Maths 1
Centrale-SupélecTSI2026
# Mathématiques 1
TSI
4 heures Calculatrice autorisée
La méthode des moindres carrés
Ce problème comporte 5 parties. Les parties A, B, C et D sont indépendantes entre elles. L’objet de ce sujet est l’étude d’une méthode très utile en intelligence artificielle : la méthode des moindres carrés. Les parties A et C présentent des domaines des mathématiques que l’on peut reformuler en termes de problème des moindres carrés. La partie D amène à résoudre des systèmes d’équations linéaires au sens des moindres carrés à l’aide de la notion de décomposition en valeurs singulières. La partie B introduit la notion de limites de suites de matrices, que l’on utilise dans la partie E pour résoudre le problème étudié dans la partie D.
Rappels et notations
– Si k et l sont deux entiers tels que k ≤l, on note Jk, lK l’ensemble des entiers i tels que k ≤i ≤l.
– L’espace vectoriel des polynômes à coefficients dans R est noté R[X]. Pour n ∈N, on note Rn[X] l’espace
vectoriel des polynômes à coefficients dans R de degré inférieur ou égal à n.
– Pour n ∈N∗et p ∈N∗, on note Mn,p(R) l’espace vectoriel des matrices à n lignes et p colonnes.
On note aussi Mn(R) = Mn,n(R) l’espace vectoriel des matrices carrées de taille n.
– La transposée d’une matrice A = (ai,j) 1 ≤i ≤n 1 ≤j ≤p ∈Mn,p(R) est notée AT .
Elle est définie par AT = (aj,i) 1 ≤i ≤n 1 ≤j ≤p ∈Mp,n(R).
n X
– La trace d’une matrice A = (ai,j)1≤i,j≤n ∈Mn(R) est notée Tr(A). Elle est définie par Tr(A) =
ai,i.
i=1
– Le produit scalaire canonique sur l’espace vectoriel Mn,1(R) des vecteurs colonnes à n lignes est noté ⟨., .⟩et sa
norme associée est notée ∥.∥2. Ce produit scalaire est défini par :
a1
b1
v u u t
n X
n X
... an
... bn
, ⟨A, B⟩= AT B =
a2
∀A =
, ∀B =
aibi et ∥A∥2 =
i .
i=1
i=1
– Le produit scalaire canonique sur l’espace vectoriel Mn(R) des matrices carrées est aussi noté ⟨., .⟩et sa norme
associée est notée ∥.∥2. Ce produit scalaire est défini par :
v u u t
n X
n X
n X
n X
AT B
a2
∀A = (ai,j)1≤i,j≤n , ∀B = (bi,j)1≤i,j≤n , ⟨A, B⟩= Tr
=
ai,jbi,j et ∥A∥2 =
i,j.
i=1
j=1
i=1
j=1
– L’ensemble des valeurs propres complexes d’une matrice A ∈Mn(R) s’appelle le spectre de A et se note Sp(A).
Partie A – Quelques problèmes de minimisation et de convergence
I – Distance entre un vecteur et un sous-espace vectoriel
On munit M4,1(R) de son produit scalaire canonique. Soit F = Vect(e1, e2, e3) avec
1 −2
1 1 1 0
1 0 −1
e2 =
e3 =
.
e1 =
1 0
Q1. Justifier que (e1, e2, e3) est une base orthogonale de F. Proposer une base orthonormée de F.
x y z
∈M4,1(R).
Q2. Calculer le projeté orthogonal sur F d’un vecteur colonne
t
1 1 1 1
. Calculer min
Q3. On note v =
u∈F ∥v −u∥2.
II – Séries de Fourier
2π(R, R) l’espace vectoriel des fonctions continues 2π-périodiques. On munit E du produit scalaire défini par
Soit E = C0
Z 2π
∀(f, g) ∈E2, φ (f, g) = 1
0 f(t)g(t) dt.
2π
2π(R, C) sont définis (pour n ≥1) par
On note ∥.∥la norme associée. Les coefficients de Fourier d’une fonction f ∈C0
Z 2π
Z 2π
Z 2π
a0(f) = 1
0 f(t) dt an(f) = 1
0 f(t) cos(nt) dt bn(f) = 1
0 f(t) sin(nt) dt
2π
π
π
Pour tout n ∈N, nous introduisons les fonctions en : x 7−→cos(nx) et fn : x 7−→sin(nx).
