414 cours du 23/01
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\documentclass[main.tex]{subfiles}
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\begin{document}
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\section{Formule des moments et des interférences}
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On considère les filtres:
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{\huge
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\begin{center}
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\begin{tikzpicture}
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\node (e) at (0,0) {$e$};
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\node[rectangle,draw] (f) at (2,0) {$\mathcal{FL}$};
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\node (s) at (4,0) {$s$};
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\draw[->] (e) -- (f) -- (s);
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\end{tikzpicture}
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\end{center}}
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On s'interesse aux filtre linéaires:
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\begin{defin}
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\begin{itemize}
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\item Un fltre linéaire conservent la linéarité des systèmes auxquels il est appliqué.
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\item Il est temps-invariant.
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\item et stationnaire.
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\end{itemize}
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On peux caractériser un filtre linéaire par:
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\begin{itemize}
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\item sa réponse impulsionnelle $h$
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\item sa réponse fréquentielle $H= TF[h]$
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\item sa fonction de transfert $H_{II}$.
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\end{itemize}
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\end{defin}
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\begin{prop}[Moyenne]
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\[
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m_s = H(0) m_e
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\]
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\end{prop}
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Pour deux filtres on a :
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\begin{center}
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\begin{tikzpicture}
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\node (e) at (0,0) {$e_1$};
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\node[rectangle,draw] (f) at (2,0) {$\mathcal{H}_1$};
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\node (s) at (4,0) {$s_1$};
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\draw[->] (e) -- (f) -- (s);
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\end{tikzpicture}\\[1.5em]
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\begin{tikzpicture}
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\node (e) at (0,0) {$e_2$};
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\node[rectangle,draw] (f) at (2,0) {$\mathcal{H}_2$};
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||||||
\node (s) at (4,0) {$s_2$};
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\draw[->] (e) -- (f) -- (s);
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\end{tikzpicture}
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\end{center}
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\begin{prop}[Formule des interférences]
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\[
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\Gamma_{s_1,s_2}(f)=H_1(f)\cdot H_2(f)^*\cdot \Gamma_{e_1,e_2}(f)
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\]
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\end{prop}
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\section{Application}
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\subsection{Blanchiement d'un signal}
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Pour générer un bruit blanc $s(t)$ on veux :
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\[
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\Gamma_0 = |H(f)|^2\Gamma_{ee}(f)\implies |H(f)|^2 = \frac{\Gamma_0}{\Gamma_{ee}(f)}
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\]
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\subsection{Identification d'un filtre linéaire}
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On applique en entrée un bruit blanc tel que $\Gamma_{ee}(f)=\Gamma_0$.
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Alors:
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\[
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\Gamma_{se}=H(f)\Gamma_e(f) \implies H(f)=\frac{\Gamma_{se}(f)}{\Gamma_0} \propto \text{intercorrélation entrée sortie}
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\]
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\subsection{Signaux ARMA}
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On peux utilise un Filtre Linéaire (FL) pour définir un Signal Aléatoire.
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(SA).
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Le SA sera la sortie d'un filtre dynamique (Fonction de transfert rationnel ,stable ,causal) excité par un bruit blanc.
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\subsubsection{AR : autoregressif}
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\[
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\boxed{
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H_{II}(z) = \frac{1}{D(z)}=\frac{1}{1-\sum_{i=1}^qa_iz^{-i}}
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}
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\]
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Alors on aura en sortie du filtre:
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\[
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s_k= e_k + \sum_{i=1}^qa_is_{k-i}
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\]
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on parle aussi de filtre \og tout pôle\fg{}
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\subsubsection{MA : Moyenne ajustée}
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\[
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\boxed{
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||||||
H_{II}(z) = N(z)= 1+\sum_{i=1}^qb_iz^{-i}
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||||||
}
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\]
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||||||
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||||||
Alors on aura en sortie du filtre:
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\[
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||||||
s_k= e_k + \sum_{i=1}^qb_ie_{k-i}
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\]
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\subsubsection{ARMA}
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\[
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H_{II}(z) = \frac{N(z)}{D(z)}
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\]
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On connait alors $\Gamma_{ss}$ et le modèle AR. (Équation de Yule WAlker, cf TP2)
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\subsection{Signaux AR : illustration}
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pour une entrée en bruit blanc , les poles proches du cercle unités sont dominant
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(approche géométrique , joli dessin)
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\subsection{Filtre Adapté (FA)}
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\paragraph{Contexte} Problème de transmission numérique (tout ou rien) d'un signal déterministe, connu avec bruit additif.
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\paragraph{Objectif} déterminer le meilleur traitement linéaire pour décider de la présence ou non d'un signal.
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Exemple en TD
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\paragraph{Méthode} :Maximiser le RSB à l'instant de décision : avec $|s_{n_0}^f|^2$ puissance instantanée à l'instant de décision.
