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Chapitre 1 – Statistiques à deux variables

Terminale Bac Pro  |  Mathématiques  |  Statistique et probabilités

Dernière mise à jour : 21 octobre 2026

Je vais apprendre à :
Prérequis — Première
Lire un tableau de couples, placer un nuage de points, calculer des moyennes et utiliser un ajustement affine à la calculatrice. En Terminale, on élargit le choix des modèles ; les changements de variable sont indiqués.

Situation professionnelle

🔧 Analyse de la consommation d'un bâtiment tertiaire

ICCER Un technicien en génie climatique réalise le suivi énergétique d'un bâtiment de bureaux équipé d'une pompe à chaleur air/eau. Il relève chaque semaine la température extérieure moyenne et la consommation de chauffage.

ERA-MA En électrotechnique ou en agencement, ce type d'analyse permet de relier deux grandeurs mesurées (courant/tension, quantité de matière/coût) pour établir un modèle prédictif.

Problème : Comment estimer la consommation d'une semaine future à partir de la météo prévue ? La réponse passe par les statistiques à deux variables.

1. Introduction — Pourquoi étudier deux variables ensemble ?

En statistiques, on étudie souvent deux grandeurs liées entre elles : par exemple, la consommation de chauffage d'un bâtiment dépend de la température extérieure. En traçant les données dans un repère, on obtient un nuage de points qui révèle si une relation existe entre les deux grandeurs.

Exemple introductif — Chauffage d'un bâtiment

Dans cet exemple pédagogique, les valeurs sont simulées pour 8 semaines : la température extérieure moyenne (en °C) et la consommation de chauffage d'un immeuble de bureaux (en kWh).

Semaine12345678
Temp. \(x\) (°C)2581014171922
Conso. \(y\) (kWh)980840720640480350260140

On observe que quand la température monte, la consommation baisse. Il y a une relation entre \(x\) et \(y\). On va la modéliser.

2. Nuage de points et point moyen

Définition — Série à deux variables
Une série statistique à deux variables est un ensemble de couples \((x_i\,;\,y_i)\) où chaque couple correspond à une observation (une semaine, un bâtiment, un appareil…).
Définition — Nuage de points
Un nuage de points est la représentation graphique des couples \((x_i\,;\,y_i)\) dans un repère orthogonal. La variable \(x\) est placée en abscisse, la variable \(y\) en ordonnée.
Propriété — Point moyen
Le point moyen \(G(\bar{x}\,;\,\bar{y})\) est le point dont les coordonnées sont les moyennes des deux séries : \[\bar{x} = \frac{x_1 + x_2 + \cdots + x_n}{n} \qquad \bar{y} = \frac{y_1 + y_2 + \cdots + y_n}{n}\] La droite de régression par moindres carrés de la forme \(y=ax+b\), avec une constante, passe par le point moyen \(G\).
Application

Un artisan menuisier relève 4 chantiers : surfaces \(x\) = 10, 20, 30, 40 m² et coûts \(y\) = 1 500, 2 800, 4 200, 5 600 €. Calcule les coordonnées du point moyen \(G(\bar{x}\,;\,\bar{y})\).

Nuage de points — Données de l'exemple chauffage


Méthode — Lire un nuage de points
  1. Observer la forme générale : les points forment-ils une ligne droite ? une courbe ? un nuage dispersé ?
  2. Identifier le sens de la liaison : quand \(x\) augmente, \(y\) augmente-t-il (liaison positive) ou diminue-t-il (liaison négative) ?
  3. Évaluer la dispersion : les points sont-ils serrés autour d'une tendance ou très éparpillés ?

3. Ajustement affine — Droite de régression

Quand le nuage de points a une forme allongée (linéaire), on peut l'ajuster par une droite \(y = ax + b\). Cette droite est calculée pour minimiser les écarts entre les points et la droite.