Les sommes partielles de la série de Fourier d’une fonction f ∈E sont les fonctions définies par
N X
∀N ∈N∗, SN(f) = a0(f) +
(an(f)en + bn(f)fn).
n=1
Q4. Soient α ∈R \ Z et f la fonction 2π-périodique telle que f(x) = cos(αx) pour tout x ∈] −π, π].
απ et an(f) = (−1)n
Montrer que pour tout n ≥1, on a bn(f) = 0 et a0(f) = sin(απ)
2α sin(απ) α2 −n2 .
π
+∞ X
+∞ X
1 n2 −α2 et
1 (n2 −α2)2 convergent, et calculer
1 n2 −α2 et
1 (n2 −α2)2 .
X
X
Q5. Montrer que les séries
n≥1
n≥1
n=1
n=1
+∞ X
Q6. Montrer que pour tout t ∈R \ πZ, on a cos(t)
sin(t) = 1
2t t2 −(nπ)2 .
t +
n=1
Soit f : R −→C une fonction 2π-périodique de classe C2 qui est solution de l’équation différentielle
f ′′ + eixf = 0. (E)
Z 2π
Z 2π
Pour tout n ∈Z, on pose cn(f) = 1
0 f(t)e−int dt et cn(f ′′) = 1
0 f ′′(t)e−int dt.
2π
2π
Q7. Montrer que pour tout n ∈N∗on a cn(f) = an(f) −ibn(f)
2 et c−n(f) = an(f) + ibn(f)
2 .
Montrer que pour tout n ∈N∗on a an(f) = cn(f) + c−n(f) et bn(f) = i(cn(f) −c−n(f)).
Q8. Soit n ∈Z. Montrer que cn(f ′′) = −n2cn(f), puis que cn−1(f) = n2cn(f).
c0(f)
(n!)2 si n ≥0
En déduire que cn(f) =
.
0 si n < 0
+∞ X
+∞ X
einx
cn(f)einx + c−n(f)e−inx
Q9. Montrer que pour tout x ∈R, on a f(x) = c0(f) +
= c0(f)
(n!)2 .
n=1
n=0
+∞ X
einx
On admet que la fonction définie par x 7−→
(n!)2 est bien une solution de l’équation (E).
n=0
Q10. On rappelle que l’ensemble des solutions de l’équation (E) est un sous-espace vectoriel de C∞(R, C).
Quelle est sa dimension ? Justifier. L’équation (E) admet-elle une solution qui n’est pas 2π-périodique ?
Q11. Montrer que, pour tout N ∈N∗, la famille (e0, . . . eN, f1, . . . , fN) est orthogonale pour φ. Est-elle orthonormale ?
Q12. Soient g ∈E et N ∈N∗. On note VN = Vect(e0, . . . , eN, f1, . . . , fN).
Quelle est la projection orthogonale de g sur VN ? En déduire une fonction h ∈E telle que ∥g−h∥= min
v∈VN ∥g−v∥.
Partie B – Limites de suites de Matrices
mk,1,1 . . . mk,1,p ... ... mk,n,1 . . . mk,n,p
Soit (Mk)k∈N une suite de matrices de Mn,p(R), avec Mk =
(pour tout k ∈N).
On dit que la suite (Mk)k∈N converge si pour tout (i, j) ∈J1, nK × J1, pK la suite (mk,i,j)k∈N converge. On note alors
lim k→+∞(mk,1,1) . . . lim k→+∞(mk,1,p)
... ... lim k→+∞(mk,n,1) . . . lim k→+∞(mk,n,p)
.
lim k→+∞Mk =
Lorsque la suite (Mk)k∈N ne converge pas, on dit que la suite (Mk)k∈N diverge.
On admettra sans preuve que, si (Mk)k∈N converge, alors, pour tout (q, r) ∈N∗× N∗, toute matrice P ∈Mq,n(R) et
toute matrice Q ∈Mp,r(R) la suite (PMkQ)k∈N converge et lim k→+∞(PMkQ) = P
lim k→+∞Mk
Q.
√
0 1 1 0
−1/2 −
3/2 √
Ak
Bk
Q13. Soient A =
et B =
. Montrer que les suites
k∈N et
k∈N divergent.
