Thème 1 — Modèles définis par une fonction d'une variable
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Les dix premiers chapitres ont installé des outils, un par un. Un thème d'étude fait l'inverse : il part d'une question que personne n'a posée en termes mathématiques, et il faut aller la chercher. Le mot du programme est mise en situation — et la situation, ici, n'a pas été choisie pour illustrer une formule, mais parce qu'elle se pose vraiment.
La question. Un propriétaire forestier a planté des douglas. Il sait que les arbres grossissent, il sait qu'ils grossissent de moins en moins vite, et il doit décider quand couper. Couper tôt, c'est récolter peu ; couper tard, c'est immobiliser la parcelle pendant des décennies. À quel âge la forêt produit-elle le plus, en moyenne, chaque année ?
Le trajet. La question n'est pas mathématique : elle le devient. On mesure, on trace un nuage de points (chapitre 10), on cherche une fonction qui le résume, on l'étudie — limites (chapitre 2), dérivée (chapitre 4), convexité (chapitre 5) —, on l'optimise, on encadre une solution par un algorithme, et l'on finit par la question qui décide de tout : jusqu'où a-t-on le droit de croire ce modèle ? Une seconde situation, plus brève, empruntée à la biochimie, montrera que le même trajet se refait ailleurs.
11.1 La question, et les données
11.1.1 Ce que l'on a mesuré
Sur huit parcelles voisines de même sol et de même exposition, plantées à des dates différentes, on mesure le volume de bois sur pied par hectare. On dispose donc de huit couples , où est l'âge du peuplement en années et le volume en mètres cubes par hectare.
Un coefficient de corrélation proche de ne valide pas un modèle : il mesure seulement l'alignement des points que l'on a. Ici l'ajustement affine du chapitre 10 « marche » () et se trompe pourtant sur tout ce qui compte — l'origine et le long terme. Avant d'ajuster, il faut décider quelle forme le phénomène impose.
11.1.2 Ce que la forêt impose à la fonction
Trois faits de terrain contraignent la fonction recherchée, et ce sont eux, non le nuage, qui excluent la droite.
- Le volume est croissant : un peuplement non exploité ne perd pas de bois.
- Il est borné : un hectare ne peut pas porter une quantité infinie de bois. La courbe doit donc s'aplatir, c'est-à-dire admettre une asymptote horizontale — la notion est celle du chapitre 2.
- La croissance est d'abord lente (les jeunes arbres ont peu de feuillage), puis rapide, puis de nouveau lente. Autrement dit la vitesse commence par augmenter avant de diminuer : la courbe est convexe puis concave, avec un point d'inflexion — c'est le vocabulaire du chapitre 5.
Écrire ces contraintes avant de calculer, c'est déjà faire des mathématiques. Elles éliminent d'un coup les polynômes (non bornés) et les fonctions affines, et orientent vers une exponentielle qui sature.
11.2 Choisir un modèle : redresser le nuage
11.2.1 Deux changements de variable enchaînés
Le chapitre 10 donne la seule technique d'ajustement au programme : on ne sait ajuster qu'une droite. Tout l'art consiste donc à transformer les données pour que le nuage transformé, lui, soit rectiligne.
La forme la plus simple qui respecte les trois contraintes est
où et . En foresterie, elle porte le nom de modèle de Schumacher. Deux changements de variable la redressent, l'un après l'autre.
Méthode : Redresser
On prend le logarithme des deux membres, puis on pose :
La relation entre et est affine. On ajuste donc le nuage par la droite des moindres carrés : sa pente vaut , son ordonnée à l'origine vaut , d'où .
Le premier changement de variable est celui du chapitre 10 pour le modèle exponentiel (), le second est celui du modèle inverse (). Rien de nouveau : c'est leur composition qui est nouvelle. L'équation fonctionnelle du logarithme, , vue au chapitre 3, est ce qui autorise la première ligne.
11.2.2 L'ajustement
On calcule et pour les huit parcelles.