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\[
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\boxed{
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\frac{|s_{n_0}^f|^2}{E[|b_n^f|^2]}
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}
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\]
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\begin{prop}[Application au bruit blanc]
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\begin{align*}
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E[|b_n^f|^2] &=\int_{-\frac{1}{2}}^{\frac{1}{2}} |H(f)|^2\Gamma_{bb}(f)df = \Gamma_0\int_{-\frac{1}{2}}^{\frac{1}{2}} |H(f)|^2df \\
|
|
||||||
|S_{n_0}^f|^2 &= \left| \int_{-\frac{1}{2}}^{\frac{1}{2}} |H(f)|^2 S(f) e^{j2\pi n_0f}df\right| \leq \int_{-\frac{1}{2}}^{\frac{1}{2}} |H(f)|^2df \int_{-\frac{1}{2}}^{\frac{1}{2}} |S(f)|^2df
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||||||
\end{align*}
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||||||
On a égalité si $H(f)\propto S^{*}(f)e^{-j2\pi n_0f} \iff h_n \propto s_{n_0-n}^f$
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LA RI du filtre est donc
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\begin{itemize}
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\item un retour temporel
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\item translaté autour de l'instant de décision (attention a la causalité)
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\item conjugué.
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\end{itemize}
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\end{prop}
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\paragraph{Remarque}
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\begin{itemize}
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\item Le FA peut être non causal, la RI est alors tronqué et le filtre
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sous-optimal.
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||||||
\item Le FA est un corrélateur (d'énergie), l'objectif n'est pas de restituer le signal utile mais d'avoir le meilleur RSB à l'instant de décision.
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\end{itemize}
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\end{document}
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@ -1,538 +0,0 @@
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\documentclass[main.tex]{subfiles}
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\newcommand\gauss[2]{1/(#2*sqrt(2*pi))*exp(-((x-#1)^2)/(2*#2^2))} % Gauss function, parameters mu and sigma
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\begin{document}
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\section{Introduction}
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\paragraph{Objectif}: Présenter quelques élements de la théorue de l'estimation statistique.
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\subsection{Problématique}
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\begin{figure}[H]
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\centering
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\begin{tikzpicture}
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\node[draw, ellipse] (P) at (0,0) {
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\begin{tabular}{c}
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paramètres \\$\theta = \vect{\theta_1\\ \vdots\\\theta_n}$
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\end{tabular}};
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\node[draw, ellipse] (O) at (5,4) {
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||||||
\begin{tabular}{c}
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Observation \\
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Y=$g(\theta)$
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||||||
\end{tabular}};
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\node[draw, ellipse] (E) at (10,0){
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||||||
\begin{tabular}{c}
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Estimée\\
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$\hat{\theta} = h(y)$
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\end{tabular}};
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\draw[->,>=latex] (P) to[out=90, in = 180] (O);
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||||||
\draw[->,>=latex] (O) to[out=0, in=90] node[near end,left]{
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\begin{tabular}{c}
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Information à priori\\
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+ Critère
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\end{tabular}}
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(E);
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\end{tikzpicture}
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\caption{Méthode d'estimation classique}
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\end{figure}
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Le raisonnement se transpose alors sur la figure suivante:
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\begin{figure}[H]
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||||||
\centering
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\begin{tikzpicture}
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||||||
\draw[->,>=latex] (0,2) node{$\bullet$}node[right](theta){$\theta$} -- node[midway,left]{$\tilde{\theta}$}(-0.5,0) node{$\bullet$}node[right](hat){$\hat{\theta}$} ;
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||||||
\node[draw,ellipse,fit= (theta) (hat)](par) {};
|
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||||||
\node[below=5em] at (par) {\emph{Espace des paramètres}};
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||||||
\node (y) at (5,2) {$\bullet$~$y$};
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||||||
\node[draw,ellipse,minimum height=4cm,minimum width=2cm] (obs) at (5,1){};
|
|
||||||
\node[below=5em] at (obs){\emph{Espace des observations}};
|
|
||||||
\draw[->,>=latex] (theta) to[out=60, in=120] node[midway,above]{\emph{observation}} (y);
|
|
||||||
\draw[->,>=latex] (y) to[out=-120,in=30,bend left] node[midway,below=0.5em]{\emph{estimation}}(hat);
|
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||||||
|
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||||||
\end{tikzpicture}
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||||||
\caption{Raisonnement en espace algébrique}
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||||||
\end{figure}
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On défini les index suivants:
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\begin{description}
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\item[m] nombre d'expérience réalisée (taille de $y$)
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\item[n] nombre de paramètres (taille de $\theta$)
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||||||
\end{description}
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\paragraph{Estimateurs statistiques}
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On observe une réalisation $y= g(\theta)$ où $\theta$ est une VA. et on détermine $\hat{\theta} = h(Y)$ estimée.
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\paragraph{Exemple}
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\subparagraph{Exemple 1}$\Theta$ tension constante.\\
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$y(t) = \theta +b(t)$. soit $y_i = \theta + b_i$\\
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On défini donc $Y$ et $\Theta$ VA et on a $Y = A\Theta + B$ -> régression linéaire.
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\subparagraph{Exemple 2} filtre $RC$ $y(t) = (1-e^{-t/\tau})u(t)+b(t)$ , $\Theta=\tau$. modèle non linéaire, traité en TD.
