R EVUE DE STATISTIQUE APPLIQUÉE
Y. L E F OLL B. B URTSCHY
Représentations optimales des matrices imports-exports
Revue de statistique appliquée, tome 31, n
o3 (1983), p. 57-72
<http://www.numdam.org/item?id=RSA_1983__31_3_57_0>
© Société française de statistique, 1983, tous droits réservés.
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57
REPRESENTATIONS OPTIMALES DES MATRICES IMPORTS-EXPORTS
Y. LE FOLL et B. BURTSCHY
Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications 46, rue Barrault 75634 Paris Cedex 13
RESUME .
Pour analyser les
échanges
commerciaux de 53 pays (ou groupes de pays), il y a lieu de choisir une méthode dereprésentation
gaphique des matrices d’importations-exportations (éventuellement ventilées par produits).Après
avoir discuté ce choix, on démontre que lareprésentation
simutanée de l’Analysedes Correspondances multiples est graphiquement optimale. Les
échanges
intérieurs des pays risquant de perturber arbitrairement cettereprésentation,
un algorithme itératif estproposé
pour rendre cette perturbation minimale.
L’optimalité
des projections factorielles est en fait relative à lafaçon
dont onpondère
les distances de la
représentation.
C’est ainsi que pour leséchanges
de 1976, on analyse deuxsystèmes
de projection : l’un pour identifier des facteursgénéraux d’échanges (système
usuel), l’autre pourapprécier
lesspécificités
d’un exportateur particulier(système
local).REPRESENTATIONS OPTIMALES DES MATRICES IMPORTS-EXPORTS
INTRODUCTION
Les
experts
du Commerce Extérieur(cf. [13])
étudient avecbeaucoup
deprofit
les fluxd’échanges
commerciaux entre nations. Habituellementreprésentés
par une matrice C à double entrée
(pays importateurs
enligne,
paysexportateurs
en
colonne),
ceux-cipeuvent
être ventilés parproduits,
parpériodes...
etc. Denombreuses études ont montré l’intérêt
qu’il
y a à traiter ces tableaux paranalyse multidimensionnelle,
tant pour DECRIRE(cf. [3, 5, 23]
et[30])
que pour PREVOIR lesprincipaux
fluxd’échanges (cf. [17]
et[30] notamment).
Cependant
même auplan descriptif,
certainsaspects méthodologiques
demandent encore à être
précisés.
Ainsi en cequi
concerne lareprésentation
desmatrices
imports-exports (ventilées
ounon), plusieurs approches
sont envisa-geables :
lestechniques suggérées
par la théorie desgraphes,
les méthodes taxono-miques,
lesreprésentations
factorielles. Comment choisir entre cespossibilités
etnotamment entre
l’Analyse
desCorrespondances
etl’Analyse Sphérique (cf. [14]) ?
Les éléments
"diagonaux"
de la matrice(c’est-à-dire
leséchanges
des pays aveceux-mêmes)
neperturbent-ils
pas arbitrairement lareprésentation ?
Est-ilpossible
Revue de Statistique Appliquée, 1983, vol. XXXI, n° 3
d’adapter
cettereprésentation
pouranalyser
laposition
d’unimportateur
ou d’unexportateur particulier ?
Il ne
s’agit
pas de donner desréponses
exclusives à cesquestions,
mais dejustifier
les solutions retenues en termes de REPRESENTATIONS OPTIMALES.Après
avoir introduitquelques
notations(§.1)
et avoir discuté le choix du modèlede
représentation (§.2),
on montrel’optimalité graphique
del’Analyse
Factorielle desCorrespondances (AFC)
pour la visualisation de telles données relationnelles(§.3).
L’étude de l’influence des éléments"diagonaux"
sur lareprésentation
conduit à une
technique
itérative d’estimationtoujours convergente ( §.4). Quant
à la vision "locale" des
échanges,
elle ne remet pas en cause lareprésentation
d’ensemble mais ses
plans
deprojections (§.5).
Commeapplication,
onprésente
une
analyse globale
du commerce international de 1976 et uneanalyse
locale dela situation des
exportations françaises
dans le contexteprécédent (§.6).
