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.
car la famille (e1,…,er) est orthonormée. Comme elle engendre F, on a x−q∈F⊥.
(b) La question précédente fournit une décomposition
x=q+(x−q),q∈F,x−q∈F⊥.
Supposons
x=p+r′=p′+r′′,p,p′∈F,r′,r′′∈F⊥.
Alors
p−p′=r′′−r′.
Le membre de gauche appartient à F, celui de droite à F⊥ ; leur valeur commune appartient donc à F∩F⊥={0}. Ainsi p=p′ et r′=r′′. La décomposition est unique.
On obtient donc, pour tout x∈E, un unique p∈F tel que x−p∈F⊥. C’est le projeté orthogonal PF(x). En particulier,
E=F⊕⊥F⊥.
(a) Soit z∈F. On écrit
x−z=(x−p)+(p−z).
Comme x−p∈F⊥ et p−z∈F, les deux termes sont orthogonaux. Donc
∥x−z∥2=∥x−p∥2+∥p−z∥2.
Il s’ensuit que ∥x−z∥≥∥x−p∥, avec égalité si et seulement si z=p. Ainsi p est l’unique élément de F minimisant la distance à x.
(b) Supposons p∈F et
∥x−p∥≤∥x−z∥pour tout z∈F.
Soit h∈F. Pour tout t∈R, p+th∈F, donc
∥x−p∥2≤∥x−p−th∥2.
En développant,
0≤−2t⟨x−p,h⟩+t2∥h∥2pour tout t∈R.
Si h=0 et ⟨x−p,h⟩=0, le choix
t=∥h∥2⟨x−p,h⟩
rendrait le membre de droite strictement négatif. Donc ⟨x−p,h⟩=0. Le cas h=0 est immédiat. Ainsi x−p est orthogonal à tout h∈F, donc
x−p∈F⊥.
(c) Pour p∈F :
p=PF(x) implique x−p∈F⊥ par définition ;
si x−p∈F⊥, l’unicité de la question 6 donne p=PF(x) ;
la question (a) montre que p=PF(x) implique que p est l’unique meilleur approximant ;
si p minimise la distance à x, la question (b) donne x−p∈F⊥, donc p=PF(x).
Les trois assertions sont donc équivalentes.
(a) D’après la formule de la question 6,
PF(x)=i=1∑r⟨x,ei⟩ei,
la linéarité de PF est immédiate. Si x∈F, alors PF(x)=x ; par conséquent
PF2=PF.
Tout PF(x) appartient à F, et tout élément de F est fixé par PF, donc
Im(PF)=F.
Enfin,
PF(x)=0⟺x=0+(x−0),x∈F⊥⟺x∈F⊥,
d’où
ker(PF)=F⊥.
(b) Complétons (e1,…,er) en une base orthonormée (e1,…,er,er+1,…,en) de E. La projection fixe les r premiers vecteurs et annule les suivants. Sa matrice est donc
(Ir000).
(c) Écrivons
y=PF(y)+y⊥,y⊥∈F⊥.
Comme PF(x)∈F,
⟨PF(x),y⟩=⟨PF(x),PF(y)⟩.
De même, en écrivant x=PF(x)+x⊥,
⟨x,PF(y)⟩=⟨PF(x),PF(y)⟩.
Ainsi
⟨PF(x),y⟩=⟨x,PF(y)⟩.
Par ailleurs,
∥x∥2=∥PF(x)∥2+∥x−PF(x)∥2,
d’où ∥PF(x)∥≤∥x∥. Il y a égalité si et seulement si x−PF(x)=0, c’est-à-dire si et seulement si x∈F.
III — Le problème des moindres carrés
(a) Lorsque x parcourt Rn, le vecteur Ax parcourt exactement
ImA={Ax;x∈Rn}.
Ainsi
Φ(x)=∥Ax−y∥2=∥y−Ax∥2,
et minimiser Φ revient à chercher le point de ImA le plus proche de y.
(b) Comme ImA est un sous-espace de Rm, il existe un unique point
p=PImA(y)
minimisant la distance à y. Il existe au moins un x tel que Ax=p, puisque p∈ImA. Ainsi Φ admet un minimum. Si x et x′ sont deux minimiseurs, alors
Ax=Ax′=p.
Le vecteur ajusté est donc unique, même si le paramètre ne l’est pas nécessairement.
(c) Soit x0 un minimiseur. Un vecteur x est aussi minimiseur si et seulement s’il donne le même vecteur ajusté :
Ax=Ax0⟺A(x−x0)=0⟺x−x0∈kerA.
Par conséquent l’ensemble des minimiseurs est
x0+kerA.
Il est réduit à un seul vecteur si et seulement si
z∈(ImA)⊥⟺⟨Ax,z⟩=0pour tout x∈Rn⟺⟨x,ATz⟩=0pour tout x∈Rn⟺ATz=0.
Donc
(ImA)⊥=ker(AT).
(c) Le vecteur x minimise Φ si et seulement si Ax est le projeté orthogonal de y sur ImA, c’est-à-dire si et seulement si
y−Ax∈(ImA)⊥.
D’après (b), cela équivaut à
AT(y−Ax)=0,
ou encore
ATAx=ATy.
Les équations normales traduisent donc exactement l’orthogonalité du résidu au sous-espace des vecteurs ajustés.