3/2 −1/2
Q14. Soit A une matrice diagonalisable sur R. Montrer que la suite
Ak
k∈N converge si et seulement si Sp(A) ⊂]−1, 1].
0 1 1 1 0 1 1 1 0
Q15. Soit A = 1
. Montrer que A est diagonalisable sur R, et que la suite de matrices
Ak
k∈N converge.
0 1 0 0 0 1 1 1 −1
1 0 0 0 −1 1 0 0 −1
Q16. Montrer que les matrices A =
et T =
sont semblables.
Ak
La suite de matrices
k∈N converge-t-elle ?
Dans la suite de l’énoncé, on pourra utiliser sans preuve le résultat suivant :
si M ∈Mn,p(R) est une matrice et si (Mk)k∈N est une suite de matrices de Mn,p(R), alors
lim k→+∞Mk = M si et seulement si lim k→+∞∥Mk −M∥2 = 0.
Partie C – Interpolation polynômiale et moindres carrés
Soient n ∈N∗et (x0, . . . , xn) ∈Rn+1 une famille de nombres réels deux à deux distincts. Pour chaque i ∈J0, nK, on note
X −xj xi −xj
Y
Li(X) =
.
0≤j≤n, j̸=i
1 si k = i 0 sinon
Q17. Montrer que pour tout (i, k) ∈J0, nK2, on a Li(xk) =
n X
Q18. Montrer que l’on peut munir Rn[X] d’un produit scalaire ⟨., .⟩en posant ⟨P, Q⟩=
P(xk)Q(xk).
k=0
Q19. Montrer que (L0, . . . , Ln) est une base orthonormée de Rn[X] muni du produit scalaire ⟨., .⟩.
n X
Q20. Montrer que pour tout P ∈Rn[X] et tout i ∈J0, nK, on a ⟨Li, P⟩= P(xi), puis que P =
P(xi)Li.
i=0
n X
Soit (a, b) ∈R2 tel que pour tout i ∈J0, nK on ait a < xi < b. Soit f ∈Cn+1([a, b], R). On note Pf =
f(xi)Li.
i=0
Q21. Soient m ≤n. En calculant ⟨Pf −Q, Pf −Q⟩, montrer l’existence et l’unicité d’un polynôme R ∈Rm[X] tel que
n X
n X
!
(f(xi) −R(xi))2 = min Q∈Rm[X]
(f(xi) −Q(xi))2
.
i=0
i=0
Q22. Soit g ∈Cn+1([a, b], R). On suppose que g possède au moins n+2 zéros deux à deux distincts dans [a, b]. Montrer
par récurrence sur n que g(n+1) a au moins un zéro dans [a, b]. On pourra utiliser le théorème de Rolle.
Q23. Soit x ∈[a, b] avec x̸ = xi pour tout i ∈J0, nK. Soit K = f(x) −Pf(x)
.
n Y
(x −xi)
i=0
n Y
Montrer que W : t 7−→f(t) −Pf(t) −K
(t −xi) s’annule en n + 2 points distincts de [a, b].
i=0
n Y
(x −xi)
i=0
(n + 1)! f (n+1)(ξx).
En déduire l’existence de ξx ∈[a, b] tel que f(x) −Pf(x) =
Partie D – Régression linéaire et moindres carrés
I – Le cas particulier de la dimension 2
Soit n ≥2 un entier. Considérons n points du plan réel (x1, y1), . . . , (xn, yn) avec x1, . . . , xn deux à deux distincts tels que (x1, . . . , xn) ne soit pas colinéaire au vecteur (1, . . . , 1).
En dimension 2, la régression linéaire consiste à trouver une relation affine entre deux grandeurs physiques, c’est-à-dire à chercher une droite affine s’approchant le plus possible des points (x1, y1), . . . , (xn, yn) (au sens des moindres carrés).
Pour formuler ce problème de manière précise et rigoureuse, nous notons
1 x1 1 x2 ... ... 1 xn
y1 y2
n X
et Y =
.
(yi −a −bxi)2 et A =
E(a, b) =
... yn
i=1
Le problème est alors de trouver les valeurs de a et b qui minimisent la fonction E.
a
A
Q24. Montrer que E admet un minimum m sur R2 (qu’on ne demande pas de calculer) et que m = min (a,b)∈R2
−Y
2 .
b
!2
n X
n X
!
