∑ Mathématiques · Bac Pro Terminale Bac Pro ASSP · Chapitre 4

Statistique à deux variables : ajustement et prévisions

Nuage de points, point moyen, ajustement affine par la méthode des moindres carrés à la calculatrice, coefficient de corrélation, interpolation et extrapolation, ajustement exponentiel par changement de variable.

1. Nuage de points et ajustement

Définition

Une série statistique à deux variables $(x_i\,;\,y_i)$ se représente par un nuage de points. Si les points sont à peu près alignés, on peut réaliser un ajustement affine : on cherche une droite $y = ax + b$ qui passe « au plus près » des points. La droite des moindres carrés, donnée par la calculatrice, passe par le point moyen $G(\bar{x}\,;\,\bar{y})$.

taille (cm)âge (mois × 2)5060708090100y ? 4,47x + 46,9
Taille d'un nourrisson (relevés tous les deux mois) et droite d'ajustement obtenue à la calculatrice.

Propriété · Coefficient de corrélation

La calculatrice donne aussi $r$, compris entre $-1$ et $1$. Plus $|r|$ est proche de $1$, plus l'ajustement affine est pertinent (en pratique $|r| \geq 0{,}9$).

2. Prévisions

Méthode · Interpoler et extrapoler

On remplace $x$ (ou $y$) dans l'équation de la droite. Interpoler, c'est estimer à l'intérieur du domaine des données ; extrapoler, à l'extérieur : c'est plus risqué, la tendance pouvant changer.

Exemple · Taille d'un nourrisson

Avec $y = 4{,}47x + 46{,}9$ (le rang $x$ correspond à l'âge en mois divisé par $2$), à $11$ mois ($x = 5{,}5$) : $y \approx 71{,}5$ cm. Prolonger jusqu'à $10$ ans donnerait une taille absurde : la croissance ralentit.

3. Ajustement exponentiel

Propriété · Changement de variable

Si $y$ semble évoluer à pourcentage constant, on pose $z = \log y$ : si les points $(x\,;\,z)$ sont alignés selon $z = ax + b$, alors $y = 10^b \times (10^a)^x$, modèle exponentiel.

Activité · Ajustement à la calculatrice

Matérielcalculatrice (mode statistiques) ou tableur (fonctions DROITEREG, COEFFICIENT.CORRELATION).
ConsigneSaisir les $10$ relevés de la figure (x de $1$ à $10$ ; $y$ : $50$, $56$, $61$, $65$, $70$, $74$, $79$, $82$, $87$, $91$) et obtenir l'équation de la droite et $r$.
Résultat$y \approx 4{,}47x + 46{,}93$ et $r \approx 0{,}999$.
Bilan$r$ très proche de $1$ : l'ajustement affine est excellent sur cette période.

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Exercices corrigés

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1

Point moyen

★☆☆

Calculer le point moyen de $(1\,;\,4)$, $(2\,;\,6)$, $(3\,;\,7)$, $(4\,;\,11)$.

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2

Lire un nuage

★☆☆

Sur la figure du cours, les points sont-ils à peu près alignés ? Un ajustement affine est-il justifié ?

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3

Point moyen et droite

★★☆

Vérifier que la droite $y = 4{,}47x + 46{,}9$ passe (aux arrondis près) par le point moyen des données du cours ($\bar{x} = 5{,}5$, $\bar{y} = 71{,}5$).

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4

Interpolation

★☆☆

Avec $y = 4{,}47x + 46{,}9$, estimer $y$ pour $x = 7{,}5$.

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5

Extrapolation

★★☆

Estimer $y$ pour $x = 60$ (soit $10$ ans). Commenter.

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6

Retrouver x

★★☆

Avec $y = 4{,}47x + 46{,}9$, pour quelle valeur de $x$ la taille atteint-elle $75$ cm ?

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7

Coefficient de corrélation

★☆☆

Deux ajustements ont $r = 0{,}62$ et $r = -0{,}97$. Lequel est le plus fiable ?

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8

Ajustement à la calculatrice

★★☆

Données : $x$ : $1$ ; $2$ ; $3$ ; $4$ ; $5$ et $y$ : $12$ ; $15$ ; $19$ ; $21$ ; $25$. Donner l'équation de la droite des moindres carrés (au centième).

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9

Prévision de fréquentation

★★☆

La fréquentation d'un centre de loisirs suit $y = 12x + 150$ ($x$ : rang de l'année, $x = 1$ en 2021). Prévision pour 2027 ?

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10

Dépenses de santé

★★☆

Les dépenses d'un EHPAD (k€) suivent $y = 8{,}5x + 320$. En quelle année ($x = 1$ en 2020) dépasseront-elles $400$ k€ ?

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11

Sens de la droite

★☆☆

Le nombre de cigarettes fumées par jour et la capacité respiratoire : $r = -0{,}92$. Interpréter.

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12

Corrélation et causalité

★★☆

Les ventes de glaces et le nombre de coups de soleil sont fortement corrélés. Les glaces provoquent-elles les coups de soleil ?

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13

Changement de variable

★★★

On a posé $z = \log y$ et obtenu $z = 0{,}1x + 2$. Exprimer $y$ en fonction de $x$.

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14

Modèle exponentiel

★★★

Avec le modèle précédent, prévoir $y$ pour $x = 10$.

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15

Résidu

★★☆

Pour $x = 4$, on a relevé $y = 65$ et la droite donne $4{,}47 \times 4 + 46{,}9 \approx 64{,}8$. Écart ?

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16

Choisir un ajustement

★★☆

Un nuage de points a la forme d'une courbe qui monte de plus en plus vite. Quel ajustement choisir ?

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17

Tableur

★★☆

Quelle fonction de tableur donne le coefficient de corrélation de deux plages A2:A11 et B2:B11 ?

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18

Poids et âge

★★☆

Un ajustement donne $m = 2{,}2a + 8$ ($m$ en kg, $a$ en années, entre $1$ et $6$ ans). Masse estimée à $4$ ans ? À $40$ ans ? Commenter.

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19

Lecture inverse

★★☆

Avec $y = 12x + 150$, quelle année pour $200$ enfants ?

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20

Vrai ou faux

★★☆

a) La droite des moindres carrés passe par le point moyen. b) $r = 1{,}2$ est possible. c) L'extrapolation est toujours fiable.

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