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Systèmes de deux équations à deux inconnues — cours

1ère année · section Tronc commun · mathématiques, programme officiel tunisien.

Le cours

Point de départ · 1

L'équation x+y=6x + y = 6 admet-elle une seule valeur comme solution ?

Remarque

Une solution d'une équation à deux inconnues n'est pas un nombre seul, mais un couple de réels (x;y)(x ; y). Il existe une infinité de couples solutions, par exemple (1;5)(1 ; 5), (2;4)(2 ; 4) ou (0;6)(0 ; 6).

Définition · 2

Équation linéaire à deux inconnues

ax+by=cavec (a;b)(0;0)ax + by = c \quad \text{avec } (a ; b) \neq (0 ; 0)

Un couple de réels (x0;y0)(x_0 ; y_0) est solution si l'égalité ax0+by0=ca x_0 + b y_0 = c est vérifiée.

M(x;y)D    ax+by=cM(x ; y) \in D \iff ax + by = c

Dans un repère (O,I,J)(O, I, J), l'ensemble des points dont les coordonnées vérifient cette équation est une droite affine.

Exemple travaillé · 3

Soit l'équation 2xy=32x - y = 3.
1. Le couple (2;1)(2 ; 1) est-il solution ?
2. Déterminer yy si x=0x = 0.

1

Pour (2;1)(2 ; 1) : on remplace xx par 22 et yy par 11.

2
2(2)1=41=32(2) - 1 = 4 - 1 = 3
3

L'égalité est vérifiée, donc (2;1)(2 ; 1) est une solution.

4

Pour x=0x = 0 : on remplace xx par 00 dans l'équation.

5
2(0)y=3    y=3    y=32(0) - y = 3 \iff -y = 3 \iff y = -3
6

Le couple (0;3)(0 ; -3) est donc une solution.

Piège classique · 4

Soit l'équation 2x+y=52x + y = 5. Le couple (1;3)(1 ; 3) est-il solution ?

Attention

Inverser l'ordre des coordonnées en calculant 2(3)+1=752(3) + 1 = 7 \neq 5 pour conclure que le couple n'est pas solution.

À la place : Dans le couple (1;3)(1 ; 3), la première valeur est x=1x = 1 et la seconde est y=3y = 3. On calcule 2(1)+3=52(1) + 3 = 5 : l'égalité est vérifiée, le couple est bien solution.

Vérification · 5

Déterminer la valeur de tt pour que le couple (t;1)(t ; 1) soit solution de l'équation 3x2y=43x - 2y = 4.

Remarque

On remplace xx par tt et yy par 11 : 3t2(1)=4    3t2=4    3t=6    t=23t - 2(1) = 4 \iff 3t - 2 = 4 \iff 3t = 6 \iff t = 2.

Point de départ · 6

Trouver un couple (x;y)(x ; y) qui vérifie simultanément x+y=3x + y = 3 et xy=1x - y = 1.

Remarque

Pour x=2x = 2 et y=1y = 1 : 2+1=32 + 1 = 3 et 21=12 - 1 = 1. Le couple (2;1)(2 ; 1) est l'unique solution commune aux deux équations.

Définition · 7

Système de deux équations à deux inconnues

{ax+by=cax+by=c\begin{cases} ax + by = c \\ a'x + b'y = c' \end{cases}

Résoudre dans R2\mathbb{R}^2, c'est trouver les couples (x;y)(x ; y) vérifiant les deux équations simultanément.

Interprétation géométrique et déterminant

Δ=abab\Delta = ab' - a'b

Soient D:ax+by=cD : ax + by = c et D:ax+by=cD' : a'x + b'y = c' les droites associées :

Δ0    D et D seˊcantes en I(x0;y0)    SR2={(x0;y0)}\Delta \neq 0 \iff D \text{ et } D' \text{ sécantes en } I(x_0 ; y_0) \iff S_{\mathbb{R}^2} = \{(x_0 ; y_0)\}

Δ=0 et DD disjointes    SR2=\Delta = 0 \text{ et } D \parallel D' \text{ disjointes} \iff S_{\mathbb{R}^2} = \emptyset