AT A
AT A
x2
Q25. Montrer que det
= n
−
xk
, puis justifier l’affirmation det
> 0.
k
k=1
k=1
Indication : On pourra utiliser l’inégalité de Cauchy-Schwarz
Q26. Calculer le gradient de E : (a, b) 7−→E(a, b).
a0
Soit (a0, b0) un point critique de E. Montrer que l’on a AT A
= AT Y .
b0
En déduire qu’il existe un unique couple (c, d) ∈R2 tel que E(c, d) = min (a,b)∈R2 E(a, b).
II – Les moindres carrés : le cas général
Nous allons maintenant généraliser les idées de la sous-section précédente au cas de la dimension quelconque.
Soit A ∈Mn,p(R). Notons Col(A) = Vect(C1, . . . , Cp) avec C1, . . . Cp les colonnes de A. Soit y ∈Mn,1(R).
Q27. Soit x ∈Mp,1(R) tel que AT Ax = 0. Montrer que ∥Ax∥2 = 0.
AT A
= Ker (A), puis que rg(AT A) = rg(A).
Q28. Montrer que Ker
Q29. Montrer l’existence d’un unique couple (u, d) ∈Mp,1(R) × (Col(A))⊥tel que y = Au + d.
Q30. Montrer que pour tout x ∈Mp,1(R), on a ∥Ax −y∥2 ≥∥d∥2 avec égalité si et seulement si x −u ∈Ker(A).
Q31. Montrer que AT y = AT Au.
Q32. Soit x0 ∈Mp,1(R). Montrer que : ∥Ax0 −y∥2 = min x∈Mp,1(R) ∥Ax −y∥2 ⇐⇒ AT Ax0 = AT y.
Q33. Supposons n > p et que la matrice A est de rang maximal, c’est-à-dire que le rang de A est égal à p.
Montrer que AT A est inversible. En déduire que l’équation ∥Ab −y∥2 = min x∈Mp,1(R) ∥Ax −y∥2 a une unique solution donnée par b = (AT A)−1AT y.
III – La décomposition en valeurs singulières
Soient A ∈Mn,p(R) non nulle et y ∈Mn,1(R). Nous allons généraliser le résultat de la question Q33.
Dans la suite, nous notons Diagk,l(α1, . . . , αmin(k,l)) la matrice de taille k × l dont le coefficient en ligne i et colonne i est αi (pour tout indice i ≤min(k, l)), et dont tous les autres coefficients sont nuls.
Q34. Montrer que pour tout vecteur colonne X ∈Mp,1(R), les nombres XT AT AX et XT X sont positifs ou nuls.
Q35. Montrer que les valeurs propres de la matrice AT A sont toutes positives ou nulles.
AT A
Q36. Notons r = rg
= rg (A) (égalité prouvée à la question Q28). Montrer qu’il existe des nombres réels λ1 ≥· · · ≥λr > 0 et une matrice orthogonale V ∈Op(R) tels que AT A = V Diagp,p(λ1, . . . , λr, 0, . . . 0)V T .
Q37. Notons vi la i-ème colonne de V .
Montrer que la famille (Av1, . . . , Avr) est orthogonale pour le produit scalaire canonique de Mn,1(R), et que,
p
λi si i ≤r 0 si i ≥r + 1 .
pour tout i ∈J1, pK, on a ∥Avi∥2 =
Montrer l’existence d’une base orthonormée (u1, . . . , un) de Mn,1(R) telle que ui = 1 √λi
Avi pour tout i ≤r.
p
p
∈Mn,p(R).
Q38. Notons U la matrice dont la i-ème colonne est ui et D = Diagn,p
λ1, . . . ,
λr, 0 : . . . , 0
Vérifier que U ∈On(R) et que AV = UD.
En particulier, on a A = UDV T . Cette écriture s’appelle une décomposition en valeur singulière de A. Posons
1 √λ1
, . . . , 1 √λr
∈Mp,n(R) et eA = V ∆U T ∈Mp,n(R)
∆= Diagp,n
, 0, . . . , 0
Q39. Montrer que A eA est la matrice de la projection orthogonale sur Im(A).
Q40. Soit y ∈Mn,1(R). Soit b = eAy ∈Mp,1(R). Vérifier que ∥Ab −y∥2 = min x∈Mp,1(R) ∥Ax −y∥2.
