Probabilités · 4 affiches · formule n° 71
La régression linéaire et la droite des moindres carrés
La régression linéaire cherche la droite qui passe au plus près d’un nuage de points. La droite des moindres carrés est celle qui rend la plus petite possible la somme des carrés des écarts verticaux entre les points et la droite.
Quatre styles
Les affiches
La même formule, le même dessin calculé, en Papier, Nuit, Bauhaus ou Tableau noir. En affiche, toile, plexiglas ou aluminium.
Ce que dit la formule
On dispose de points , avec et des abscisses qui ne sont pas toutes égales. Parmi toutes les droites d’équation , il en existe une seule qui rend minimale la somme des carrés des écarts verticaux
C’est la droite des moindres carrés, ou droite de régression de en . Ses coefficients sont
- et : les coordonnées du -ème point (par exemple une durée et une mesure).
- et : les moyennes des et des , soit et .
- : la somme pour allant de 1 à .
- : le coefficient directeur (la pente) de la droite. Son numérateur, divisé par , est la covariance des et des ; son dénominateur, divisé par , est la variance des . Ce dénominateur n’est nul que si toutes les sont égales, d’où la condition.
- : l’ordonnée à l’origine. La relation signifie que la droite passe par le point moyen .
- : l’écart vertical du -ème point à la droite, appelé résidu.
Le coefficient de corrélation. On mesure la qualité de l’ajustement par , toujours compris entre et (quand les ne sont pas toutes égales). Plus est proche de 1, plus les points sont proches d’une droite ; quand ils sont exactement alignés.
Ce que la formule ne dit pas. Elle trouve toujours une droite, même pour un nuage qui n’a rien de rectiligne : il faut regarder les points avant de s’y fier. Une bonne corrélation ne prouve pas que cause . Enfin, la régression n’est pas symétrique : la droite qui minimise les écarts horizontaux (régression de en ) est en général différente.
Un exemple
Prenons les cinq points , , , et .
- Les moyennes. et .
- Les écarts aux moyennes. Les valent et les valent .
- Le numérateur. On multiplie les écarts deux à deux et l’on additionne : .
- Le dénominateur. On additionne les carrés des : .
- Les coefficients. et . La droite des moindres carrés a pour équation .
Les résidus. La droite prévoit 2,8 ; 3,4 ; 4 ; 4,6 et 5,2 aux abscisses 1 à 5. Les résidus valent donc ; ; ; et : leur somme est nulle, comme toujours. La somme de leurs carrés vaut . À titre de comparaison, la droite donne une somme égale à 4 : elle est moins bonne au sens des moindres carrés.
Prévision et corrélation. Pour , la droite prévoit . Comme , le coefficient de corrélation vaut , environ 0,774 5, et .
Pourquoi c’est vrai
La démonstration n’a besoin que d’un développement de carrés. Notons , et .
Étape 1 : choix de . Pour une pente fixée, on écrit chaque écart sous la forme , avec et . Comme la somme des est nulle, le développement donne
Le terme est positif ou nul, et il s’annule exactement quand , c’est-à-dire quand .
Étape 2 : choix de . Avec ce , il reste . Puisque (les ne sont pas toutes égales), on peut mettre ce trinôme sous forme canonique :
Il est minimal pour une seule valeur, : c’est la formule de l’affiche. La somme minimale vaut , ce qui montre au passage que . Dans l’exemple : .
Si toutes les sont égales, : la formule n’a plus de sens, et une infinité de droites donnent la même somme minimale.
Les programmes de l’atelier vérifient tout cela par le calcul : l’exemple ci-dessus en fractions exactes (, ), la nullité de la somme des résidus et de sur 5 000 nuages tirés au hasard, le passage par le point moyen, l’identité pour 20 000 décalages, et le cas des abscisses toutes égales.
Un peu d’histoire
La méthode des moindres carrés est née en astronomie, pour tirer une orbite fiable de nombreuses observations entachées d’erreurs. Sa première exposition claire est publiée par Adrien-Marie Legendre en 1805, dans ses Nouvelles méthodes pour la détermination des orbites des comètes. En 1809, Carl Friedrich Gauss la publie à son tour dans un traité sur le mouvement des corps célestes et affirme l’utiliser depuis 1795, ce qui ouvre une querelle de priorité entre les deux mathématiciens. Gauss la relie à la loi des erreurs qui porte aujourd’hui son nom.
Le mot « régression » vient de Francis Galton. Dans un article de 1886 sur la taille des enfants et celle de leurs parents, il constate que les enfants de parents très grands ou très petits ont une taille en moyenne plus proche de la moyenne générale : il parle de « régression vers la médiocrité », au sens de retour vers la moyenne. Le nom est resté à la méthode.
