixˉx_i-\bar x dans la somme, ce qui donne

i=1N(xixˉ)(yiyˉ)ai=1N(xixˉ)2=0.\sum_{i=1}^N(x_i-\bar x)(y_i-\bar y) -a\sum_{i=1}^N(x_i-\bar x)^2=0.

Comme les xix_i ne sont pas tous égaux,

i=1N(xixˉ)2>0.\sum_{i=1}^N(x_i-\bar x)^2>0.

Ainsi

a=i=1N(xixˉ)(yiyˉ)i=1N(xixˉ)2,b=yˉaxˉ.\boxed{ a=\frac{\displaystyle\sum_{i=1}^N(x_i-\bar x)(y_i-\bar y)}{\displaystyle\sum_{i=1}^N(x_i-\bar x)^2}}, \qquad \boxed{b=\bar y-a\bar x}.

(d) Pour x=xˉx=\bar x, la valeur de la droite ajustée est

axˉ+b=axˉ+yˉaxˉ=yˉ.a\bar x+b=a\bar x+\bar y-a\bar x=\bar y.

Elle passe donc par

(xˉ,yˉ).\boxed{(\bar x,\bar y)}.

(a) On a

Xc,1=i=1N(xixˉ)=i=1NxiNxˉ=0.\langle X_c,\mathbf1\rangle =\sum_{i=1}^N(x_i-\bar x) =\sum_{i=1}^N x_i-N\bar x=0.

Donc Xc1X_c\perp\mathbf1. Par ailleurs,

Xc=Xxˉ1,X=Xc+xˉ1,X_c=X-\bar x\,\mathbf1, \qquad X=X_c+\bar x\,\mathbf1,

d’où

Vect(X,1)=Vect(Xc,1).\boxed{\operatorname{Vect}(X,\mathbf1)=\operatorname{Vect}(X_c,\mathbf1)}.

(b) Les vecteurs XcX_c et 1\mathbf1 sont orthogonaux et non nuls. La projection de YY sur leur plan engendré est donc

P(Y)=Y,XcXc2Xc+Y,1121.P(Y) =\frac{\langle Y,X_c\rangle}{\|X_c\|^2}X_c +\frac{\langle Y,\mathbf1\rangle}{\|\mathbf1\|^2}\mathbf1.

Or

Y,112=iyiN=yˉ,\frac{\langle Y,\mathbf1\rangle}{\|\mathbf1\|^2} =\frac{\sum_i y_i}{N}=\bar y,

et

Y,XcXc2=i(xixˉ)yii(xixˉ)2=i(xixˉ)(yiyˉ)i(xixˉ)2=a.\frac{\langle Y,X_c\rangle}{\|X_c\|^2} =\frac{\sum_i(x_i-\bar x)y_i}{\sum_i(x_i-\bar x)^2} =\frac{\sum_i(x_i-\bar x)(y_i-\bar y)}{\sum_i(x_i-\bar x)^2} =a.

Ainsi

P(Y)=aXc+yˉ1=aX+(yˉaxˉ)1,P(Y)=aX_c+\bar y\,\mathbf1 =aX+(\bar y-a\bar x)\mathbf1,

ce qui redonne b=yˉaxˉb=\bar y-a\bar x et la formule de aa de la question 14.

(c) Pour les trois points de la partie I,

xˉ=0,yˉ=1+1+23=43,Xc=X.\bar x=0, \qquad \bar y=\frac{1+1+2}{3}=\frac43, \qquad X_c=X.

Alors

α=Y,XX2=1+22=12,\alpha =\frac{\langle Y,X\rangle}{\|X\|^2} =\frac{-1+2}{2} =\frac12,

et

β=yˉαxˉ=43.\beta=\bar y-\alpha\bar x=\frac43.

On retrouve bien le résultat de la question 2.

Enfin XUX\perp U puisque

X,U=1+0+1=0.\langle X,U\rangle=-1+0+1=0.

Dans

YαXβU2,\|Y-\alpha X-\beta U\|^2,

le terme croisé en αβ\alpha\beta est proportionnel à X,U\langle X,U\rangle ; il est donc nul.

V — Approximer des fonctions

(a) La bilinéarité et la symétrie résultent de celles de l’intégrale et du produit réel. De plus,

f,f=11f(t)2dt0.\langle f,f\rangle=\int_{-1}^1 f(t)^2\,dt\geq0.

Si cette intégrale est nulle, la fonction continue f2f^2, positive ou nulle, a une intégrale nulle. Elle est donc identiquement nulle : sinon elle serait strictement positive sur un petit intervalle par continuité, ce qui donnerait une intégrale strictement positive. Ainsi f=0f=0. La forme donnée est donc bien un produit scalaire.

(b) Les fonctions ttt\mapsto t et t1t\mapsto1 sont linéairement indépendantes et engendrent FF, donc

dimF=2.\boxed{\dim F=2}.