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\subsection{Performance-Qualité d'une estimation}
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\begin{prop}[Grandeurs utiles]
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\begin{itemize}
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\item erreur d'estimation
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\[
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\tilde{\theta} = \hat{\theta}-\theta
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||||||
\]
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||||||
\item moment d'ordre 1:
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\[
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||||||
E_{Y|\Theta}[\tilde{\theta}]= E_{Y|\Theta}[\hat{\theta}]-\theta
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\]
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\item Biais moyen :
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\[
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E[\tilde{\theta}] = E_{Y\Theta}[\tilde{\theta}] = E[\hat{\theta}]-\theta
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||||||
\]
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||||||
\item moment d'ordre 2:
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\begin{itemize}
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||||||
\item covariance de l'erreur d'estimation
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\[
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||||||
C_{\tilde{\theta}\tilde{\theta}} = E[(\tilde{\theta}-m_{\tilde{\theta}})(.)^T]
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||||||
\]
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||||||
\item Corrélation de l'erreur d'estimation
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||||||
\[
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||||||
\Gamma_{\tilde{\theta}\tilde{\theta}} = E[\tilde{\theta}\tilde{\theta}^T]
|
|
||||||
\]
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||||||
\item Puissance :(Estimateur Quadratique moyen)
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||||||
\[
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||||||
P_{\tilde{\theta}} = E[\| \tilde{\theta}\|^2] = tr(\Gamma_{\tilde{\theta}\tilde{\theta}})
|
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||||||
\]
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||||||
\end{itemize}
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||||||
\end{itemize}
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||||||
\end{prop}
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||||||
\subsection{Caractérisation des estimateurs}
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\begin{defin}
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||||||
\begin{itemize}
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\item Borne de Cramer Rao:
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borne minimale du biais de variance (qui dépend de l'estimateur choisi)
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||||||
\item Estimateur non biaisé: $E[\tilde{\theta}] = 0$
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||||||
\item Estimateur efficace: Borne de Cramer-Rao atteinte.
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||||||
\item Estimateur consistent: $E[\tilde{\theta}]\xrightarrow[N_{obs}\to\infty]{}0$ et $V[\tilde{\theta}]\xrightarrow[N_{obs}\to\infty]{}0$
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||||||
\item Estimateur robuste:\\ Les performances de l'estimateur ne sont pas trop dégradé si on s'écarte un peu des hypothèses sous laquelle l'estimateur a été établi.
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||||||
\item Complexité de l'estimateur:\\
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||||||
sur l'o btention des connaissances et mise en oeuvre de l'estimateur.
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\end{itemize}
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||||||
\end{defin}
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||||||
\section{Théorie classique de l'estimation}
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||||||
\subsection{Estimateur des moindres carrés}
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||||||
\begin{defin}
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||||||
Pour $Y$ une VA de moyenne $m_y =m_{Y|\theta}$ on défini le critère :
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||||||
\[
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||||||
J_{MC} = (Y-m_y)^TM(Y-m_y)
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||||||
\]
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||||||
Avec $M$ matrice symétrique définie positive
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||||||
et alors:
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||||||
\[
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||||||
\hat{\theta}_{MC} = \arg\min_{\theta} J_{MC}(Y,\theta)
|
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||||||
\]
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||||||
\end{defin}
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||||||
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||||||
\subsubsection{Condition nécessaire d'existance}
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||||||
Si $J_{MC}(y,\theta)$ est dérivable et pas de contrainte sur $\theta$.
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||||||
\[
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||||||
\left.\nabla_J(\theta)\right|_{\hat{\theta}_{MC}} = \derivp[J_{MC}]{\theta} = 0 \quad \text{ Gradien}
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||||||
\]
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||||||
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||||||
Il faut ensuite vérifié que c'est un minimum absolu:
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||||||
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||||||
\[
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||||||
\nabla^2_{J}(\theta) = \derivp[{}^2J_{MC}]{\theta\partial\theta^T} > 0 \quad \text{Hessien}
|
|
||||||
\]
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||||||
|
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||||||
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|
||||||
\paragraph{Application} $Y = A\theta{} + B$, avec $B$ une VA.
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||||||
le critère des moindres carrés est alors :
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||||||
\[
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||||||
J_{MC} = (Y-A\theta-m_B)^TM (Y-A\theta-m_B)
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
On a une forme quadratique positive car $A^TMA \geq0 $. (dans le cas $>0$ on a une CNS sur ce qui suit)
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||||||
\subparagraph{Méthode 1}
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||||||
\[
|
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||||||
\left.\nabla_J(\theta)\right|_{\hat{\theta}_{MC}} = 0 = -2 A^TM(Y-A\theta-m_B)
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
Donc
|
|
||||||
\[
|
|
||||||
A^TMA \theta = A^TM(Y-m_B)
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
Soit \[
|
|
||||||
\boxed{\hat{\theta}_{MC} = \underbrace{(A^TMA)^{-1}AM}_{D}(Y-m_B)}
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
On remarque que $DA = I_n$.
|
|
||||||
\subparagraph{Méthode 2} Pour $A^TMA>0$.