1
NOTATIONSEtant donné un ensemble
I = {1 ,...,i,...n} de
paysimportateurs
et un ensemble E =
{1 ,
... , e , ...p}de
paysexportateurs,
on note C la matrice(n lignes
et pcolonnes) d’imports-exports : Cie
estl’importation
du pays i venant del’exportateur
e. Parcumul,
on obtient le totalTi importé
pari,
le totalTe exporté
par e et le totalgénéral
T.Mais les
échanges peuvent
être ventilés en fonction d’un ensemble L ={1 , ... , Q , ... q}
deproduits.
On note alorsCiQe l’importantion
de i enproduit Q
venant del’exporteur
e.Cie possède
lapropriété
additive suivante :Q
{Cie|i~I, ~L, e~E}
constitue unehypertable
decontingence,
àlaquelle
il est
d’usage
d’associer un tableau de Burt B(cf [22]
p.125).
Si J note lasomme ensembliste 1 + L +
E,
alors B est une matricesythétrique
de dimen-sion n + q + n, se
décomposant
en 3 x 3 blocs :Les blocs
diagonaux
sontdiagonaux :
parexemple
où
bii,
est lesymbole
de Kroneckeravec
Les blocs
non-diagonaux
sont des tables decontingence
binaires :Ces notations
pourraient
être étendues à un nombrequelconque
de ventila- tions. Poursimplifier
lesécritures,
on s’est limité à trois ensemblesI,
L et E. Maisil est
simple d’imaginer
le cas où J est la somme de m ensembles.§.2
CHOIX D’UNE METHODE DE REPRESENTATIONLa méthode recherchée ici doit
permettre d’appréhender
sur desgraphiques
les
principaux
fluxd’échanges
entre les pays telsqu’ils apparaissent
dans la matriceC par
exemple. Essayons
de passer en revue lesapproches
lesplus
"naturelles".A la matrice
C,
il estpossible
d’associer ungraphe valué, ayant
les éléments de 1 et E comme sommets et les éléments de C comme valeurs des arcs. Cegraphe
étant
complet
ou presque, ils’agit
d’en donner une visionsimplifiée.
La méthode"des seuils"
(suppression
des arcs inférieurs à un certain seuil cf[28])
esttrop
sensible aux différences de taille{Ti|i ~ I}
et{Te|e ~ E}
des pays, pour être utilisée ici. La méthode des "hiérarchiescentrifuges" (cf [12])
offre unepossibilité
de
représentation automatique
desgraphes
non valués : il faut donc savoir choisir les arc"pertinents"
dugraphe
associé àC,
cequi
ramène auproblème précédent.
Une autre
approche
consiste à définir un indice deproximité,
soit entrepays
importateurs
soit entre paysexportateurs (cf [5]) ;
il est alorspossible
deconstruire des arbres
hiérarchiques
ou desimages
euclidiennes restituantapproxima-
tivement ces
proximités.
Les solutions lesplus
intéressantes sont associées à la notation d’information mutuelle et à la notion de distance distributionnelle(cf [ 1 ]).
Les pays y sont classés en fonction de leursprofils d’exportation
ou deleurs
profils d’importation.
Parmi ces
méthodes,
l’AFC etl’analyse sphérique (cf [14])
sontparticu-
lièrement intéressantes : car elles offrent une
représentation
simultanée deI,
E et éventuellement L. Cela est dû au faitqu’en échangeant
les rôles de 1 et deE,
lesreprésentations
obtenues sont liées par des relations de transition. EnAFC,
cesrelations sont
pseudo-barycentriques (cf [22]),
cequi place
unimporteur
au ba-rycentre (au
facteur(03BBa)-1/2 près) de ses
fournisseurs et vice-versa. Parexemple
où
Fia
etFea
sont les coordonnées factorielles de rang a despoints
i et e respec-tivement.
En
analyse sphérique,
la formulecorrespondante (l’autre
s’en déduisantaisément) comporte
un effet de taille enVTg.
Si
l’analyse sphérique
nepeut
être retenueici,
vues lesgrandes
fluctuations des taillesTi
etTe’
sesdéveloppements originaux suggèrent
desaménagements
enAFC
(cf §
4et § 5).
D’autres modèles factoriels(cf [3,11]
et[15])
ont été pro-posés,
mais en mettant l’accent sur lasymétrie
ou non deC,
ilsrépondent
à d’autresobjectifs.
