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Dans tout le problème, {n} désigne un entier naturel supérieur ou égal à {2}.
{\mathcal M_{n,p}(\mathbb R)} désigne l’ensemble des matrices réelles à {n} lignes et {p} colonnes ; {\mathcal M_n(\mathbb R)} celui des matrices carrées d’ordre {n}, {0_n} sa matrice nulle et {\mathcal S_n(\mathbb R)} son sous-espace des matrices symétriques.
{\operatorname{diag}(a_1,\ldots,a_n)} est la matrice diagonale de coefficients {a_1,\ldots,a_n}, {A^{\mathsf T}} la transposée de {A} et {\operatorname{sp}(A)} son spectre réel. Les éléments de {\mathcal M_1(\mathbb R)} sont assimilés à des réels.
Le produit scalaire canonique sur {\mathcal M_{n,1}(\mathbb R)} est {(U\mid V)=U^{\mathsf T}V} ; sa norme est notée {\|U\|}.
Les variables aléatoires sont définies sur {(\Omega,\mathcal B,\mathbb P)}. Pour tout {p\in]0,1[}, on suppose qu’il existe sur cet espace une suite de variables de Bernoulli de paramètre {p}, mutuellement indépendantes. On note {\mathbb E(X)}, {\mathbb V(X)} et {\operatorname{cov}(X,Y)} l’espérance, la variance et la covariance, lorsqu’elles existent. On rappelle que {\begin{array}{l}\operatorname{cov}(X,Y)=\mathbb E[(X-\mathbb E(X))(Y-\mathbb E(Y))]\\[8pt]\quad=\mathbb E(XY)-\mathbb E(X)\mathbb E(Y).\end{array}}Définition. Une matrice {A} est orthodiagonalisable s’il existe une matrice diagonale {D} et une matrice orthogonale {P} telles que {A=PDP^{\mathsf T}}. Orthodiagonaliser {A} consiste à déterminer un tel couple {(D,P)}.
I — Généralités sur les matrices symétriques réelles
Q 1. Démontrer que {A\in\mathcal M_n(\mathbb R)} est orthodiagonalisable si et seulement si elle est symétrique.
Q 6. Écrire la matrice {H} de ce produit scalaire dans la base canonique de {\mathbb R_{n-1}[X]}, de terme général {h_{i,j}=\phi(X^i,X^j)}, les indices variant de {0} à {n-1}.
On considère des variables aléatoires réelles discrètes {Y_1,\ldots,Y_n} sur {(\Omega,\mathcal B,\mathbb P)} et le vecteur {Y=(Y_1,\ldots,Y_n)^{\mathsf T}}. Un vecteur aléatoire est dit constant lorsque la fonction correspondante est constante.
Lorsque les espérances existent, on pose {\mathbb E(Y)=(\mathbb E(Y_1),\ldots,\mathbb E(Y_n))^{\mathsf T}}. Sa matrice de covariance {\Sigma_Y} a pour coefficients {\sigma_{i,j}=\operatorname{cov}(Y_i,Y_j)} et sa variance totale est {\mathbb V_T(Y)=\sum\limits_{i=1}^n\mathbb V(Y_i)}.
Dans toute la suite, {\mathbb E(Y)} et {\Sigma_Y} sont supposées bien définies.
II.A
On admet que {Y} est une variable aléatoire discrète à valeurs dans {\mathcal M_{n,1}(\mathbb R)}. On admet également que {(Y-\mathbb E(Y))(Y-\mathbb E(Y))^{\mathsf T}} est une variable aléatoire discrète matricielle, dont l’espérance se calcule coefficient par coefficient.
Q 16. Vérifier que {\Sigma_Y} est symétrique, que {\Sigma_Y=\mathbb E[(Y-\mathbb E(Y))(Y-\mathbb E(Y))^{\mathsf T}]} et que {\Sigma_{Y+U}=\Sigma_Y} pour tout vecteur constant {U}.
Q 17. Soient {p\in\mathbb N^*} et {M\in\mathcal M_{p,n}(\mathbb R)}. On pose {Z=MY}. Justifier que {Z} admet une espérance et exprimer {\mathbb E(Z)} en fonction de {\mathbb E(Y)}. Montrer que sa matrice de covariance existe et vérifie {\Sigma_Z=M\Sigma_YM^{\mathsf T}}.
On note {P} la matrice de passage de la base canonique à une base orthonormée de vecteurs propres de {\Sigma_Y} et on pose {X=P^{\mathsf T}Y=(X_1,\ldots,X_n)^{\mathsf T}}.
Les notations sont celles de II. On cherche un vecteur unitaire {U} maximisant la variance de {U^{\mathsf T}Y}. On reprend {C=\{U:U^{\mathsf T}U=1\}} et on pose {q_Y(U)=\mathbb V(U^{\mathsf T}Y)} sur {C}.
III.A — Un exemple dans {\mathcal M_{3,1}(\mathbb R)}
On pose {A_2=\operatorname{diag}(9,5,4)}.
Q 29. Justifier l’existence d’un vecteur aléatoire dont {A_2} est la matrice de covariance.
Dans cette sous-partie seulement, {\sigma_{i,i}=\sigma^2} et {\sigma_{i,j}=\sigma^2\gamma} pour {i\ne j}, où {\sigma,\gamma>0}. On note {J} la matrice dont tous les coefficients valent {1}.
Q 32. Démontrer que {\gamma\le1} et exprimer {\Sigma_Y} en fonction de {J}.
Q 33. Déterminer les valeurs propres de {J}, les dimensions des sous-espaces propres et un vecteur propre associé à la valeur propre de module maximal.
On suppose que {\Sigma_Y} possède {n} valeurs propres distinctes {\lambda_1>\cdots>\lambda_n}. On choisit un vecteur unitaire {U_0} réalisant le maximum de {\mathbb V(U^{\mathsf T}Y)} sur {C}, puis on pose {C'=\{U:U^{\mathsf T}U=1,\ U_0^{\mathsf T}U=0\}}.
Q 36. Justifier que {q_Y} admet un maximum sur {C’}.
Ces questions de maximisation de la variance sont à la base de l’analyse en composantes principales : on cherche des combinaisons linéaires des variables initiales concentrant le maximum d’information et décorrélées entre elles.