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|
||||||
|
|
||||||
\[
|
|
||||||
J_{MC} = \underbracket{(D(Y-m_B)-\Theta)^TA^TMA(D(Y-m_B)-\theta)}_ {J_1(Y,\theta)} + \underbracket{(Y-m_B)^T(M-D^TA^TMAD)(Y-m_B)}_{J_2(Y)}
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
Alors $\nabla J_{MC} = 0 \implies J_1 = 0 \implies D(Y-m_B) = \hat{\theta}_{MC}$
|
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
\subsubsection{Caractéristique de l'estimateur}
|
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||||||
\begin{itemize}
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|
||||||
\item Estimateur non biaisé
|
|
||||||
|
|
||||||
\begin{align*}
|
|
||||||
\tilde{\theta}_{MC} &=\hat{\Theta}-\theta\\
|
|
||||||
&= D(Y-m_B)-\theta \\
|
|
||||||
&= D(B-m_B)
|
|
||||||
\end{align*}
|
|
||||||
Donc $E[\hat{\theta_{MC}}] = 0 $
|
|
||||||
\item moment d'ordre 2 :
|
|
||||||
\[
|
|
||||||
C_{\tilde{\theta}\tilde{\theta}} = E[(\tilde{\theta}-m_{\tilde{\theta}})(.)^T] = D E[(B-m_B)(B-m_B)^T]D^T = D C_{BB}D^T
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
\begin{itemize}
|
|
||||||
\item Cas MC ordinaire ($M=I_n$)
|
|
||||||
\[
|
|
||||||
C_{\tilde{\theta}\tilde{\theta}} = (A^TA)^{-1}A^TC_{BB}A(A^TA)^{-1}
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
\item Cas MC pondéré ($M = C_{BB}^{-1}$)
|
|
||||||
\[
|
|
||||||
C_{\tilde{\theta}\tilde{\theta}} = (A^TC_{BB}^{-1}A)^{-1}
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
\end{itemize}
|
|
||||||
\item Cas $\theta$ scalaire $Y_i = \theta +B_i$ donc :
|
|
||||||
\[
|
|
||||||
C_{BB} =
|
|
||||||
\begin{bmatrix}
|
|
||||||
\sigma_1^2 & &0 \\
|
|
||||||
& \ddots & \\
|
|
||||||
0 & & \sigma_m^2
|
|
||||||
\end{bmatrix} \text{ et }A = \vect{1\\ \vdots \\ 1}
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
\begin{itemize}
|
|
||||||
\item Cas MCO : $A^TA = m $
|
|
||||||
\[
|
|
||||||
\hat{\theta_{MC}} =\frac{\Sigma(y_i-m_{bi})}{m} \quad \text{ et } \quad \sigma_{\tilde{\theta}}^2 = \frac{\Sigma\sigma_i^2}{m^2}
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
\item cas MCP pour $M = C_{BB}^{-1} = diag(\sigma_1^{-2}, \dots, \sigma_m^{-2})$
|
|
||||||
\[
|
|
||||||
A^TC_{BB}A = \sum_{i=1}^m \frac{1}{\sigma_i^2} \quad \text{ donc } \quad \hat{\theta}_{MCP} = \frac{1}{\sum \frac{1}{\sigma_i^2}}\sum_{}^{}\frac{Y_i-mB_i}{\sigma_i^2}
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
\begin{itemize}
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||||||
\item $\hat{\theta_{MCP}}$ défini un barycentre
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||||||
\item Pour $\sigma_i = \sigma$ on a $M=\sigma I \implies MCO =MCP $
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||||||
\end{itemize}
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||||||
|
|
||||||
\end{itemize}
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|
||||||
\item Comparaison MCO et MCP (avec $M = C_{BB}$)
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||||||
\begin{align*}
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||||||
\sigma_{MCO}^2 &\leq \sigma_{MCP}^2\\
|
|
||||||
\frac{1}{\sum\sigma_i^{-2}} & \leq \frac{1}{m^2}\sum\sigma_i^2\\
|
|
||||||
m ^2 &\leq \frac{1}{\sum\sigma_i^{-2}} \sum\sigma_i^2
|
|
||||||
\end{align*}
|
|
||||||
|
|
||||||
\end{itemize}
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||||||
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||||||
\subsection{Estimateur du maximum de vraisemblance}
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||||||
\begin{defin}
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||||||
On considère $f_{Y}(y)$ ddp de $y$ paramétrée par $\theta$. On a $f_{Y|\theta}(y) = V(Y,\theta)$. on pose également $L(Y,\theta) = \ln(V(Y,\theta))$.
|
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||||||
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||||||
on défini alors:
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||||||
\[
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||||||
\hat{\theta}_{MV} = \arg\min f_{Y|\theta}(y) = \arg\min L(Y,\theta)
|
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||||||
\]
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||||||
\end{defin}
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||||||
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||||||
GRAPHE
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||||||
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||||||
\paragraph{Exemple} Modèle avec bruit additif gaussien.
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||||||
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||||||
\begin{prop}
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||||||
Dans le cas d'un brui Gaussien et pour $M = C_{BB}^{-1}$
|
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||||||
\[
|
|
||||||
\hat{\theta}_{MCP}=\hat{\theta}_{MV}
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
|
|
||||||
\end{prop}
|
|
||||||
|
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||||||
\paragraph{Remarque}
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||||||
L'estimateur de MV n'est pas nécessairement efficace mais si un estimateur sans biais existe et est efficace c'est celui-ci.
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||||||
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||||||
Si $m \to\infty $ on montre que le MV est asymptotiquement efficace. (loi des grands nombres)
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||||||
\section{Théorie générale de l'estimation}
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||||||
\subsection{Estimateur linéaire en moyenne quadratique (ELMQ)}
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||||||
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||||||
\begin{defin}
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||||||
Un ELMQ fourni une estimée de la forme
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||||||
\[
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||||||
\hat{\theta} = HY +C
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
à partir de l'erreur quadratique moyenne $E[\|\tilde{\theta}\|^2] = E[\tilde{\theta}\tilde{\theta}^T] =P_{\tilde{\theta}}$
|
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||||||
\end{defin}
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|
||||||
\paragraph{Concept} $H$ et $C$ tel que $P_{\tilde{\theta}}$ minimal.