Il semble donc que l’AFC soit
particulièrement adaptée
pourreprésenter
lesmatrices
imports-exports.
Non seulement elle élimine bien les différences detaille,
mais sa
représentation
simultanée estoptimale,
comme on va le voir.Remarque
D’intéressants modèles
statistiques (cf [9]
et[10])
ont étéproposés
pourl’analyse
des tableauxd’échanges
ou des tables decontingence.
Mais ils ne cor-respondent
pas auproblème posé
ici.§.3
OPTIMALITEGRAPHIQUE
DE L’AFCIl
s’agit d’interpréter (dans
le cas d’une matriceimports - exports)
et degénéraliser
lapropriété
extrêmale suivante de l’AFC du tableau C :Propriété
1Cette
propriété
trèsclassique (cf [7])
montre que lareprésentation
simultanéede l’AFC de C tend à
rapprocher
sur sonpremier
facteur lesimportateurs
i et lesexportateurs
eayant
leséchanges
lesplus importants :
Cie important ~ I a 1 - be1 1 faible.
Cette
propriété peut
être étendue au cas de tables C à trois entrées(ou plus)
et deplusieurs facteurs,
cequi permet
de caractériser lareprésentation
en fac-teurs normés à 1 associée à
l’analyse
descorrespondances multiples (c’est-à-dire
l’AFC de
B) Propriété
2Preuve
. Pour montrer que
(i)
~(ü),
il suffitd’expliciter Rk
Or
de
plus (i)
~ SiX;
est la valeur propre associée au facteur de rang ad’où
Comme les valeurs propres associées aux k
premiers
facteurs sont les kplus grandes,
il est clair que
Rk
est minimal..
Réciproquement,
montrer que(ü) - (i)
est unesimple
extension de lapropriété
1 avec substitution de B à C cequi
ne pose formellement aucune diffi- culté. Sous les conditions de normalisation(4),
rendre minimumRk équivaut
àrendre maximum la
quantité :
où l’on reconnaît une inertie
projetée
sur un sous-espace de dimension k. Ce pro- blèmeclassique
conduit à identifier les kpremiers
facteurs de norme 1 de l’AFC de B(cf. [2]).
’0 Il reste à montrer
l’équivalence
de(ü)
et(üi).
L’écartquadratique
moyen dum-uplet (xi ,
... ,Xm)
a pourexpressions :
Plus
généralement,
si la table C est à mentrées,
il est clair queRemarques
a)
Enpermutant
l’ordre des sommations dansSk
on obtient :où
kd (i , e)
note la distance euclidienneclassique
despoints
i et e enprojection
sur l’ensemble des k
premiers
facteurs considérés.La condition
(iii) signifie
donc que lespoints i,
1 et e sont d’autantplus proches
sur l’ensemble des kpremiers
facteurs quel’échange Cile
estimportant.
b)
Lapropriété
2 montre que lepositionnement d’éléments,
tels que(i, 1, e),
ou(i, 1)
ou(i , e)
ou(1 , e)
sur les facteurs de l’AFC de B a un sens : il suffit de lesimaginer
au centre degravité
des élémentsqui
lescomposent.
c)
Le tableau de BURT B nedépendant
que des tables decontingence binaires,
la
représentation
considérée élimine les interactions d’odre 2(cf. [10]).
Cettedifficulté est
classiquement
résolue(cf. [1])
enrangeant
lesCile
dans un tableauà deux entrées
(I
et L x E parexemple)
et en traitant celle-ci comme telle.d)
Alorsqu’en analyse
desproximités
il est naturel de construire lesrepré-
sentations
graphiques
avec des facteurs de norme03BBa,
c’est avec des facteurs normésà
1, qu’il
convient deprocéder
enAFC,
pourdisposer
despropriétés
1 et 2. Onmontre que cette
représentation
s’obtient aussi parsimple projection
àpartir
dela distance
"atomique" du x2 (cf. [24]) ;
d’ailleurs lespropriétés
1 et 2 serventalors de critère de sélection des axes factoriels.