Soit x0 ∈Mp,1(R) un autre vecteur qui vérifie ∥Ax0−y∥2 = min x∈Mp,1(R) ∥Ax−y∥2. Nous allons montrer que ∥x0∥2 ≥∥b∥2.
Q41. Montrer que Ab −y ∈Im(A)⊥. En déduire que x0 −b ∈Ker(A)
Q42. Montrer que b ∈Ker(A)⊥.
Indication : on pourra exprimer Im
eA
et Ker(A) en fonction des vecteurs colonnes vi.
Q43. Montrer que ∥x0∥2 ≥∥b∥2 avec égalité si et seulement si x0 = b.
Partie E – La méthode du gradient
Soit A ∈Mn,p(R) et y ∈Mn,1(R). Nous avons vu à la question Q35 que les valeurs propres λ1 ≤· · · ≤λp de AT A sont des nombres réels positifs ou nuls. Dans cette partie, nous supposons en plus que pour tout i, on a λi > 0.
Nous reformulons notre problème des moindres carrés en remarquant (par le calcul) que
2 = ⟨AT Ax, x⟩−2⟨x, AT y⟩+ ⟨y, y⟩.
∀x ∈Mp,1(R), ∥Ax −y∥2
Nous allons étudier une suite de matrices convergente dont la limite sera un minimum de la fonction
Mp,1(R) −→ R x 7−→ ⟨AT Ax, x⟩−2⟨x, AT y⟩.
f :
Soit (e1, , . . . , ep) une base orthonormale de Mp,1(R) telle que pour tout i ∈J1, pK on ait AT Aei = λiei.
Q44. Montrer que la matrice AT A est inversible, et justifier que Ker(A) = { 0 }.
Mp,1(R) × Mp,1(R) −→ R (x, y) 7−→
Q45. Montrer que l’application
est un produit scalaire.
AT Ax, y
p X
Soient (v1, . . . , vp) ∈Rp et v =
viei.
i=1
Q46. Montrer que pour tout (α, β) ∈R2 on a : αβ ≤1
4(α + β)2.
λi
!2
p X
≤1
4 λ1 λp
+ λp
AT Av, v
(AT A)−1v, v
v2
Montrer que
.
i
λ1
λi
i=1
Q47. Soit ψ : t 7−→t
+ λp
t . Calculer le maximum de ψ sur [λ1, λp].
λ1
≤(c(A) + 1)2
Q48. On note c(A) = λp
AT Av, v
(AT A)−1v, v
4c(A) ∥v∥4
. Montrer l’inégalité de Kantorovich :
2.
λ1
Nous souhaitons maintenant déterminer une approximation de l’unique solution ℓà l’équation AT Aℓ= AT y.
Nous définissons une suite par récurrence en choisissant un vecteur x0 ∈Mp,1(R) et en posant pour tout k ∈N :
dk = AT Axk −AT y tk = ∥dk∥2
2 ⟨AT Adk, dk⟩ xk+1 = xk −tkdk.
Pour que cette définition ait un sens, nous supposons que le vecteur dk est non nul pour tout k ∈N. Cette hypothèse n’est pas restrictive : s’il existe k tel que dk = 0 alors xk = ℓet nous avons ainsi la valeur exacte de ℓ.
Soit ℓ= (AT A)−1AT y ∈Mp,1(R).
Q49. Vérifier que pour tout x ∈Mp,1(R), on a f(x) −f(ℓ) = ⟨AT A(x −ℓ), x −ℓ⟩.
1 − ∥dk∥4
Q50. Montrer que pour tout k ∈N, on a f(xk+1) −f(ℓ) = (f(xk) −f(ℓ))
2 ⟨AT Adk, dk⟩⟨(AT A)−1dk, dk⟩
.
2k
2 ≤f(xk) −f(ℓ) ≤(f(x0) −f(ℓ)) c(A) −1
Q51. Montrer que pour tout k ∈N, on a λ1∥xk −ℓ∥2
.
c(A) + 1
M085 - 24 février 2026 - 15:26:54 c b e a
Q52. Montrer que la suite (xk)k∈N converge vers ℓ, et que ∥Aℓ−y∥2 = min x∈Mp,1(R) ∥Ax −y∥2.
⋄ Fin ⋄
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