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||||||
\[
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||||||
(1) \quad \derivp[P_{\tilde{\theta}}]{H} = 0 \quad\text{ et }\quad (2)\quad \derivp[P_{\tilde{\theta}}]{C} = 0
|
|
||||||
\]
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|
||||||
\begin{enumerate}[label=\arabic*)]
|
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||||||
\item
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||||||
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||||||
\begin{prop}
|
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||||||
\[
|
|
||||||
\derivp[P_{\tilde{\theta}}]{H} =2E[HY+C-\theta] = 2E[\tilde{\theta}] = 0
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
L'ELMQ est un estimateur non biaisé.
|
|
||||||
\end{prop}
|
|
||||||
et donc :
|
|
||||||
\begin{align*}
|
|
||||||
C &= -Hm_Y+m_\theta\\
|
|
||||||
\hat{\theta} &= H(Y-m_y)+m_\theta \\
|
|
||||||
\tilde{\theta} &= H(Y-m_y) - (\theta-m_\theta)
|
|
||||||
\end{align*}
|
|
||||||
|
|
||||||
\item
|
|
||||||
\begin{prop}
|
|
||||||
\[
|
|
||||||
\derivp[P_{\tilde{\theta}}]{C} =2E[(HY+C-\theta)Y^T] = 2E[\tilde{\theta}Y^T] = 0
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
$\tilde{\theta} \perp Y $ quand la puissance est minimale, $\tilde{\theta}$ et $Y$ sont décorrélées, on a extrait toute l'information commune.
|
|
||||||
\end{prop}
|
|
||||||
\begin{figure}[H]\centering
|
|
||||||
|
|
||||||
\begin{tikzpicture}
|
|
||||||
\draw (-1,0,4.2) -- ++(0,0,-7) -- ++(5,0,0) -- ++(0,0,7) -- ++(-5,0,0)node[above,left]{\emph{
|
|
||||||
\begin{tabular}{c}
|
|
||||||
sous espace \\
|
|
||||||
d'observation
|
|
||||||
\end{tabular}}};
|
|
||||||
\draw[->,>=latex] (1,0,3) -- (1,0,1) node[left]{$y_1$};
|
|
||||||
\draw[->,>=latex] (1,0,3) -- (2,0,3) node[below]{$y_2$};
|
|
||||||
\draw[->,>=latex] (1,0,3) -- (2,0,2) node[right]{$\hat{\theta}$};
|
|
||||||
\draw[dashed] (2,0,2) -- node[midway,right]{$\tilde{\theta}$} (2,3,2)node{$\times$} node[above]{$\theta$};
|
|
||||||
\end{tikzpicture}
|
|
||||||
\caption{Représentation des paramètres}
|
|
||||||
\end{figure}
|
|
||||||
De plus :
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||||||
\begin{align*}
|
|
||||||
E[\tilde{\theta}Y^T]& =E[\tilde{\theta}(Y-m_Y)^T] \\
|
|
||||||
&= E[(H(Y-m_Y)-\theta-m_\theta)(Y-m_y)^T]\\
|
|
||||||
&= HC_{yy}-C_{\theta Y} = 0 \implies H = C_{\theta Y}C_{YY}^{-1}
|
|
||||||
\end{align*}
|
|
||||||
|
|
||||||
on a donc
|
|
||||||
\[
|
|
||||||
\boxed{\hat{\theta}=C_{\theta Y}C_{YY}^{-1}(Y-m_Y)+m_\theta}
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
|
|
||||||
\paragraph{Remarque} L'ELMQ nécessite des connaissances du premier et du second ordre sur $\theta$ et $Y$.
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||||||
|
|
||||||
\begin{prop}
|
|
||||||
\[
|
|
||||||
C_{\tilde{\theta}\tilde{\theta}} = C_{\theta\theta}-C_{\theta Y}C_{YY}^{-1}C_{Y\theta}
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
La corrélation entre $\theta$ et $Y$ permet de diminuer l'ELMQ.
|
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||||||
\end{prop}
|
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||||||
\end{enumerate}
|
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||||||
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|
||||||
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||||||
\subsection{Estimateur Bayésiens}
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||||||
\subsubsection{Fonction coût/pénalité}
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||||||
\begin{defin}
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|
||||||
On appelle fonction de coût ou fonction de pénalité une fonction qui mesure l'erreur entrainée par la prise de la valeur $\hat{\theta}$ pour $\theta$.