§.4
ESTIMATION OPTIMALE DES ELEMENTS "DIAGONAUX"La matrice C
comporte
des éléments"diagonaux" (c’est-à-dire
à l’intersection deslignes
et des colonnes associées à un mêmepays),
dont les valeurs sont pure- ment conventionnelles. Comme le notent D. DOMENGES et M. VOLLE à propos des tableauxd’échanges
inter-industriels(cf. [14]),
ces valeurspeuvent
être estiméessur la base d’une nomenclature fine des zones
d’échanges.
Paragrégation
des zonessuivant la nomenclature des
(groupes de)
payscomposant
1 etE,
on retrouvebien les montants
d’échanges inter-pays.
En revanche les montantsd’échanges
intra-pays, c’est-à-dire les valeurs des éléments
"diagonaux", dépendent beaucoup
de lafinesse de la nomenclature de
départ.
Précisément un
découpage
arbitrairement fin conduit à des éléments "dia-gonaux"
variant entre 0 et oo. Etudions lesreprésentations optimales (au
sensde §.3)
associées à ces deux cas limites. Celles-cipeuvent
être construites(cf. [26])
en normant les facteurs de
l’analyse
factorielle sur le tableau des distances suivantes :Si i et
e
sont associés à un même pays,Ci
note la valeur d’un élément "dia-gonal"
courant :En
pratique,
ces relationspeuvent
fixer lespremiers
axes factoriels de l’ana-lyse,
du moins siTi
ouTe
sbntimportants.
Une solution tendant à réduire l’influence de ces éléments"diagonaux"
semblepréférable.
De ladécomposition classique
de l’inertie cumulée des axes factoriels d’une AFC du tableau C :il résulte que si les éléments
"diagonaux"
vérifient :ces éléments ont une contribution nulle
(c’est-à-dire
sontneutres).
Si tel est le cas,on tend à mettre en relief les seuls
échanges
extérieurs sur les axes factoriels et donc à renforcer la stabilité de leuranalyse (au
sens de[14].
Il existe une méthode de résolution
permettant
de satisfaire la relation(5)
pour les n éléments
"diagonaux"
simultanément(cf. [3 ]).
A la
première
itération on pose :C(1)ie
= 0(i
= é =1 , n)
=>Pour passer de l’itération k à l’itération k +
1,
on a la recurrence :Cet
algorithme
adéjà
été étudié dans un cadreplus général (cf. [25 ]).
On montrequ’il
est CONVERGENTlorsque
Ce
qui
est formellement satisfait. Enpratique
si l’on teste les valeurs depar
rapport
à un seuilapproprié,
la convergence est atteinte en moins de 5 itérations.Remarques
a)
Cette méthodepourrait
êtregénéralisée
pour un tableau ventilé tel queCile
. En fait il estplus
naturel del’appliquer
tellequelle
àchaque
tableauC1
avant tout calcul de B. Par ailleurs il convient de réestimer les éléments
"diagonaux"
chaque
fois que lacomposition
de I ou de E est modifiée.b)
D’autres méthodes d’estimation ont été testées(cf. [3]).
Parmielles,
laplus
séduisante à notreavis,
cherche à rendrehomogène
la matriced’imports- exports,
en se référant auxéchanges
intérieurs de même "nature" que leséchanges
extérieurs. Cette
définition, qui
suscitequelques
difficultés desaisie,
a conduit à desreprésentations
factoriellesproches
de celles obtenuesici,
même si les valeurs estimées différaient sensiblement.§.5
VUES PARTICULIERES DE LA REPRESENTATIONLa
représentation précédente
estoptimale
au sens de la reconstruction des distances{d2 G , j’)|(j,j’)~J J}définies
au§4,
du moinslorsque
celles-cisont
pondérées
par les réels :Les distances
{kd2G ,j’)|(j , j’) e J
xJ} entre
lesprojections de j
etj’
surl’espace
des kpremiers
axes factoriels de l’AFC de B rendent en effet minimum :qui
est l’inertie résiduelle du nuage5t(J).
Il est clair que cette
optimalité
metparticulièrement
en relief lebarycentre
0 des
points
du nuage9I(J) respectivement
affectés des masses{2T . Tj Ij
EJ}
puisque :
Les vues
particulières, qu’il s’agit
de construire pour "voir"J"C (J)
d’un deses
points jo (par exemple
lepoint exportations françaises),
cherchentplutôt
àrendre minimum :
Dans ce cas, il suffit de
rapporter
la matrice d’inertie aupoint jo
et non aupoint
0. Cela assure une bonne cohérence entre ces facteurs "locaux" et les fac- teurs"globaux"
usuels(cf. [24]).