Δ=0 et D=D confondues    infiniteˊ de solutions\Delta = 0 \text{ et } D = D' \text{ confondues} \iff \text{infinité de solutions}

Exemple travaillé · 8

Résoudre graphiquement dans R2\mathbb{R}^2 le système :

{2xy=2x+y=2\begin{cases} 2x - y = -2 \\ x + y = 2 \end{cases}

1

Écrire chaque équation sous forme réduite :

2
{y=2x+2(D1)y=x+2(D2)\begin{cases} y = 2x + 2 \quad (D_1) \\ y = -x + 2 \quad (D_2) \end{cases}
3

Tracer les deux droites dans un repère (O,I,J)(O, I, J) :

4

Lire les coordonnées du point d'intersection I(0;2)I(0 ; 2).

5
SR2={(0;2)}S_{\mathbb{R}^2} = \{(0 ; 2)\}

Piège classique · 9

Après combinaison, un système aboutit à 0x+0y=50x + 0y = 5. Quel est son ensemble de solutions ?

Attention

Conclure que x=0x = 0 et y=0y = 0 en écrivant SR2={(0;0)}S_{\mathbb{R}^2} = \{(0 ; 0)\}.

À la place : L'égalité 0=50 = 5 est fausse pour tous xx et yy. Le système est impossible : SR2=S_{\mathbb{R}^2} = \emptyset (les droites associées sont strictement parallèles).

Vérification · 10

Deux droites ont le même coefficient directeur et des ordonnées à l'origine distinctes. Combien de solutions le système associé admet-il ?

Remarque

Deux droites de même pente et d'ordonnées à l'origine distinctes sont strictement parallèles : elles n'ont aucun point d'intersection, donc SR2=S_{\mathbb{R}^2} = \emptyset.

Point de départ · 11

La lecture graphique suffit-elle toujours pour résoudre un système ?

Remarque

Si le point d'intersection a des coordonnées fractionnaires comme (43;13)(\frac{4}{3} ; -\frac{1}{3}), la lecture sur le graphique est imprécise. Les méthodes algébriques permettent de calculer les valeurs exactes.

Définition · 12

Méthodes algébriques de résolution

1. Méthode par substitution : on exprime une inconnue en fonction de l'autre dans une équation, puis on la remplace dans la seconde.

2. Méthode par combinaison linéaire (addition) : on multiplie les équations pour rendre opposés les coefficients d'une même inconnue, puis on additionne membre à membre.

Exemple travaillé · 13

Résoudre dans R2\mathbb{R}^2 par substitution :

{x2y=3(E1)4x+5y=12(E2)\begin{cases} x - 2y = 3 \quad (E_1) \\ 4x + 5y = 12 \quad (E_2) \end{cases}

1

Exprimer xx en fonction de yy dans (E1)(E_1) :

2
x=2y+3x = 2y + 3
3

Remplacer xx dans (E2)(E_2) :

4
4(2y+3)+5y=12    8y+12+5y=12    13y=0    y=04(2y + 3) + 5y = 12 \iff 8y + 12 + 5y = 12 \iff 13y = 0 \iff y = 0
5

Calculer xx :

6
x=2(0)+3=3x = 2(0) + 3 = 3
7
SR2={(3;0)}S_{\mathbb{R}^2} = \{(3 ; 0)\}

Exemple travaillé · 14

Résoudre dans R2\mathbb{R}^2 par combinaison linéaire :

{3x+2y=7(E1)5x2y=1(E2)\begin{cases} 3x + 2y = 7 \quad (E_1) \\ 5x - 2y = 1 \quad (E_2) \end{cases}

1

Les coefficients de yy sont directement opposés (+2+2 et 2-2). On additionne (E1)(E_1) et (E2)(E_2) membre à membre :

2
(3x+2y)+(5x2y)=7+1    8x=8    x=1(3x + 2y) + (5x - 2y) = 7 + 1 \iff 8x = 8 \iff x = 1
3

Remplacer x=1x = 1 dans (E1)(E_1) :

4
3(1)+2y=7    2y=4    y=23(1) + 2y = 7 \iff 2y = 4 \iff y = 2
5
SR2={(1;2)}S_{\mathbb{R}^2} = \{(1 ; 2)\}

Piège classique · 15

Dans {3x+y=52x3y=7\begin{cases} 3x + y = 5 \\ 2x - 3y = 7 \end{cases}, on isole y=53xy = 5 - 3x. Quelle est l'équation obtenue après remplacement dans la deuxième ?