Avec les formules du chapitre 10, , , et , d'où
On arrondit à des valeurs lisibles, et , et l'on retient
Il faut toujours revenir aux données avant d'exploiter un modèle :
Aucun écart ne dépasse , et les signes alternent — il n'y a pas de biais systématique. Le modèle est accepté.
from math import log, exp, sqrt
t = [15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50]
V = [84, 160, 246, 315, 380, 445, 490, 542]
def ajustement(x, y):
# Droite des moindres carres de y en x : renvoie (pente, ordonnee, r).
n = len(x)
mx, my = sum(x)/n, sum(y)/n
cov = sum((a-mx)*(b-my) for a, b in zip(x, y))/n
vx = sum((a-mx)**2 for a in x)/n
vy = sum((b-my)**2 for b in y)/n
a = cov/vx
return a, my - a*mx, cov/sqrt(vx*vy)
u = [1/x for x in t] # premier changement de variable
z = [log(y) for y in V] # second changement de variable
a, b, r = ajustement(u, z)
print(round(a, 2), round(b, 4), round(r, 5)) # -39.96 7.0891 -0.99988
print(round(exp(b), 1)) # 1198.9 -> K = 1200
11.3 Étudier la fonction obtenue
Le modèle n'est plus une donnée : c'est une fonction, et on l'étudie comme au chapitre 4.
11.3.1 Domaine, limites, continuité
est définie et dérivable sur : c'est une exponentielle composée avec , qui est elle-même définie et dérivable dès que . Étant dérivable, elle est continue (chapitre 2), ce qui autorisera l'emploi du théorème des valeurs intermédiaires.
La droite d'équation est asymptote horizontale à la courbe.
Démonstration
Quand tend vers par valeurs positives, prend des valeurs négatives de plus en plus grandes en valeur absolue, donc s'écrase vers : le produit tend vers . Une parcelle qui vient d'être plantée ne porte pas de bois.
Quand devient grand, s'approche de , donc s'approche de et de . Les opérations sur les limites sont admises par le programme.
Le nombre n'est jamais atteint : c'est une borne, pas une valeur. On l'appelle capacité de production de la station. Il ne se lit sur aucune mesure — il se déduit de l'ajustement, à travers l'ordonnée à l'origine de la droite redressée.
11.3.2 Variations
Pour tout ,
La fonction est strictement croissante sur .
Démonstration
est de la forme avec , donc , et la formule du chapitre 4 donne
Une exponentielle et un carré sont strictement positifs : .
Le facteur est positif, alors que l'exposant est négatif. C'est là que l'on se trompe : le signe de ne dit rien du signe de . Une exponentielle décroissante en s'écrit , pas .
11.3.3 Convexité et point d'inflexion
Pour tout ,
Donc est convexe sur et concave sur : le point de la courbe d'abscisse est un point d'inflexion.
Démonstration
On dérive comme un produit :
ce qui est bien . Les facteurs et étant strictement positifs, est du signe de .
Le point d'inflexion n'est pas un ornement : il est l'âge où la vitesse de production est maximale. En effet croît puis décroît, avec un maximum en :
Les forestiers appellent cet âge la culmination de l'accroissement courant.
11.4 Optimiser : à quel âge couper ?
11.4.1 La production moyenne annuelle
Le volume ne répond pas à la question du forestier : il croît toujours, donc il conseillerait d'attendre indéfiniment. Ce qui décide, c'est le volume produit par année d'immobilisation de la parcelle.
La production moyenne annuelle d'un peuplement coupé à l'âge est
C'est aussi le coefficient directeur de la droite joignant l'origine au point de la courbe de d'abscisse .
Pour tout ,
La fonction croît sur , décroît sur , et son maximum vaut exactement
Démonstration
est le quotient de par , donc
Or , de sorte que
et en divisant par on obtient la formule annoncée. Les facteurs et sont strictement positifs : est du signe de .
11.4.2 Un résultat qui n'est pas une coïncidence
Pour toute fonction dérivable et strictement positive sur , en posant :
Démonstration
En dérivant le quotient, . Comme , équivaut à , c'est-à-dire à .
