Science expérimental, avoir les points sur le même "axes"

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Ilivsedri
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Science expérimental, avoir les points sur le même "axes"

par Ilivsedri » 12 Déc 2022, 19:10

Bonsoir, voilà mon problème, je bloque. Merci pour votre aide d'avance ;
Le problème suivant est très fréquent en science expérimentales, on a effectué des expériences et on a obtenu des points (xi,yi)i≤n, or on voudrait que ces points se trouvent, sur une droite, sur un cercle, sur une parabole, etc...pour mille et une raisons les points ne se trouvent pas exactement sur la courbe que l'on cherche, il faut donc trouver un moyen à partir de ces points de retrouver la courbe cherchée, ou une courbe qui sen approche le plus possible, une méthode très efficace revient à minimiser une fonction Phi qui est d'autant plus grande que les points sont éloignés de l'espace ( xi,yi,zi)i≤n.
A bien avoir la tête les xi,yi sont des constantes données qui ne varient pas et qui sont données, ce qui varie et que l'on cherche à déterminer ce sont les paramètres de la courbe, a,b,c,m,p...etc
On utilise les notations suivantes très pratiques:

n n n n
x bar= 1/n ∑ xi y bar= 1/n ∑ yi xy bar= 1/n ∑ xi yi x^2 bar = 1/n ∑ xi^2 x^p y^p bar = 1/n ∑ xi^p yi^p
i=1 i=1 i=1 i=1

Pour vérifier que vous avez bien compris si n = 3 et x1 =1, x2=3, x3=-1 et y1=-1, y2=y3=2
On a alors :
xbar=1 ybar=1 xybar= 1 x^2 bar= 11/3 x^2bar -xbar^2= 8/3 xy^2bar - xbar*ybar^2= 2


On a une famille de points ( xi, yi) et dans le cadre d'un modèle de la forme y =ax^2+bx, on cherche la parabole d'axe vertical passant par l'origine "la plus proche possible" de l'ensemble des points. Pour cela on minimise la fonction:
n
Phi ( a,b) = ∑ (yi-(axi^2+bxi))^2



mathelot

Re: Science expérimental, avoir les points sur le même "axes

par mathelot » 12 Déc 2022, 20:06

Bonsoir,
je réécris tes notations en LaTeX:









p,q entiers naturels:



minimiser:


A vos plumes,...

mathelot

Re: Science expérimental, avoir les points sur le même "axes

par mathelot » 13 Déc 2022, 11:03

Bonjour,
On veut minimiser , on va donc commencer par annuler ses dérivées partielles par rapport à a et à b.





Pour t'entrainer, calcule les dérivées partielles ,par rapport à a puis par rapport à b, de la fonction h:







mathelot

Re: Science expérimental, avoir les points sur le même "axes

par mathelot » 15 Déc 2022, 16:36

re-bonjour,
j'ai vu que tu étais passé(e) le 14 décembre sur maths forum sans participer à cette conversation et donc que tu as abandonné le fil. Je vais donc le résoudre seul, ce qui est bien dommage.

étapes de l'exercice

étape 1 : calcul des dérivées partielles de par rapport à a et b

étape 2: annuler ces dérivées partielles , ce qui donne un système linéaire de taille 2x2
d'inconnues a et b pour calculer les coordonnées du point critique, nommées

étape 3: par l'inégalité de Cauchy-Schwarz , montrer que le déterminant du système précédent
est strictement positif

étape 4: montrer que le point est le minimum de
par un développement de Taylor de à l'ordre 2 au voisinage de .
Les dérivées troisièmes de sont nulles.
On montre que la forme quadratique des termes de Taylor à l'ordre 2 est une forme
quadratique positive et donc que admet en un minimum .
Modifié en dernier par mathelot le 15 Déc 2022, 23:23, modifié 2 fois.

mathelot

Re: Science expérimental, avoir les points sur le même "axes

par mathelot » 15 Déc 2022, 17:59

étape 1 : cours: comment calculer une dérivée partielle ?
exemple:

pour dériver g par rapport à a, on suppose que b est constante:



pour dériver g par rapport à b, on suppose que a est constante:

Modifié en dernier par mathelot le 16 Déc 2022, 13:57, modifié 1 fois.

mathelot

Re: Science expérimental, avoir les points sur le même "axes

par mathelot » 15 Déc 2022, 18:11

étape 2: cours: comment résoudre un système linéaire 2x2 par la méthode des déterminants ?

sont des réels, x et y sont les inconnues.




Le système a pour solution le couple:



Modifié en dernier par mathelot le 16 Déc 2022, 20:53, modifié 4 fois.

mathelot

Re: Science expérimental, avoir les points sur le même "axes

par mathelot » 15 Déc 2022, 18:31

étape 3: cours : inégalité de Cauchy-Schwarz

Les (i de 1 à n) et les (i de 1 à n) sont des réels.

on a:


avec tes conventions d'écriture, on a:
Modifié en dernier par mathelot le 16 Déc 2022, 13:57, modifié 1 fois.

mathelot

Re: Science expérimental, avoir les points sur le même "axes

par mathelot » 15 Déc 2022, 21:19

résolution de l'exercice.

on note pour

Etape 1:


on dérive par rapport à a, les , et b sont constantes.





on dérive par rapport à b, les , et a sont constantes.



Modifié en dernier par mathelot le 16 Déc 2022, 13:58, modifié 1 fois.

mathelot

Re: Science expérimental, avoir les points sur le même "axes

par mathelot » 15 Déc 2022, 21:27

étape 2: calcul des coordonnées du ou des points critiques





en divisant par n, il vient:







en divisant par n, il vient:



d'où le système d'inconnues a et b:



On résout le système par la méthode des déterminants.
Le couple solution vaut:





conclusion: il y a un unique point critique de coordonnées
Modifié en dernier par mathelot le 16 Déc 2022, 14:07, modifié 3 fois.

mathelot

Re: Science expérimental, avoir les points sur le même "axes

par mathelot » 15 Déc 2022, 22:19

Etape 3: Le déterminant du système précédent est strictement positif

les propositions suivantes sont équivalentes:







on reconnait l'inégalité de Cauchy-Schwarz.

Le cas d'égalité se produit si et seulement si les n-uplets et sont colinéaires.

En cas d'égalité , on a (pour n>2);





Ce cas ne se produit pas s'il n'y a pas de doublons dans la famille des

En conclusion:

mathelot

Re: Science expérimental, avoir les points sur le même "axes

par mathelot » 15 Déc 2022, 22:43

Etape 4: Au point critique, admet un minimum

On va écrire le développement de Taylor de au point critique.
est un trinôme du second degré de la variable a mais aussi de la variable b.
Ses dérivées à partir de l'ordre 3 sont nulles. Sa différentielle , au point , est nulle.
Pour les polynômes , la formule de Taylor est exacte (pas de reste).

On a :


or, on a:










on obtient donc:

,



est une forme quadratique de la forme:


Comme (encore Cauchy-Schwarz) , la forme est positive.

admet donc un minimum (global) en

mathelot

Re: Science expérimental, avoir les points sur le même "axes

par mathelot » 16 Déc 2022, 12:21

Pour le titre du fil
"Déterminer l'équation de la parabole qui passe au plus près du nuage de points"

 

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