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|
||||||
\[
|
|
||||||
C(\hat{\theta},\theta) \geq 0 \quad \text{ ou encore }\quad C(\tilde{\theta}) \ge 0
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
On prendra le plus souvent une \og bonne \fg{} fonction (continue, paire , croissante ...)
|
|
||||||
\end{defin}
|
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||||||
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||||||
\paragraph{Exemple de coût} on représente les fonctions de coût usuelles:
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||||||
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||||||
\begin{figure}[H]
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|
||||||
\centering
|
|
||||||
\begin{tikzpicture}
|
|
||||||
\begin{axis}[axis lines=middle,
|
|
||||||
xlabel={$\tilde{\theta}$},
|
|
||||||
ylabel={$C(\tilde{\theta})$},
|
|
||||||
ytick={0},
|
|
||||||
ymax=20,
|
|
||||||
xtick={-1,1},
|
|
||||||
xticklabels={$-\frac{\Delta}{2}$,$\frac{\Delta}{2}$},
|
|
||||||
legend pos=outer north east
|
|
||||||
]
|
|
||||||
\addplot+[no marks]{0.8*x^2};
|
|
||||||
\addlegendentry{cout quadratique $|\tilde{\theta}|^2$}
|
|
||||||
\addplot+[no marks]{2*abs(x)};
|
|
||||||
\addlegendentry{cout en valeur absolue $|\tilde{\theta}|$}
|
|
||||||
\addplot+[no marks] coordinates{(-5,4)(-1,4)(-1,0)(1,0)(1,4)(5,4)};
|
|
||||||
\addlegendentry{cout uniforme $1 -\Pi_\Delta(\tilde{\theta})$}
|
|
||||||
\end{axis}
|
|
||||||
\end{tikzpicture}
|
|
||||||
\caption{Représentation des fonctions de coût classique}
|
|
||||||
\end{figure}
|
|
||||||
|
|
||||||
\begin{defin}
|
|
||||||
On appelle estimateur bayésiens l'estimateur qui minimise le coût moyen :
|
|
||||||
\begin{align*}
|
|
||||||
E_{\theta,Y}[C(\hat{\theta},\theta)] &= \int_{\R^{m+n}}C(\hat{\theta},\theta)f_{\theta Y}(\theta,y)d\theta dy\\ &=\int_{\R^m}\left(\underbrace{\int_{\R^n}C(\hat{\theta},\theta)f_{\theta|Y=y}(\theta)d\theta}_{E_{\theta|Y}[C(\hat{\theta},\theta)]}\right) f_{Y}(y)dy
|
|
||||||
\end{align*}
|
|
||||||
On minimise donc $ E_{\theta|Y}[C(\hat{\theta},\theta)]$ à coût conditionnel donné
|
|
||||||
\[
|
|
||||||
\hat{\theta}_{B} = \arg\min_{\hat{\theta}}E_{\theta|Y}[C(\hat{\theta},\theta)]
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
\end{defin}
|
|
||||||
|
|
||||||
\subsubsection{Estimateur du maximum a posteriori (MAP)}
|
|
||||||
|
|
||||||
On considère un cout uniforme.
|
|
||||||
\begin{defin}
|
|
||||||
En prenant:
|
|
||||||
\begin{align*}
|
|
||||||
E_{\theta|Y}[C(\hat{\theta},\theta)] &= \int_{\R^m}(1-\Pi_{\Delta}(\tilde{\theta}))f_{\theta|Y=y}(\theta)d\theta
|
|
||||||
&= 1 - \int_{\hat{\theta}-\Delta/2}^{{\hat{\theta}+\Delta/2}}f_{\theta|Y=y}(\theta)d\theta
|
|
||||||
&\simeq 1- \Delta^nf_{\theta|Y=y}(\hat{\theta})
|
|
||||||
\end{align*}
|
|
||||||
Soit \[
|
|
||||||
\hat{\theta}_{MAP}=\arg\max_{\theta} f_{\theta|Y=y}(\theta)
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
\end{defin}
|
|
||||||
|
|
||||||
\paragraph{Lien MAP-MV}
|
|
||||||
|
|
||||||
on a $f_{\theta|Y=y}(\theta) f_{Y}(y) = f_{\theta Y}(\theta,y)$. Avec $f_\theta(\theta) = C^{ste}$ quand $f_{\theta Y}(\theta,y)$ à une valeur significative (ie $C_{\theta\theta}$ grand / $\sigma_\theta$ grand ) alors :
|
|
||||||
\[
|
|
||||||
\arg\max f_{\theta|Y=y}(\theta) \simeq \arg\max f_{Y|\Theta=\theta}(y)
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
|
|
||||||
On considère alors que $\theta$ est un paramètre aléatoire mais très mal connu. (ddp uniforme sur un interval tres grand, peu d'infos sur $\theta$).
