Centrale Mathématiques 1 TSI 2026Sujet
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La méthode des moindres carrés : des problèmes de minimisation à la décomposition en valeurs singulièresAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Le sujet étudie la méthode des moindres carrés utilisée en intelligence artificielle. Il présente d'abord des exemples de problèmes de minimisation en géométrie euclidienne et en séries de Fourier, puis la convergence de suites de matrices et l'interpolation polynomiale, avant de traiter la régression linéaire, la décomposition en valeurs singulières et la méthode du gradient pour résoudre le problème des moindres carrés en dimension quelconque.
- 1Partie A : quelques problèmes de minimisation et de convergenceOn étudie la distance d'un vecteur à un sous-espace vectoriel puis l'approximation d'une fonction périodique par sa série de Fourier, illustrant deux exemples de problèmes de moindres carrés.
- 2Partie B : limites de suites de matricesOn définit la convergence d'une suite de matrices et on étudie à quelle condition les puissances d'une matrice diagonalisable convergent.
- 3Partie C : interpolation polynomiale et moindres carrésOn construit une base de polynômes interpolateurs de Lagrange, on l'utilise pour résoudre un problème de moindres carrés polynomial, puis on établit une formule d'erreur d'interpolation.
- 4Partie D : régression linéaire et moindres carrésOn résout le problème de régression linéaire en dimension deux puis on le généralise en dimension quelconque à l'aide du rang et du noyau d'une matrice, avant d'introduire la décomposition en valeurs singulières.
- 5Partie E : la méthode du gradientOn construit une suite de vecteurs par une méthode de gradient à pas optimal et on démontre sa convergence vers la solution du problème des moindres carrés, à l'aide de l'inégalité de Kantorovich.
L'épreuve en chiffres
Moyenne 9,16 / 20 · écart-type 4,17 · 1 167 présents · où vous situez-vous ?Afficher ou masquer la section
L'épreuve en chiffres
- Moyenne
- 9,16/ 20
- Écart-type
- 4,17
- Présents
- 1 167
- Coefficient
- 14
- Durée
- 4 h
- 1er quartile
- 6,5
- Médiane
- 9,1
- 3e quartile
- 12
Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.
Source : document officiel du concours, épreuve du 4 mai 2026. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.
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Mathématiques 1
La méthode des moindres carrés
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.
- -Si
k etl sont deux entiers tels quek ≤ l , on note[ [k, l] ] l'ensemble des entiersi tels quek ≤ i ≤ l . - -L'espace vectoriel des polynômes à coefficients dans
ℝ est notéℝ[X] . Pourn ∈ ℕ , on noteℝ_n[X] l'espace vectoriel des polynômes à coefficients dansℝ de degré inférieur ou égal àn . - -Pour
n ∈ ℕ^∗ etp ∈ ℕ^∗ , on noteM_(n, p)(ℝ) l'espace vectoriel des matrices à n lignes etp colonnes. On note aussiM_n(ℝ) = M_(n, n)(ℝ) l'espace vectoriel des matrices carrées de taillen . - -La transposée d'une matrice
A = (a_(i, j))_(1 ≤ i ≤ n; 1 ≤ j ≤ p) ∈ M_(n, p)(ℝ) est notéeA^T . Elle est définie parA^T = (a_(j, i))_(1 ≤ i ≤ n; 1 ≤ j ≤ p) ∈ M_(p, n)(ℝ) . - -La trace d'une matrice
A = (a_(i, j))_(1 ≤ i, j ≤ n) ∈ M_n(ℝ) est notéeTr(A) . Elle est définie parTr(A) = ∑_(i = 1)^n a_(i, i) . - -Le produit scalaire canonique sur l'espace vectoriel
M_(n, 1)(ℝ) des vecteurs colonnes àn lignes est noté⟨., .⟩etsa norme associée est notée‖.‖_2 . Ce produit scalaire est défini par :
∀A = (a_1; ⋮; a_n), ∀B = (b_1; ⋮; b_n), ⟨A, B⟩ = A^T B = ∑_(i = 1)^n a_i b_i et ‖A‖_2 = √(∑_(i = 1)^n a_i^2⎷). - -Le produit scalaire canonique sur l'espace vectoriel
M_n(ℝ) des matrices carrées est aussi noté⟨., .⟩etsanorme associée est notée‖.‖_2 . Ce produit scalaire est défini par :
∀A = (a_(i, j))_(1 ≤ i, j ≤ n), ∀B = (b_(i, j))_(1 ≤ i, j ≤ n), ⟨A, B⟩ = Tr(A^T B) = ∑_(i = 1)^n∑_(j = 1)^n a_(i, j)b_(i, j) et ‖A‖_2 = √(∑_(i = 1)^n∑_(j = 1)^n a_(i, j)^2⎷). - -L'ensemble des valeurs propres complexes d'une matrice
A ∈ M_n(ℝ) s'appelle le spectre deA et se noteSp(A) .
Partie A - Quelques problèmes de minimisation et de convergence
I - Distance entre un vecteur et un sous-espace vectoriel
Q2. Calculer le projeté orthogonal sur
Q3. On note
II - Séries de Fourier
Les sommes partielles de la série de Fourier d'une fonction
Montrer que pour tout
Q5. Montrer que les séries
Q6. Montrer que pour tout
Soit
Q7. Montrer que pour tout
Montrer que pour tout
Q8. Soit
Montrer que
En déduire que
Q9. Montrer que pour tout
On admet que la fonction définie par
- Q10.On rappelle que l'ensemble des solutions de l'équation
(E) est un sous-espace vectoriel deC^∞(ℝ, ℂ) .