Définition — Droite de régression
La droite de régression de \(y\) en \(x\) est la droite \(y = ax + b\) qui minimise la somme des carrés des écarts verticaux entre les points du nuage et la droite. Elle passe toujours par le point moyen \(G(\bar{x}\,;\,\bar{y})\).
Méthode — Calculer \(a\) et \(b\) à la calculatrice
  1. Mettre les données dans deux listes \(x\) et \(y\) (menu Stat)
  2. Lancer la régression de \(y\) en \(x\), dans le sens indiqué par l’énoncé
  3. Identifier le coefficient de \(x\) et la constante : certaines calculatrices affichent \(ax+b\), d’autres \(a+bx\). Lire aussi \(R^2\) si disponible ; pour une régression affine avec constante, on peut calculer \(R^2=r^2\) si seul \(r\) est affiché
  4. Écrire l'équation : \(y = ax + b\)

Formules (pour comprendre, pas à mémoriser) :

\[a = \frac{\sum(x_i - \bar{x})(y_i - \bar{y})}{\sum(x_i - \bar{x})^2} \qquad b = \bar{y} - a\bar{x}\]
Exemple résolu — Chauffage

Pour les données de chauffage :

\(\bar{x} = \frac{2+5+8+10+14+17+19+22}{8} = \frac{97}{8} \approx 12{,}1\,°C\)

\(\bar{y} = \frac{980+840+720+640+480+350+260+140}{8} = \frac{4410}{8} \approx 551\,\text{kWh}\)

La calculatrice donne : \(a \approx -41{,}7\) et \(b \approx 1057\)

Droite de régression : \(\boxed{y = -41{,}7\,x + 1057}\)

Interprétation : quand la température augmente de 1°C, la consommation diminue d'environ 42 kWh.

Application

La droite de régression d'un artisan menuisier est \(y = 85x + 500\) (coût en € en fonction du nombre de mètres linéaires de corniche \(x\)). Que représentent 85 et 500 dans ce contexte ?

4. Apprécier un ajustement — Coefficient de détermination \(R^2\)

Un indicateur, pas un verdict
Pour une régression affine avec constante et une série \(y\) non constante, \(R^2\) est compris entre 0 et 1. Il mesure la part de la dispersion des valeurs de \(y\), autour de leur moyenne, expliquée par l’ajustement sur les données utilisées. Une valeur proche de 1 indique de faibles écarts verticaux relatifs ; elle ne garantit ni les prévisions futures ni une relation de cause à effet.
Choisir avec le nuage et le contexte
  1. Observer la forme du nuage et les éventuels points atypiques.
  2. Utiliser l’outil numérique pour l’ajustement demandé et lire \(R^2\).
  3. Vérifier que le modèle a un sens pour les grandeurs et l’intervalle étudiés.
  4. Présenter l’estimation et ses limites. Aucun seuil universel de \(R^2\) n’impose d’accepter ou de rejeter le modèle.
Complément — Le coefficient de corrélation \(r\)
Le coefficient de corrélation linéaire \(r\), lorsqu’il est défini, est compris entre −1 et 1. Son signe indique le sens de la tendance linéaire : positif si \(y\) tend à augmenter avec \(x\), négatif si \(y\) tend à diminuer. Une valeur de \(|r|\) proche de 1 indique une forte liaison linéaire. Pour une régression affine par moindres carrés avec constante, \(R^2=r^2\). Cette égalité ne se généralise pas automatiquement à tous les modèles.
Application

Dans un exemple fictif, un métreur obtient \(r=-0{,}92\) entre le nombre de fenêtres posées et la durée moyenne par fenêtre, en minutes. Calculer \(R^2\). Peut-on en déduire que poser davantage de fenêtres cause une baisse de cette durée, ou valider le modèle sans voir le nuage ?

Attention — Corrélation et causalité
Un \(r\) proche de zéro peut correspondre à une relation non linéaire, à une forte dispersion ou à une absence de relation : le nuage aide à les distinguer. Un \(R^2\) élevé ne prouve pas que \(x\) cause \(y\).

5. Visualisation interactive — Nuage de points et ajustement

Utilisez le curseur ci-dessous pour entrer une température et voir la consommation prévue par la droite de régression.

Données chauffage — Nuage + droite de régression (\(R^2 \approx 0{,}9997\))

12 °C
12
Température (°C)
557
Conso. prévue (kWh)
Interpolation
Type d'estimation

Intervalle des données simulées : 2°C à 22°C. En dehors : extrapolation ; une consommation prévue négative signale que le modèle ne convient plus.

6. Ajustements non affines — Changements de variable

Le changement de variable est indiqué dans l’énoncé. Quand le nuage de points n'est pas rectiligne, on peut effectuer un changement de variable pour "linéariser" la relation, puis appliquer un ajustement affine sur les nouvelles variables.