|
|
||||||
|
|
||||||
\emph{cf. TD \og file d'attente\fg{}}
|
|
||||||
|
|
||||||
\paragraph{Exemple et Application}
|
|
||||||
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|
||||||
On considère $\theta$ scalaire aléatoire avec: $Y_i = \theta +B_i$ Avec :
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|
||||||
|
|
||||||
$
|
|
||||||
\begin{cases}
|
|
||||||
B \hookrightarrow \mathcal{N}(0,C_{BB})\\
|
|
||||||
\Theta \hookrightarrow\mathcal{N}(m_\theta,\sigma_\theta^2) \\
|
|
||||||
B \perp \Theta
|
|
||||||
\end{cases}$
|
|
||||||
|
|
||||||
\subparagraph{Rappel} MC=MV avec:
|
|
||||||
$\begin{cases}
|
|
||||||
m_B=0\\
|
|
||||||
\hat{\theta}_{MV} =\hat{\theta}_{MC} = \frac{\sum_{i=1}^{m}Y_i}{m}\\
|
|
||||||
|
|
||||||
E[\hat{\theta}_{MV}] = E[\theta]=m_\theta \text{ et } \sigma_{\tilde{\theta}_{MV}}=\frac{\sigma_B}{m}\\
|
|
||||||
\end{cases}$
|
|
||||||
|
|
||||||
On a donc:
|
|
||||||
\[
|
|
||||||
f_{Y|\theta}(y)=f_{B}(Y-A\theta) = \prod_{i=1}^{m}f_{B_i}(Y_i-\theta) = C_1 \exp\left(-\frac{1}{2}\frac{\sum(Y_i-\theta)^2}{\sigma_B^2}\right)
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
Or
|
|
||||||
\[
|
|
||||||
f_{\theta|Y=y}(\theta) = \frac{f_{Y|\theta}(y)f_\theta(\theta)}{f_Y(y)} = C_2 \exp\left(-\frac{1}{2}\underbrace{\left[\frac{\sum(Y_i-\theta)^2}{\sigma_B^2}+\frac{(\theta-m_\theta)^2}{\sigma_\theta^2}\right]}_{J_{MAP}}\right)
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
Le critère est ici une forme quadratique, donc :
|
|
||||||
|
|
||||||
\[
|
|
||||||
\hat{\theta}_{MAP} = \arg\max f_{\theta|Y=y}(\theta) = \arg\min J_{MAP}(\theta,Y)
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
Alors on a la CNS :
|
|
||||||
\[
|
|
||||||
\deriv[J_{MAP}]{\theta} = 0 = 2 \left[ -\sum_{i=1}^{m}\frac{Y_i-\theta}{\sigma_b^2}+\frac{(\theta-m_\theta)^2}{\sigma_\theta^2}\right]
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
Soit une expression barycentrique :
|
|
||||||
\[
|
|
||||||
\hat{\theta}_{MAP} = \frac{\frac{m}{\sigma_B^2}\sum_{}^{}\frac{Y_i}{m}+\frac{m_\theta}{\sigma_\theta^2}}{\frac{m}{\sigma_B^2}+\frac{1}{\sigma_\theta^2}}
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
Donc :
|
|
||||||
\begin{prop}
|
|
||||||
\[
|
|
||||||
E[\hat{\theta}_{MAP}] = m_\theta
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
L'estimateur est non biaisé. De plus :
|
|
||||||
\[
|
|
||||||
\sigma_{\tilde{\theta}_{MAP}}^2= \frac{1}{\frac{1}{\sigma_{MV}}+\frac{1}{\sigma_\theta^2}} <
|
|
||||||
\begin{cases}
|
|
||||||
\sigma_\theta^2 \\
|
|
||||||
\sigma_{MV}^2
|
|
||||||
\end{cases}
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
On a fait mieux en prenant en compte toutes les sources d'informations.
|
|
||||||
\end{prop}
|
|
||||||
|
|
||||||
\paragraph{Remarque}
|
|
||||||
\begin{itemize}
|
|
||||||
\item Si $\sigma_\theta>>\sigma_{MV}$ alors $\hat{\theta}_{MAP}\simeq \hat{\theta}_{MV}$ (ce qui arrive pour $\sigma_B$ ou $m$ grand)
|
|
||||||
\item Si $\sigma_\theta<<\sigma_{MV}$ et $\hat{\theta}_{MAP} \simeq m_\theta$ (l'obersavation apporte peu d'info)
|
|
||||||
\end{itemize}
|
|
||||||
|
|
||||||
\subsubsection{Estimateur en moyenne quadratique (EQM)}
|
|
||||||
|
|
||||||
\begin{defin}
|
|
||||||
On le cout moyen de l'EQM:
|
|
||||||
\[
|
|
||||||
C(\hat{\theta},\theta) = (\hat{\theta}-\theta)^T M (\hat{\theta}-\theta)
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
Avec $M>0$.
|
|
||||||
On cherche a minimiser le cout moyen mais sans contrainte de linéarité avec une matrice de pondération qui peux prendre en compte des facteurs d'echelles ou des unités différentes.
|
|
||||||
\end{defin}
|
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
\paragraph{Etude de l'estimateur} On veut minimiser $E_{\Theta|Y}[C(\hat{\theta},\theta)]$
|
|
||||||
\begin{align*}
|
|
||||||
\nabla_{\hat{\theta}}E_{\Theta|Y}[C(\hat{\theta},\theta)] &= 0 \\
|
|
||||||
E_{\theta|Y}[2M(\hat{\theta}-\theta)] &= 0 \\
|
|
||||||
2M E_{\theta|Y}[\underbracket{\hat{\theta}}_{h(y)}]-E_{\theta|Y}[\theta]&=0 \\
|
|
||||||
2M(\hat{\theta}-E_{\theta|Y}[\theta]) &= 0 \\
|
|
||||||
\Aboxed{ \hat{\theta}_{MQ} &=E_{\theta|Y}[\theta]} \\
|
|
||||||
&= \int_{\R^n}\theta f_{\theta|y}(\theta)d\theta = h(Y=y)
|
|
||||||
\end{align*}
|
|
||||||
|
|
||||||
Par conséquent: $E[\hat{\theta}_{MQ}]=E[\theta]$. on a un estimateur non biaisé.