On vérifie sur le modèle : , exactement la valeur de .
C'est un résultat établi au chapitre 4 — « au minimum du coût moyen, coût marginal et coût moyen sont égaux » — dans un tout autre décor. Là on minimisait un coût moyen, ici on maximise une production moyenne : la démonstration est la même à un mot près. Reconnaître un résultat déjà rencontré sous un autre habillage, c'est exactement ce qu'un thème d'étude cherche à provoquer.
11.5 Encadrer : balayage, puis dichotomie
L'optimum est plat : couper à ou à ans coûte moins de de production. La vraie question de gestion n'est donc pas « quel est l'âge optimal ? » mais « sur quelle plage d'âges reste-t-on au-dessus d'un seuil acceptable ? ». On se fixe le seuil de m/ha/an et l'on cherche les solutions de
Méthode : Compter d'abord, calculer ensuite
Le tableau de variation de donne le nombre de solutions avant tout calcul. Sur , est continue et strictement croissante, de valeurs proches de jusqu'à : comme est compris entre ces deux valeurs, le théorème des valeurs intermédiaires (admis, chapitre 2) donne exactement une solution. Sur , décroît de vers : encore exactement une. Il y en a donc deux, et pas davantage.
L'équation ne se résout pas exactement : apparaît à la fois dans l'exposant et au dénominateur. On l'encadre.
from math import exp
def M(t):
return 1200 * exp(-40/t) / t
def balayage(f, k, debut, pas, croissante=True):
# Encadre la solution de f(x) = k, en partant d'un point ou f(debut) est
# du bon cote du seuil. Renvoie (x - pas, x).
x = debut
while (f(x) < k) if croissante else (f(x) > k):
x = x + pas
return (x - pas, x)
def dichotomie(f, a, b, k, precision):
# Hypothese : f continue et strictement monotone sur [a, b],
# avec f(a) - k et f(b) - k de signes contraires.
etapes = 0
while b - a > precision:
m = (a + b) / 2
if (f(a) - k) * (f(m) - k) <= 0:
b = m
else:
a = m
etapes = etapes + 1
return a, b, etapes
print(balayage(M, 10, 20, 1)) # (26, 27)
print(balayage(M, 10, 45, 1, croissante=False)) # (64, 65)
print(dichotomie(M, 26, 27, 10, 0.001)) # (26.4521..., 26.4531..., 10)
print(dichotomie(M, 64, 65, 10, 0.001)) # (64.6133..., 64.6143..., 10)
Le balayage au pas donne et d'un côté, et de l'autre ; la dichotomie resserre en dix étapes :
La production moyenne dépasse m/ha/an pour tout âge de coupe compris entre ans et demi et ans et demi environ — une plage de près de trente-huit ans. L'optimum théorique est à ans, mais il n'a rien d'impératif.
Le balayage n'est fiable que parce que le tableau de variation a déjà garanti qu'il y a une solution et une seule sur chaque branche. Lancé sans cette étude, il peut enjamber les deux solutions et n'en signaler aucune. Noter aussi que le second appel part de , du côté décroissant : le sens de parcours n'est pas le même, et c'est l'étude de fonction qui le dit.
Pour atteindre une précision de , le balayage depuis demanderait plus de tours de boucle ; la dichotomie n'en demande que dix, parce que l'amplitude est divisée par deux à chaque étape : . En revanche la dichotomie exige un encadrement de départ — que le balayage, lui, fournit. Les deux algorithmes ne sont pas concurrents : ils s'enchaînent.
11.6 Jusqu'où le modèle est-il valide ?
C'est la question qu'un thème d'étude ne doit jamais escamoter. Trois réponses, de la plus technique à la plus décisive.
- Interpoler, oui ; extrapoler, avec méfiance. Les mesures couvrent à ans. Calculer est une interpolation : la valeur est encadrée par des observations. Calculer m/ha est une extrapolation : rien ne l'appuie. Et la borne haute de la plage acceptable, ans, tombe déjà en dehors des mesures : elle est une conséquence du modèle, non un fait observé.