Quelle est sa dimension? Justifier. L'équation(E) admet-elle une solution qui n'est pas2π -périodique? - Q11.Montrer que, pour tout
N ∈ ℕ^∗ , la famille(e_0, …e_N, f_1, …, f_N) est orthogonale pourφ . Est-elle orthonormale? - Q12.Soient
g ∈ E etN ∈ ℕ^∗ . On noteV_N = Vect(e_0, …, e_N, f_1, …, f_N) .
Quelle est la projection orthogonale deg surV_N ? En déduire une fonctionh ∈ E telle que‖g − h‖ = min_(v ∈ V_N)‖g − v‖ .
Partie B - Limites de suites de Matrices
On dit que la suite
On admettra sans preuve que, si
- Q13.Soient
A = (0, 1; 1, 0) etB = (− 1/2, − √3/2; √3/2, − 1/2) . Montrer que les suites(A^k)_(k ∈ ℕ) et(B^k)_(k ∈ ℕ) divergent. - Q14.Soit
A une matrice diagonalisable surℝ . Montrer que la suite(A^k)_(k ∈ ℕ) converge si et seulementsiSp(A) ⊂ ] − 1, 1] . - Q15.Soit
A = 1/2(0, 1, 1; 1, 0, 1; 1, 1, 0) . Montrer queA est diagonalisable surℝ , et que la suite de matrices(A^k)_(k ∈ ℕ) converge. - Q16.Montrer que les matrices
A = (0, 1, 0; 0, 0, 1; 1, 1, − 1) etT = (1, 0, 0; 0, − 1, 1; 0, 0, − 1) sont semblables.
La suite de matrices(A^k)_(k ∈ ℕ) converge-t-elle?
si
Partie C - Interpolation polynômiale et moindres carrés
- Q17.Montrer que pour tout
(i, k) ∈ [ [0, n] ]^2 , on aL_i(x_k) = {1, si k = i; 0, sinon - Q18.Montrer que l'on peut munir
ℝ_n[X] d'un produit scalaire⟨., .⟩enposant⟨P, Q⟩ = ∑_(k = 0)^n P(x_k)Q(x_k) .
Q20. Montrer que pour tout
Soit
Q21. Soient
Montrer que
En déduire l'existence de
Partie D - Régression linéaire et moindres carrés
I - Le cas particulier de la dimension 2
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
Pour formuler ce problème de manière précise et rigoureuse, nous notons
Q24. Montrer que
Q25. Montrer que
Indication : On pourra utiliser l'inégalité de Cauchy-Schwarz
Q26. Calculer le gradient de
Soit
En déduire qu'il existe un unique couple
II - Les moindres carrés : le cas général
Soit
Q27. Soit
Q28. Montrer que
Q29. Montrer l'existence d'un unique couple
Q30. Montrer que pour tout
Q31. Montrer que
Q32. Soit
Q33. Supposons
En déduire que l'équation
III - La décomposition en valeurs singulières
Dans la suite, nous notons
Q35. Montrer que les valeurs propres de la matrice
Q36. Notons
Montrer qu'il existe des nombres réels
Montrer que la famille
Montrer l'existence d'une base orthonormée
Q38. Notons
Vérifier que
En particulier, on a
Q40. Soit
Soit
Q41. Montrer que
Q42. Montrer que
Indication : on pourra exprimer
Q43. Montrer que
Partie E - La méthode du gradient
Nous reformulons notre problème des moindres carrés en remarquant (par le calcul) que
Q44. Montrer que la matrice
Q45. Montrer que l'application
Soient
Q46. Montrer que pour tout
Q48. On note
Nous souhaitons maintenant déterminer une approximation de l'unique solution
Nous définissons une suite par récurrence en choisissant un vecteur
Soit
Q49. Vérifier que pour tout
Q50. Montrer que pour tout
Q51. Montrer que pour tout
Q52. Montrer que la suite
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet Centrale Mathématiques 1 TSI 2026 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet Centrale Mathématiques 1 TSI 2026 ?
Il porte sur le produit scalaire et les projections orthogonales, les séries de Fourier, la réduction des matrices, l'interpolation polynomiale et l'optimisation, autour du thème unificateur de la méthode des moindres carrés.
Quelles parties du sujet sont indépendantes ?
Les parties A, B, C et D sont indépendantes entre elles. La partie B sur les limites de suites de matrices est réutilisée dans la partie E pour résoudre le problème posé en partie D.
Ce sujet est-il en lien avec l'intelligence artificielle ?
Le sujet présente la méthode des moindres carrés comme un outil utilisé en intelligence artificielle, mais son contenu reste entièrement mathématique, sans notion d'apprentissage automatique à proprement parler.
Faut-il maîtriser la décomposition en valeurs singulières pour aborder ce sujet ?
Non, cette notion n'est pas un prérequis : la partie D.III construit entièrement la décomposition en valeurs singulières à partir de la réduction de la matrice ATA.
Pas de description pour le moment