|
|
||||||
\paragraph{Remarque}
|
|
||||||
Si $f_{\theta|Y}$ possède un axe de symétrie (ex: gaussienne) :
|
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
FIGURE . ($\hat{\theta}_{MQ}=\hat{\theta}_{MAP}$ dans le cas gaussien. Différent avec deux bosses.)
|
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
Dans le cas général la contrainte de linéarité pour l'ELMQ conduit à une valeur plus grande qu'avec l'EQM. Dans le cas gaussien: $\hat{\theta}_{ELMQ}=\hat{\theta}_{MQ}$, mais $\hat{\theta}_{MQ}$ nécessite plus de connaissance (ddp).
|
|
||||||
|
|
||||||
\subsubsection{Estimateur en valeur absolu}
|
|
||||||
|
|
||||||
\begin{defin}
|
|
||||||
on s'interesse au cas $n=1$ (un paramètre)
|
|
||||||
On choisit le cout moyen :
|
|
||||||
\[
|
|
||||||
C(\hat{\theta},\theta) = |\hat{\theta}-\theta|
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
Alors :
|
|
||||||
\[
|
|
||||||
E_{\theta|Y}[C(\hat{\theta},\theta)] = \int_{-\infty}^{\hat{\theta}}(\hat{\theta}-\theta)f_{\theta|Y=y}(\theta)d\theta-\int_{\hat{\theta}}^{+\infty}(\hat{\theta}-\theta)f_{\theta|Y=y}(\theta)d\theta
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
\end{defin}
|
|
||||||
|
|
||||||
Donc :
|
|
||||||
\begin{align*}
|
|
||||||
0 =& \nabla_{\hat{\theta}}E_{\theta|Y}[C(\hat{\theta},\theta)] \\
|
|
||||||
=& \dots \\
|
|
||||||
=&\int_{-\infty}^{\hat{\theta}}f_{\theta|Y=y}(\theta)d\theta-\int_{\hat{\theta}}^{+\infty}f_{\theta|Y=y}(\theta)d\theta
|
|
||||||
\end{align*}
|
|
||||||
|
|
||||||
\begin{prop}
|
|
||||||
L'estimée est alors $\hat{\theta}_{VA}$ tel que :
|
|
||||||
\[
|
|
||||||
\int_{-\infty}^{\hat{\theta}}f_{\theta|Y=y}(\theta)d\theta = \int_{\hat{\theta}}^{+\infty}f_{\theta|Y=y}(\theta)d\theta
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
On parle de médiane a posteriori. Le résultat se généralise pour tout $n$.
|
|
||||||
\end{prop}
|
|
||||||
|
|
||||||
\paragraph{Remarque} Dans le cas où $f_{\theta|Y=y}(\theta)$ possède un axe de symétrie (ex gaussienne) on a :
|
|
||||||
\[
|
|
||||||
\hat{\theta}_{VA} =\hat{\theta}_{MV} \equals^{\stackrel{\max}{\downarrow}} \hat{\theta}_{MAP}
|
|
||||||
\]
|
|
||||||
|
|
||||||
\paragraph{Exemple} Localisation d'un véhicule / Ellipsoïde de confiance (cf poly).
|
|
||||||
\section{Conclusion}
|
|
||||||
\begin{itemize}
|
|
||||||
\item L'estimateur statistique dépend des connaissances a priori, de la complexité des calculs et de la robustesse attendue.
|
|
||||||
\item Dans certains cas particuliers/ limites on retrouve des estimateurs intuitifs /empirique.
|
|
||||||
\item La loi normale joue un rôle important (hypothèses qui se justifie par la loi des grands nombres): les calculs sont simplifiés et conduisent au même résultat.
|
|
||||||
|
|
||||||
\end{itemize}
|
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
\end{document}
|
|
||||||
|
|
@ -5,7 +5,7 @@
|
||||||
\title{Note de Cours}
|
\title{Note de Cours}
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||||||
\author{Pierre-Antoine Comby}
|
\author{Pierre-Antoine Comby}
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||||||
\teacher{Anthony Juton \& Olivier Villain \& Emmanuel Hoang}
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\teacher{Anthony Juton \& Olivier Villain \& Emmanuel Hoang}
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||||||
\module{414 \\ Production d'électricité à partir d'énergie renouvelables}
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\module{414\\ Production d'électricité\\à partir d'énergie renouvelables}
|
||||||
\usepackage{multicol}
|
\usepackage{multicol}
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||||||
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\begin{document}
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@ -15,7 +15,8 @@
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\chapter{La machine asynchrone - principe et modèle}
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\chapter{La machine asynchrone - principe et modèle}
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\emph{Anthony Juton}
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\emph{Anthony Juton}
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\subfile{chap1.tex}
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\subfile{chap1.tex}
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\chapter{L'énergie eolienne}
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\chapter{Production d'électricité d'origine non nucléaire}
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\subfile{chap2.tex}
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\chapter{La machine asynchrone en génératrice}
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\chapter{La machine asynchrone en génératrice}
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\chapter{La machine asynchrone à double excitation}
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\chapter{La machine asynchrone à double excitation}
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\chapter{Physique de la conversion électrovoltaïque}
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\chapter{Physique de la conversion électrovoltaïque}
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@ -24,3 +25,8 @@
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