La construction de la question 6 n’utilise que l’existence d’une base orthonormée du sous-espace sur lequel on projette. Comme FF est de dimension finie, on peut choisir une telle base dans FF et, pour tout fHf\in H, définir

PF(f)=if,eiei.P_F(f)=\sum_i\langle f,e_i\rangle e_i.

Le même calcul que dans la question 6 montre alors que fPF(f)Ff-P_F(f)\in F^\perp. La dimension finie de l’espace ambiant n’est donc pas nécessaire ici.

(c) Écrivons p(t)=at+bp(t)=at+b. La condition de projection impose

t2atb1ett2atbt.t^2-at-b\perp 1 \qquad\text{et}\qquad t^2-at-b\perp t.

La première condition donne

11(t2atb)dt=232b=0,\int_{-1}^1(t^2-at-b)\,dt =\frac23-2b=0,

donc b=13b=\frac13. La seconde donne

11t(t2atb)dt=a11t2dt=2a3=0,\int_{-1}^1 t(t^2-at-b)\,dt =-a\int_{-1}^1t^2\,dt =-\frac{2a}{3}=0,

donc a=0a=0. Ainsi

p(t)=13.\boxed{p(t)=\frac13}.

La valeur minimale est

11(t213)2dt=11(t423t2+19)dt=2549+29=845.\begin{aligned} \int_{-1}^1\left(t^2-\frac13\right)^2dt &=\int_{-1}^1\left(t^4-\frac23t^2+\frac19\right)dt\\ &=\frac25-\frac49+\frac29 =\boxed{\frac8{45}}. \end{aligned}

(a) La condition fpFf-p\in F^\perp signifie que, pour chaque i{0,,d}i\in\{0,\ldots,d\},

0=fp,φi=f,φij=0dcjφj,φi.0=\langle f-p,\varphi_i\rangle =\langle f,\varphi_i\rangle- \sum_{j=0}^d c_j\langle\varphi_j,\varphi_i\rangle.

Comme le produit scalaire est symétrique,

j=0dGijcj=Di,\sum_{j=0}^d G_{ij}c_j=D_i,

avec

Gij=φi,φj,Di=f,φi.G_{ij}=\langle\varphi_i,\varphi_j\rangle, \qquad D_i=\langle f,\varphi_i\rangle.

On obtient bien

Gc=D.\boxed{Gc=D}.

(b) Pour c=(c0,,cd)Tc=(c_0,\ldots,c_d)^T,

cTGc=i,j=0dcicjφi,φj=i=0dciφi,j=0dcjφj=j=0dcjφj2.\begin{aligned} c^TGc &=\sum_{i,j=0}^d c_ic_j\langle\varphi_i,\varphi_j\rangle\\ &=\left\langle\sum_{i=0}^d c_i\varphi_i, \sum_{j=0}^d c_j\varphi_j\right\rangle\\ &=\left\|\sum_{j=0}^d c_j\varphi_j\right\|^2. \end{aligned}

Si c0c\neq0, l’indépendance linéaire de (φ0,,φd)(\varphi_0,\ldots,\varphi_d) implique

j=0dcjφj0,\sum_{j=0}^d c_j\varphi_j\neq0,

donc cTGc>0c^TGc>0. La matrice symétrique GG est définie positive ; en particulier son noyau est réduit à {0}\{0\} et elle est inversible.

(a) Si la famille est orthonormée, alors G=Id+1G=I_{d+1}. Le système de la question 17 devient

cj=f,φj,0jd.\boxed{c_j=\langle f,\varphi_j\rangle, \qquad 0\leq j\leq d}.

(b) Prenons pour φj\varphi_j les colonnes aja_j de AA. Alors

Gij=ai,aj,G_{ij}=\langle a_i,a_j\rangle,

donc G=ATAG=A^TA. Pour f=yf=y,

Di=y,ai,D_i=\langle y,a_i\rangle,

donc D=ATyD=A^Ty. Le système Gc=DGc=D devient

ATAc=ATy,\boxed{A^TAc=A^Ty},

qui est précisément le système des équations normales.

(c) Le sous-espace

F=Rd[X]F=\mathbb R_d[X]

est de dimension finie d+1d+1. La construction de la projection orthogonale sur un sous-espace de dimension finie s’applique donc dans C([1,1],R)C([-1,1],\mathbb R) muni du produit scalaire de la question 16. Pour toute fonction continue ff, il existe ainsi un unique

p=PF(f)Rd[X]p=P_F(f)\in\mathbb R_d[X]

qui minimise fp\|f-p\|.

Dans la base monomiale (1,X,,Xd)(1,X,\ldots,X^d), les coefficients doivent être obtenus en résolvant le système de Gram Gc=DGc=D. Dans une base orthonormée (φ0,,φd)(\varphi_0,\ldots,\varphi_d), ce système devient l’identité et

p=j=0df,φjφj.p=\sum_{j=0}^d\langle f,\varphi_j\rangle\varphi_j.

La même géométrie gouverne donc l’ajustement discret et l’approximation de fonctions : le meilleur approximant est caractérisé par l’orthogonalité du résidu au sous-espace d’approximation.