Ce que montre l’affiche
Le dessin montre 15 points tirés au hasard par le programme, avec une graine fixe, autour de la droite . La droite tracée est celle que donne la formule pour ces points : environ , affichée sous la forme (coefficients tronqués). Sur chaque écart vertical entre un point et la droite, un carré a pour côté cet écart ; sa couleur indique si le point est au-dessus ou au-dessous de la droite. L’aire totale des carrés, environ 5,946, est la somme : aucune autre droite ne fait mieux, et l’atelier l’a vérifié sur 10 000 droites tirées au hasard. Le petit cercle marque le point moyen , par lequel passe la droite. L’affiche existe en quatre styles : Papier, Nuit, Bauhaus et Tableau noir.
Pour aller plus loin
- La variance et l’écart type, qui apparaissent au dénominateur de la pente.
- L’espérance mathématique, version probabiliste de la moyenne.
- La loi normale, loi des erreurs de mesure que Gauss associe aux moindres carrés.
- Le produit scalaire : la droite des moindres carrés est une projection orthogonale.
- Le théorème central limite, qui explique pourquoi tant d’erreurs suivent une loi normale.
Sources : Méthode des moindres carrés (Wikipédia) (nouvel onglet), Régression linéaire (Wikipédia) (nouvel onglet), Simple linear regression (Wikipedia) (nouvel onglet), Least Squares Fitting (MathWorld) (nouvel onglet), Least squares (Wikipedia) (nouvel onglet), Regression toward the mean (Wikipedia) (nouvel onglet).
Vérifiée par le calcul
Les contrôles de cette formule
Avant d'imprimer l'affiche, un programme met la formule à l'épreuve. Voici ce qu'il a calculé (dernier passage le 11 octobre 2026) ; si un seul de ces contrôles échouait, l'affiche ne serait pas produite. Notre méthode
- exemple exact (fractions) : points (1, 2), (2, 4), (3, 5), (4, 4), (5, 5) → a = 3/5, b = 11/5a = 3/5, b = 11/5
- équations normales Σ(y_i − ax_i − b) = 0 et Σ x_i(y_i − ax_i − b) = 0 sur 5 000 nuages tirés au hasardécart relatif maximal 2.54e-15
- la droite passe par le point moyen (x̄, ȳ) sur ces 5 000 nuagesécart relatif maximal 1.94e-16
- minimum : S(a + da, b + db) ≥ S(a, b) pour 20 000 décalages (da, db) tirés au hasard
- identité S(a + da, b + db) = S(a, b) + Σ(da·x_i + db)² sur ces 20 000 décalagesécart relatif maximal 4.76e-12
- a = r · s_y / s_x (r : coefficient de corrélation, |r| ≤ 1) sur ces 5 000 nuagesécart relatif maximal 5.38e-16
- points exactement alignés sur y = ax + b : la formule retrouve a et b (1 000 droites)écart relatif maximal 5.75e-15
- dessin : aire totale des 15 carrés = S(a, b) et 10 000 autres droites tirées au hasard donnent plusS = 5.9467, a = 0.5611, b = 1.5596
- contre-exemple : x_i tous égaux → dénominateur nul, la formule ne donne rien (a non fini)
- … et une infinité de droites atteignent le même minimum (y = 0x + 8/3 et y = x + 2/3 donnent la même somme)
- non-symétrie : régresser x sur y ne donne pas la même droite (pente 1/a′ ≠ a, produit a·a′ = r² < 1)a = 0.5611, 1/a′ = 0.6593
Sources
Questions fréquentes
Comment calculer l’équation de la droite de régression ?
On calcule les moyennes et , puis et . Dans un tableur français, les fonctions PENTE et ORDONNEE.ORIGINE donnent directement et .
Pourquoi parle-t-on de moindres carrés ?
Parce que la droite rend la plus petite possible la somme des carrés des écarts verticaux entre les points et la droite. Élever au carré rend tous les écarts positifs et conduit à une formule simple, avec une solution unique.
Que mesure le coefficient de corrélation r ?
Il mesure à quel point les points sont proches d’une droite : il est compris entre et , et vaut seulement si les points sont alignés. Son carré indique la part de la dispersion des expliquée par la droite.
La droite de régression passe-t-elle par le point moyen ?
Oui, toujours : comme , le point vérifie l’équation .
Une corrélation forte prouve-t-elle une relation de cause à effet ?
Non. Deux grandeurs peuvent évoluer ensemble parce qu’elles dépendent d’une troisième, ou par coïncidence. La régression décrit une tendance dans les données, elle n’en donne pas la cause.



