Fiche d’exercices 5

Fiche d’exercices de la séance 5 d’Introduction au Machine Learning.
Auteurs

Dr. El Hadji Bassirou TOURÉ · DMI/FST/UCAD

Fiche d’exercices — Séance 5 : la régression linéaire
Introduction au ML – Dr. El Hadji Bassirou TOURÉ – DMI \(\cdot\) FST \(\cdot\) UCAD \(\bullet\) Travail à la main, sans machine

Cette fiche reprend, exercice par exercice, les calculs de la Séance 5 : lire un coefficient et prédire terme à terme, comparer deux droites par la MSE, la droite plate, l’équation normale à une variable, une itération de descente de gradient, les métriques MAE/RMSE/R², puis l’effet de la régularisation. Répondre directement sur la fiche.

Rappels utiles (valables pour toute la fiche).

Exercice 1 – Lire un coefficient et prédire

Un modèle prédit la durée d’hospitalisation (en jours) à partir de l’âge et de la glycémie d’un patient : \[\hat y = 1{,}2 \;+\; 0{,}05\,(\text{âge}) \;+\; 0{,}60\,(\text{glycémie}).\]

(a) Un patient de Ziguinchor a \(\text{âge} = 40\) ans et \(\text{glycémie} = 9{,}0\). Calculer sa durée prédite \(\hat y\), terme par terme.

Espace de calcul :

(b) Sa durée réelle a été \(y = 6{,}0\) jours. Calculer le résidu \(y - \hat y\). Le modèle a-t-il surestimé ou sous-estimé ?

(c) Interpréter le coefficient \(0{,}60\) de la glycémie en une phrase : que se passe-t-il sur la prédiction si la glycémie augmente d’une unité (l’âge restant fixe) ?

Exercice 2 – Comparer deux droites par leur MSE

On dispose de quatre patients du dispensaire de Thiès, avec une caractéristique \(x\) (standardisée) et la durée \(y\) :

\(x_i\) \(1\) \(2\) \(3\) \(4\)
\(y_i\) \(2{,}0\) \(2{,}5\) \(4{,}0\) \(5{,}5\)

On hésite entre deux droites : droite A : \(\hat y = 1 + x\) droite B : \(\hat y = 0{,}5 + 1{,}2\,x\).

(a) Compléter le tableau des prédictions et des erreurs pour chaque droite, puis calculer la MSE de chacune.

\(x=1\) \(x=2\) \(x=3\) \(x=4\) MSE
A : \(\hat y_i\)
A : \(y_i - \hat y_i\)
B : \(\hat y_i\)
B : \(y_i - \hat y_i\)

Espace de calcul :

(b) Laquelle des deux droites est la « meilleure » au sens de la MSE ? Justifier.

Exercice 3 – La droite plate (baseline)

La baseline d’une régression prédit, pour tout patient, la moyenne \(\bar y\) des durées observées. Sur quatre patients de Kaolack : \(\;y = (3{,}0,\ 5{,}0,\ 4{,}0,\ 8{,}0)\).

(a) Calculer la moyenne \(\bar y\).

(b) La droite plate prédit \(\hat y_i = \bar y\) pour chaque patient. Calculer sa MSE. (On remarquera que cette MSE est exactement la variance des \(y_i\).)

Espace de calcul :

(c) Quelle est la RMSE de cette baseline ? Dans quelle unité s’exprime-t-elle ?

Exercice 4 – L’équation normale à une variable

On cherche la meilleure droite \(\hat y = a x + b\) pour cinq patients de Saint-Louis :

\(x_i\) \(1\) \(2\) \(3\) \(4\) \(5\)
\(y_i\) \(2{,}0\) \(4{,}0\) \(5{,}0\) \(4{,}0\) \(6{,}0\)

(a) Calculer les moyennes \(\bar x\) et \(\bar y\).

(b) Compléter le tableau, puis calculer la pente \(a = \dfrac{\sum (x_i-\bar x)(y_i-\bar y)}{\sum (x_i-\bar x)^2}\).

\(i=1\) \(i=2\) \(i=3\) \(i=4\) \(i=5\) somme
\(x_i - \bar x\)
\(y_i - \bar y\)
\((x_i-\bar x)(y_i-\bar y)\)
\((x_i-\bar x)^2\)

Espace de calcul :

(c) En déduire l’ordonnée à l’origine \(b = \bar y - a\,\bar x\), puis écrire l’équation de la droite.

Exercice 5 – Une itération de descente de gradient

On ajuste un modèle sans biais à un seul paramètre, \(\hat y = a\,x\), sur trois points : \(\;x = (1, 2, 3)\), \(\;y = (2, 4, 6)\). Le critère est \(J(a) = \frac{1}{n}\sum_i (y_i - a x_i)^2\), et son gradient \(\;g = -\frac{2}{n}\sum_i x_i\,(y_i - a x_i)\).

(a) On part de \(a_0 = 0\). Calculer les prédictions \(\hat y_i = a_0 x_i\), puis le gradient \(g\) en ce point.

Espace de calcul :

(b) Avec un pas \(\eta = 0{,}1\), calculer la nouvelle valeur \(a_1 = a_0 - \eta\, g\).

(c) Vers quelle valeur de \(a\) cette descente va-t-elle converger ? (Indice : quelle pente passe exactement par les trois points ?)

Exercice 6 – MAE, RMSE et R²

Un modèle de régression a produit, sur quatre patients de Tivaouane, les durées réelles \(y\) et prédites \(\hat y\) :

\(y_i\) \(10\) \(12\) \(8\) \(15\)
\(\hat y_i\) \(11\) \(11\) \(9\) \(13\)
\(y_i - \hat y_i\)

(a) Compléter la ligne des erreurs, puis calculer la MAE et la RMSE.

Espace de calcul :

(b) La RMSE est-elle plus grande ou plus petite que la MAE ? Expliquer pourquoi en une phrase.

(c) Sachant que \(\bar y = 11{,}25\) et que \(\sum_i (y_i - \bar y)^2 = 26{,}75\), calculer le \(R^2\) du modèle. Le modèle fait-il mieux que la baseline-moyenne ?

Espace de calcul :

Exercice 7 – Ridge et Lasso

Sur un jeu de variables standardisées, on entraîne une régression Ridge avec différentes valeurs de \(\alpha\). On observe la pente associée à une variable :

\(\alpha\) \(0\) \(1\) \(10\) \(100\)
pente obtenue \(2{,}00\) \(1{,}67\) \(0{,}67\) \(0{,}095\)

(a) Décrire en une phrase l’effet de \(\alpha\) sur la pente, à la lecture du tableau.

(b) Vers quel modèle tend Ridge quand \(\alpha \to \infty\) ? Que vaut alors la prédiction pour tout patient ?

(c) Ridge réduit les coefficients sans les annuler ; Lasso, lui, peut mettre certains coefficients exactement à zéro. En une phrase, dire lequel des deux fait de la sélection de variables, et pourquoi c’est utile quand beaucoup de variables sont inutiles.

(d) Pourquoi faut-il standardiser les variables avant d’appliquer Ridge ou Lasso ? (Indice : la pénalité compare les coefficients entre eux.)

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