(a) La (i,j)-ième entrée de ATA est le produit scalaire de la i-ième et de la j-ième colonne de A :
(ATA)ij=⟨ai,aj⟩.
C’est donc la matrice de Gram de la famille (a1,…,an).
(b) Si x∈kerA, alors ATAx=0, donc kerA⊂ker(ATA). Réciproquement, si ATAx=0, alors
0=⟨x,ATAx⟩=⟨Ax,Ax⟩=∥Ax∥2,
donc Ax=0. Ainsi
ker(ATA)=kerA.
(c) ATA est une matrice carrée de taille n. Elle est inversible si et seulement si son noyau est réduit à {0}. D’après (b),
ATA inversible⟺kerA={0}⟺(a1,…,an) est libre.
(d) Sous ces hypothèses, les équations normales ont l’unique solution
x=(ATA)−1ATy.
Le vecteur ajusté est donc
Ax=A(ATA)−1ATy=PImA(y).
La matrice de la projection orthogonale sur ImA est ainsi
A(ATA)−1AT.
(a) Si x=(x1,x2)T, alors
Ax=(x1+x20)
et
∥Ax−y∥2=(x1+x2−1)2+1.
Le minimum vaut 1 et il est atteint exactement lorsque
x1+x2=1.
Les minimiseurs sont donc les vecteurs
x=(t1−t),t∈R.
(b) Pour tout minimiseur,
Ax=(10),y−Ax=(01).
Le vecteur ajusté est unique, contrairement au paramètre x.
(c) On calcule
ATA=(1111),ATy=(11).
Les équations normales sont donc
{x1+x2=1,x1+x2=1.
Elles caractérisent exactement la droite affine de minimiseurs trouvée en (a). La singularité de ATA n’empêche donc pas les équations normales de caractériser les minimiseurs ; elle empêche seulement ici leur unicité.
IV — Ajuster une droite à N observations
(a) Il suffit de prendre
A=x1⋮xN1⋮1.
Ses colonnes sont X et 1, et
A(ab)=aX+b1.
(b) Les colonnes sont liées si et seulement s’il existe (λ,μ)=(0,0) tel que
λX+μ1=0.
Si λ=0, alors μ=0, contradiction. Il faut donc λ=0, et
xi=−λμ
pour tout i : les xi sont tous égaux. Réciproquement, s’ils sont tous égaux à c, alors X=c1, donc les colonnes sont liées. Ainsi elles sont indépendantes si et seulement si les xi ne sont pas tous égaux.
(c) Par hypothèse, les colonnes de A sont indépendantes, donc kerA={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) recherché.
ce qui redonne b=yˉ−axˉ et la formule de a de la question 14.
(c) Pour les trois points de la partie I,
xˉ=0,yˉ=31+1+2=34,Xc=X.
Alors
α=∥X∥2⟨Y,X⟩=2−1+2=21,
et
β=yˉ−αxˉ=34.
On retrouve bien le résultat de la question 2.
Enfin X⊥U puisque
⟨X,U⟩=−1+0+1=0.
Dans
∥Y−αX−βU∥2,
le terme croisé en αβ est proportionnel à ⟨X,U⟩ ; 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)2dt≥0.
Si cette intégrale est nulle, la fonction continue f2, 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=0. La forme donnée est donc bien un produit scalaire.
(b) Les fonctions t↦t et t↦1 sont linéairement indépendantes et engendrent F, donc
dimF=2.
La construction de la question 6 n’utilise que l’existence d’une base orthonormée du sous-espace sur lequel on projette. Comme F est de dimension finie, on peut choisir une telle base dans F et, pour tout f∈H, définir
PF(f)=i∑⟨f,ei⟩ei.
Le même calcul que dans la question 6 montre alors que f−PF(f)∈F⊥. La dimension finie de l’espace ambiant n’est donc pas nécessaire ici.
(c) Écrivons p(t)=at+b. La condition de projection impose
Si c=0, l’indépendance linéaire de (φ0,…,φd) implique
j=0∑dcjφj=0,
donc cTGc>0. La matrice symétrique G est définie positive ; en particulier son noyau est réduit à {0} et elle est inversible.
(a) Si la famille est orthonormée, alors G=Id+1. Le système de la question 17 devient
cj=⟨f,φj⟩,0≤j≤d.
(b) Prenons pour φj les colonnes aj de A. Alors
Gij=⟨ai,aj⟩,
donc G=ATA. Pour f=y,
Di=⟨y,ai⟩,
donc D=ATy. Le système Gc=D devient
ATAc=ATy,
qui est précisément le système des équations normales.
(c) Le sous-espace
F=Rd[X]
est de dimension finie d+1. La construction de la projection orthogonale sur un sous-espace de dimension finie s’applique donc dans C([−1,1],R) muni du produit scalaire de la question 16. Pour toute fonction continue f, il existe ainsi un unique
p=PF(f)∈Rd[X]
qui minimise ∥f−p∥.
Dans la base monomiale (1,X,…,Xd), les coefficients doivent être obtenus en résolvant le système de Gram Gc=D. Dans une base orthonormée (φ0,…,φd), ce système devient l’identité et
p=j=0∑d⟨f,φj⟩φj.
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.