Mais alors que ceux-ci rendentcompte
de l’écartentre le tableau B et le tableau
produit
des marges au sens de la distance deX 2
associée
(cf. [14]),
les facteurs "locaux" restituent la distance entre le tableau B et le tableau local :B° = {B0jj’| ~ J}
défini par :En
pratique
il estfréquent (cf. §6.2
parexemple)
que lepremier
facteur"local"
joli
soit trèsproche
dejo 0
et que les facteurs suivants diffèrent très peudes facteurs
"globaux",
mais décalés d’un rang.Remarque
Cette méthode est un cas
particulier
trèssimple
del’analyse
localeproposée
par L. LEBART
(cf [21]). L’analyse
factorielleprivilégiante développée
par D. LAFAYE de MICHEAUX offre d’autrepossibilités
d’extension au cas de plu- sieurspoints privilégiés,
en nombre fini ou infini(cf [20 ]).
§.6
APPLICATION AU COMMERCE INTERNATIONAL DE 1976Cette
application s’appuie
sur leséchanges
commerciauxenregistrés
en 1976dans 53 pays
(ou
groupes depays).
La liste des pays, leurs codesalphabétiques
etleurs volumes relatifs
d’exportation
fontl’objet
de la table 1. Les éléments "dia-gonaux"
de cette matrice(53 x 53)
ont été estimés suivant la méthode du§.4,
la convergence
ayant
été atteinteaprès
4 itérations. Ils’agit
ici de montrer l’intérêtTABLE 1
CODES DES 63
(GROUPES DE)
PAYS ET POIDS DES EXPORTATIONS EN%
6.1.
Analyse globale
de lareprésentation
Les huits
premiers
axes factoriels de cette AFCclassique
sont caractérisés par les valeurs propres etpourcentages
suivants :Les
principes
dedépouillement
de la méthode étant bien connus(cf [1, 6]
ou
[22]),
on se limitera ici àsouligner,
en liaison avec lapropriété
1 du§.3,
lecaractère
suggestif
de lareprésentation
simultanée desimportateurs
et desexporta-
teurs
(codes
pays suivis dessignes -
et +respectivement).
Lesfigures
1 et 2 per- mettent de suivre lespremières interprétations
suivantes des axes factoriels.Figure 1. - Analyse des Correspondances de la matrice Imports - Exports de 1976 :
Figure 2. - Analyse des Corres- pondances de la matrice Imports-
Exports de 1976 : Plan
(Axe 3 - Axe 4).
A la lumière de ces
interprétations,
ilapparaît
que leséchanges
extérieursdes nations résultent de trois
types
de facteurs :- des facteurs
d’opportunité (les
axes 1 et 6 parexemple), qui
ont desorigines
diverses et
multiples (économiques, politiques, historiques... ) ;
- des facteurs de
proximité géographique (cf
les axes 2 et5)
dont les effets ne sont pastoujours prépondérants ;
- des facteurs de
dépendance
vis à vis de certains pays leader(USA, Japon, Pays Pétroliers, URSS),
que les économistes(cf [13] par exemple)
connaissent bien.Pour les
spécialistes
de laquestion,
cesopportunités
et cesdépendances
sont synonymes de faits commerciaux et de
produits précis.
Faute d’élémentssupplémentaires
àprojeter
ou à faireparticiper
àl’analyse,
on notera seulementque le rang des
facteurs
extraitspermet
d’ordonner lesprincipales opportunités,
contraintes ou difficultés que les nations rencontrent dans leurs
échanges
avecl’extérieur :
Après
s’être déterminés pour l’un ou l’autre bloc sur l’axe1,
les pays semblent s’associer en fonction de leursproximités géopolitiques (cf
l’axe 2 oules axes 5 et
6)
et, à un niveauéquivalent,
en raison de leursdépendances
écono-miques (cf
les axes 3 et 4 ou l’axe7). Ceux-ci, qu’il
n’est paspossible
d’étudieren détail
ici,
sont d’autantplus significatifs
que la méthode d’estimation des valeurs"diagonales"
ne favorisait en rien leurapparition.