- Le modèle ignore la mort des arbres. est croissante par construction, donc elle prévoit qu'un peuplement de ans porte encore m/ha. En réalité les tempêtes, les insectes et la sénescence font chuter le volume. Le modèle est structurellement incapable de le dire : aucun jeu de données ne le corrigerait.
- Le modèle décrit une station, pas une espèce. Les paramètres et ont été estimés sur huit parcelles de même sol et de même climat. Les transporter à une autre région n'a pas de sens : ce sont eux, et non la forme de la fonction, qui portent la géographie.
Un modèle se juge sur trois questions, et dans cet ordre : restitue-t-il les données ? (ici oui, à ) ; respecte-t-il ce que l'on sait du phénomène ? (croissance, saturation, inflexion : oui) ; sur quel intervalle a-t-on le droit de s'en servir ? (ici à ans, guère au-delà). La troisième question est celle que l'on oublie.
11.7 Une seconde situation, plus brève : la vitesse d'une enzyme
Le même trajet se refait ailleurs, en une page. En biochimie, la vitesse à laquelle une enzyme transforme un substrat dépend de la concentration de ce substrat. On mesure, sur six concentrations, la vitesse initiale de la réaction.
Le nuage monte puis s'aplatit : l'enzyme sature. Le modèle admis par les biochimistes est celui de Michaelis et Menten,
Méthode : Redresser une hyperbole
On prend l'inverse des deux membres :
En posant et , la relation est affine. La pente vaut et l'ordonnée à l'origine .
L'ajustement des six couples donne
d'où et . On retient
Sur :
La fonction est donc strictement croissante et concave : chaque mol/L de substrat supplémentaire rapporte moins que la précédente. Sa limite en est : l'enzyme sature. Enfin , soit de , équivaut à
c'est-à-dire neuf fois . Pour gagner les dix derniers pour cent, il faut multiplier la concentration par neuf : c'est le prix de la saturation.
11.8 Bilan
- Modéliser, c'est choisir une forme, et la forme se choisit sur ce que l'on sait du phénomène — croissance, saturation, symétrie, positivité — avant de se choisir sur les données. Un bon coefficient de corrélation ne valide jamais un modèle à lui seul.
- On ne sait ajuster qu'une droite. Toute la technique consiste à redresser le nuage par un changement de variable : pour un modèle exponentiel, pour une loi puissance, pour un modèle inverse, et leurs compositions. On transforme, on ajuste, on revient.
- Le modèle une fois écrit devient une fonction : domaine, limites et asymptotes (chapitre 2), dérivée et tableau de variation (chapitre 4), dérivée seconde, convexité et point d'inflexion (chapitre 5). Chacun de ces objets a une lecture concrète — l'asymptote est une capacité, le point d'inflexion l'instant de croissance maximale, l'extremum l'optimum de gestion.
- Optimiser une moyenne, c'est chercher où la droite issue de l'origine touche la courbe ; à cet endroit, valeur moyenne et valeur marginale sont égales. Résultat démontré au chapitre 4 pour un coût, valable ici pour une production.
- Deux algorithmes, dans cet ordre. Le tableau de variation et le théorème des valeurs intermédiaires (admis) garantissent l'existence et le nombre de solutions ; le balayage fournit un premier encadrement ; la dichotomie le resserre en divisant l'amplitude par deux à chaque étape. Aucun des deux ne dispense de l'étude préalable.
- Interpoler n'est pas extrapoler. À l'intérieur de la plage mesurée, le modèle interpole et l'on peut lui faire confiance. À l'extérieur, il n'énonce plus que les conséquences de la forme qu'on lui a imposée : le volume de bois croît indéfiniment, le glacier ne disparaît jamais, le sprinter court en zéro seconde. C'est là, et non dans les calculs, que se joue la valeur d'un modèle.