Principe
Si la relation entre \(x\) et \(y\) n'est pas linéaire, on pose une nouvelle variable \(z\) (transformée de \(x\) ou de \(y\)), de façon à ce que la relation entre \(z\) et l'autre variable soit linéaire.

Modèles courants

Les logarithmes ci-dessous sont décimaux. Pour le modèle exponentiel, il faut \(y>0\), \(A>0\) et \(q>0\). Pour le modèle puissance, il faut \(x>0\) et \(y>0\). Pour l’inverse, il faut \(x\ne0\). Après transformation, \(R^2\) porte sur les nouvelles variables ; on ne compare pas automatiquement ces scores à ceux calculés sur les variables initiales.

Type de relationChangement de variableNouvelle relation linéaire
Affine \(y = ax + b\)Aucun\(y = ax + b\)
Exponentielle \(y = A \cdot q^x\)\(z = \log(y)\)\(z = x\log(q) + \log(A)\)
Puissance \(y = A \cdot x^k\)\(z = \log(y)\), \(u = \log(x)\)\(z = ku + \log(A)\)
Inverse \(y = \frac{a}{x} + b\)\(z = \frac{1}{x}\)\(y = az + b\)
Exemple — Ajustement exponentiel (croissance bactérienne)

On utilise des données pédagogiques simulées de population bactérienne (en milliers), heure par heure :

Heure \(t\)012345
Population \(N\)24,18,316,233,165

Étape 1 : Le nuage de \((t, N)\) n'est pas rectiligne → on pose \(z = \log(N)\).

Heure \(t\)012345
\(z = \log(N)\)0,3010,6130,9191,2101,5201,813

Étape 2 : Le nuage de \((t, z)\) est presque rectiligne → droite de régression : \(z \approx 0{,}302\,t + 0{,}307\)

Étape 3 : Retour à \(N\) : \(\log(N) = 0{,}302\,t + 0{,}307 \Rightarrow N = 10^{0{,}302t+0{,}307} \approx 2{,}03 \times 2{,}005^t\)

Modèle : \(\boxed{N \approx 2{,}03 \times 2{,}005^t}\)

7. Interpolation et extrapolation

Définitions
Méthode
Pour estimer \(y\) à partir d'une valeur \(x_0\) :
  1. Écrire l'équation de l'ajustement
  2. Remplacer \(x\) par \(x_0\)
  3. Calculer \(y\) et interpréter le résultat dans le contexte
Exemple — Interpolation et extrapolation

Avec la droite \(y = -41{,}7\,x + 1057\) :

• Interpolation : pour \(x = 12\,°C\) (dans l'intervalle [2 ; 22]) → \(y = -41{,}7 \times 12 + 1057 \approx 557\,\text{kWh}\)

• Extrapolation : pour \(x = 25\,°C\) (hors intervalle) → \(y = -41{,}7 \times 25 + 1057 = 14{,}5\,\text{kWh}\)

Attention À 25°C on ne chauffe plus normalement. L'extrapolation donne un résultat peu réaliste : le modèle a des limites. Il faut toujours interpréter le résultat dans le contexte professionnel.
Application

Un fabricant de mobilier modélise ses coûts à partir de commandes de 2 à 12 plateaux : \(y = 120x + 300\) (€ en fonction du nombre de plateaux \(x\)). Estimez le coût pour 8 plateaux (interpolation) et pour 50 plateaux (extrapolation). Laquelle des deux estimations est plus fiable ?

8. Exemple professionnel — COP d'une pompe à chaleur

🌡️ Performance d'une PAC selon la température extérieure

ICCER Dans cet exemple pédagogique, des valeurs simulées décrivent le COP (Coefficient de Performance) d'une pompe à chaleur air/eau pour différentes températures extérieures. Plus il fait froid, moins la PAC est efficace.

Exemple résolu — COP d'une PAC
Temp. ext. \(x\) (°C)−5057101520
COP \(y\)2,12,63,13,43,84,44,9

Calcul du point moyen :

\(\bar{x} = \frac{-5+0+5+7+10+15+20}{7} = \frac{52}{7} \approx 7{,}4\,°C\)

\(\bar{y} = \frac{2{,}1+2{,}6+3{,}1+3{,}4+3{,}8+4{,}4+4{,}9}{7} = \frac{24{,}3}{7} \approx 3{,}47\)

Régression linéaire (calculatrice) : \(R^2 \approx 0{,}9970\) : faibles écarts relatifs dans cette série

Droite : \(\boxed{y = 0{,}115\,x + 2{,}618}\)

Applications :

Limite du modèle : ces données simulées ne permettent pas de recommander un mode de chauffage. Hors de [−5 ; 20] °C, la droite doit être validée avec des données techniques réelles ; un seuil extrapolé ne suffit pas pour commander une bascule.