Pourrépondre
à desquestions plus précises
sur lesexportations françaises
parexemple (la qualité
de leurreprésen-
tation sur ces 7 axes n’étant que de 60
%),
il convient de construire etd’analyser
des vues
particulières
de cettereprésentation.
6.2.
Analyse
de lareprésentation
vue de FRA+Il
s’agit d’interpréter
lesystème
d’axes locauxdéveloppés
au§ .5
et issu dupoint exportations Fançaises (FRA+).
On note que son
premier
facteur passejuste
par lebarycentre
0 despoints importations
etexportations.
Lafigure
3 montre, comment lespoints importations
sont attirés par le
point FRA+,
effetparticulièrement
sensible sur l’axel’ (24 %
d’inertie).
Cet axepermet d’apprécier
lesspécificités
des marchés extérieurs de la France en 1976. Lesimportateurs
sont en effet d’autantplus proches
de FRA+qu’ils
achètentplus systématiquement "français".
Deplus
il nes’agit
pas de situa- tionsconcurrentielles,
les autresexportateurs
étant sur cet axeéloignés
de FRA +.L’analyse
détaillée de laprojection
des divers pays sur cette dimension conduitaux deux observations suivantes :
e Les marchés extérieurs de la France concernent des pays
qui apparaissent proches,
soithistoriquement (Algérie,
pays en voie dedéveloppement, Pologne... ),
soit
géographiquement (Belgique, Suisse, Italie, RFA, Espagne),
soit par nécessité(pays pétroliers... etc).
e A
quelques exceptions près (la
Chine parexemple),
la France ne semble pas rechercher departenaires
lointains offrant unecomplémentarité économique
ou des débouchés
commerciaux,
comme le font des pays tels que leJapon
ou lesUSA (cf fig. 2).
Les axes
principaux
suivants ressemblentbeaucoup
à ceux del’analyse globale
du§.6.1 (mais
de rang r-1),
comme onpeut
le voir encomparant
l’axe4’
dé lafigure
3 à l’axe 3 de lafigure
2. Leursinterprétations
sont donc faciles àimaginer.
Ces axespermettent
depréciser
comment se situe la Fance parrapport
Figure 3. - A.F.C. vue du Point FRA+ de la matrice imports-Exports
aux
opportunités,
auxdifficultés
ou aux contraintesgénérales d’échanges.
Ce n’estpas le lieu de
développer
ici les réflexions et lesstratégies
commerciales que cettereprésentation suggèrent
auxspécialistes
du commerce extérieur.Remarque
Géométriquement,
la ressemblance entre facteurs locaux et facteursglobaux signifie
seulement que l’axel’est quasi-orthogonal
aux axes1,2,...
etc. Maisla situation serait sans doute très différente pour des axes vus de USA+ ou de JAP+.
§.7
CONCLUSIONPour
l’économiste,
lesanalyses précédentes
mériteraient d’être détaillées parproduits (cf propriété 2),
car elles semblent révélatrices des lois et despossi-
bilités des marchés extérieurs.
Pour le
statisticien,
cetteapplication
montre l’intérêt et l’efficiacité de laméthodologie
mise aupoint.
Sesdéveloppements
formelspeuvent
être aisément étendus à d’autres données. Ainsi l’estimation itérative des termes"diagonaux"
s’applique
encore à toute matriced’échanges
ou de flux.L’optimalité graphique
del’AFC concerne le traitement de toute table de
contingence, qu’elle
soit binaireou
multiple.
Elleindique
que lesreprésentations
simultanées associées visualisentau mieux les intensités relationnelles
impliquées
par de telles données. Cetteoptimalité peut
en fait êtreadaptée
à des besoins dedescription
trèsvariés,
soitpar
pondération
des distances de lareprésentation (cf §.5, [21] et [24]),
soit par référence à d’autres critères(cf [7, 8, 20]
et[29]).
Les distances
factorielles, qui
enrésultent, peuvent
conduire à d’intéressantes classificationshiérarchiques (cf [5])
utiles pour affiner certainesinterprétations (cf [1, 6, 18] et [19]).
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