Attention

Écrire 2x159x=72x - 15 - 9x = 7 en oubliant la règle des signes lors de la distribution de 3-3.

À la place : On distribue 3-3 à chaque terme : 3×(5)=15-3 \times (5) = -15 et 3×(3x)=+9x-3 \times (-3x) = +9x, ce qui donne 2x15+9x=72x - 15 + 9x = 7.

Vérification · 16

On additionne membre à membre les équations de {2x+3y=85x3y=6\begin{cases} 2x + 3y = 8 \\ 5x - 3y = 6 \end{cases}. Trouver la valeur de xx.

Remarque

Par addition membre à membre : (2x+5x)+(3y3y)=8+6    7x=14    x=2(2x + 5x) + (3y - 3y) = 8 + 6 \iff 7x = 14 \iff x = 2.

Point de départ · 17

Le système {2x+y=4x4y=12\begin{cases} 2|x| + y = 4 \\ -|x| - 4y = 12 \end{cases} est-il linéaire en xx et yy ?

Remarque

La valeur absolue x|x| empêche le système d'être directement linéaire. En posant la variable auxiliaire X=x0X = |x| \geq 0, on obtient un système linéaire simple en XX et yy.

Définition · 18

Systèmes réductibles au premier degré

1. Changement de variable : poser des variables auxiliaires (X=xX = |x|, Y=yY = |y| ou X=x2X = x^2) avec la contrainte X0X \geq 0.

x2y2=(xy)(x+y)x^2 - y^2 = (x - y)(x + y)

2. Factorisation : transformer une différence de carrés en produit pour se ramener à un système linéaire de type somme-différence.

Exemple travaillé · 19

Résoudre dans R2\mathbb{R}^2 le système :

{2x+y=43xy=1\begin{cases} 2|x| + |y| = 4 \\ 3|x| - |y| = 1 \end{cases}

1

Poser X=x0X = |x| \geq 0 et Y=y0Y = |y| \geq 0 :

2
{2X+Y=43XY=1\begin{cases} 2X + Y = 4 \\ 3X - Y = 1 \end{cases}
3

Par addition membre à membre : 5X=5    X=15X = 5 \iff X = 1, puis Y=42(1)=2Y = 4 - 2(1) = 2.

4

Retour aux inconnues initiales :

5
x=1    x{1;1}ety=2    y{2;2}|x| = 1 \iff x \in \{-1 ; 1\} \quad \text{et} \quad |y| = 2 \iff y \in \{-2 ; 2\}
6
SR2={(1;2);(1;2);(1;2);(1;2)}S_{\mathbb{R}^2} = \{(1 ; 2) ; (1 ; -2) ; (-1 ; 2) ; (-1 ; -2)\}

Exemple travaillé · 20

Résoudre dans R2\mathbb{R}^2 le système :

{x+y=6x2y2=24\begin{cases} x + y = -6 \\ x^2 - y^2 = 24 \end{cases}

1

Factoriser la deuxième équation :

2
(xy)(x+y)=24(x - y)(x + y) = 24
3

Remplacer (x+y)(x + y) par 6-6 :

4
(xy)(6)=24    xy=4(x - y)(-6) = 24 \iff x - y = -4
5

Résoudre le système linéaire somme-différence :

6
{x+y=6xy=4    2x=10    x=5,y=1\begin{cases} x + y = -6 \\ x - y = -4 \end{cases} \implies 2x = -10 \iff x = -5, \quad y = -1
7
SR2={(5;1)}S_{\mathbb{R}^2} = \{(-5 ; -1)\}

Piège classique · 21

Si un système en variables auxiliaires X=xX = |x| et Y=yY = |y| donne pour solution unique X=3X = 3 et Y=5Y = 5, combien de couples (x;y)(x ; y) sont solutions du système initial ?