9. Simulation — Comparer les types d'ajustement

Comparer visuellement les ajustements selon la forme du nuage


10. Applications concrètes — Génie climatique et Menuiserie

Lien avec les enseignements professionnels
Les statistiques à deux variables sont directement utilisées dans vos spécialités :

Bilan — Tableau récapitulatif

NotionDescription
Nuage de pointsReprésentation des couples \((x_i, y_i)\)
Point moyen \(G\)\((\bar{x}, \bar{y})\) — centre de gravité
Droite de régression\(y = ax + b\) — ajustement affine
Coefficient \(R^2\)Indicateur d’ajustement, à lire avec le nuage et le contexte
NotionDescription
Changement de variableLinéariser une relation non affine
InterpolationEstimer \(y\) dans l'intervalle connu
ExtrapolationEstimer \(y\) hors de l'intervalle (prudence !)
InterprétationToujours contextualiser le résultat
📌 À retenir
Erreurs fréquentes à éviter

Mini exercices

Exercice 1 — Chauffage et productivité

Dans une série pédagogique fictive, on donne pour 6 ouvriers leur expérience \(x\) (en années) et leur productivité \(y\) (pièces/heure) :

\(x\)124579
\(y\)121519222631

1. Calculer les coordonnées du point moyen \(G\).

2. La calculatrice donne \(y = 2{,}33x + 9{,}96\). Vérifier que cette équation arrondie donne une valeur proche de l’ordonnée de \(G\).

3. Estimer la productivité d'un ouvrier ayant 6 ans d'expérience.

Exercice 2 — Apprécier l’ajustement

La calculatrice donne \(r=0{,}72\) pour une régression affine avec constante.

1. Calculer \(R^2\).

2. Ce nombre permet-il à lui seul de choisir entre ce modèle et un autre ?

Exercice 3 ICCER — COP d'une PAC

Pour la PAC de l'exemple professionnel, la droite d'ajustement est \(y = 0{,}115\,x + 2{,}618\).

1. Calculer le COP prévu pour une température extérieure de \(x = 8\,°C\). Est-ce une interpolation ou une extrapolation ?

2. Pour quelle température extérieure le COP atteindrait-il 1 ? Interpréter.

Exercice 4 — Bivalence physique/maths

En physique, on mesure la tension \(U\) (V) aux bornes d'un résistor pour différentes valeurs du courant \(I\) (mA) :

\(I\) (mA)1020304050
\(U\) (V)0,470,981,451,962,51

La droite de régression donne \(R^2 \approx 0{,}9993\) et \(U = 0{,}0506\,I - 0{,}044\). Quelle est la résistance de ce résistor (en Ω) ?

Erreurs fréquentes

❌
Utiliser l’ajustement sans examiner le nuage
Un score élevé ne suffit pas à valider toutes les prévisions.
Conseil : observer le nuage, lire \(R^2\), puis vérifier le contexte et l’intervalle.
❌
Confondre le signe de \(r\) avec la qualité
\(r = -0{,}98\) indique une liaison très forte (négative), pas une mauvaise liaison.
Conseil : le signe décrit le sens de la liaison ; \(R^2\) décrit l’ajustement aux données, sans prouver une causalité.
❌
Extrapoler sans le signaler
Calculer \(y\) pour un \(x\) très loin des données sans préciser que c'est une extrapolation risquée.
Conseil : indiquer toujours si la valeur estimée est dans ou hors de l'intervalle des données.
❌
Oublier d'interpréter le coefficient directeur
Dans \(y = ax + b\), donner seulement la valeur de \(a\) sans expliquer ce qu'il représente dans le contexte.
Conseil : toujours relier \(a\) à une unité concrète (€/m², kWh/°C…).
❌
Inverser \(x\) et \(y\)
Confondre la variable explicative (\(x\)) et la variable expliquée (\(y\)) lors de l'ajustement.
Conseil : pour une régression de \(y\) en \(x\), \(x\) est en abscisse et \(y\) est la grandeur estimée. Ce choix ne démontre pas une cause et un effet.

Simulation interactive