Attention

Ne retenir que l'unique couple (3;5)(3 ; 5) en oubliant les solutions négatives de x=3|x| = 3 et y=5|y| = 5.

À la place : x=3    x{3;3}|x| = 3 \iff x \in \{-3 ; 3\} et y=5    y{5;5}|y| = 5 \iff y \in \{-5 ; 5\}. En combinant tous les signes, on obtient 4 couples solutions : (3;5)(3 ; 5), (3;5)(3 ; -5), (3;5)(-3 ; 5) et (3;5)(-3 ; -5).

Vérification · 22

Pour résoudre {x2+y=52x24y=14\begin{cases} x^2 + y = -5 \\ 2x^2 - 4y = 14 \end{cases}, on pose T=x2T = x^2. La résolution donne T=1T = -1 et y=4y = -4. Que vaut SR2S_{\mathbb{R}^2} ?

Remarque

Pour tout réel xx, on a x20x^2 \geq 0. L'égalité x2=1x^2 = -1 est impossible dans R\mathbb{R}, donc le système n'a aucune solution réelle : SR2=S_{\mathbb{R}^2} = \emptyset.

Point de départ · 23

Au marché, 2 cahiers et 3 stylos coûtent 7 D. 3 cahiers et 1 stylo coûtent 7 D. Comment déterminer le prix d'un cahier et d'un stylo ?

Remarque

On pose xx le prix d'un cahier et yy le prix d'un stylo. La situation se traduit par le système {2x+3y=73x+y=7\begin{cases} 2x + 3y = 7 \\ 3x + y = 7 \end{cases}.

Définition · 24

Étapes de résolution d'un problème

1. Choix des inconnues : nommer précisément les grandeurs cherchées (xx et yy) avec leurs unités.

2. Mise en équations : traduire chaque condition du texte par une équation linéaire.

3. Résolution : résoudre le système obtenu par substitution ou combinaison.

4. Conclusion et validation : énoncer les résultats et vérifier qu'ils ont un sens réel (x>0x > 0, entiers si dénombrement).

Exemple travaillé · 25

Pierre achète 3 cafés et 2 chocolats pour 42 D. Paul achète 2 cafés et 4 chocolats pour 56 D. Déterminer le prix d'un café et d'un chocolat.

1

Soit xx le prix d'un café et yy le prix d'un chocolat (en dinars) :

2
{3x+2y=42(1)2x+4y=56(2)\begin{cases} 3x + 2y = 42 \quad (1) \\ 2x + 4y = 56 \quad (2) \end{cases}
3

Simplifier l'équation (2) par 2 : x+2y=28    x=282yx + 2y = 28 \iff x = 28 - 2y.

4

Remplacer xx dans (1) :

5
3(282y)+2y=42    844y=42    4y=42    y=10,53(28 - 2y) + 2y = 42 \iff 84 - 4y = 42 \iff 4y = 42 \iff y = 10{,}5
6

Calculer xx :

7
x=282(10,5)=2821=7x = 28 - 2(10{,}5) = 28 - 21 = 7
8

Un café coûte 7 D et un chocolat coûte 10,5 D.

Piège classique · 26

Le groupe A compte xx élèves et le groupe B compte yy élèves. Si 3 élèves passent du groupe A au groupe B, les deux groupes ont le même effectif. Quelle équation traduit cette information ?

Attention

N'ajuster qu'une seule variable en écrivant x=y+3x = y + 3 ou x3=yx - 3 = y.

À la place : Le transfert est bilatéral : le groupe A perd 3 élèves (x3x - 3) et le groupe B gagne 3 élèves (y+3y + 3), d'où x3=y+3x - 3 = y + 3.

Exemple travaillé · 27

Deux groupes A et B comptent xx et yy élèves.
- Si 3 élèves passent de A à B, les effectifs deviennent égaux.
- Si 3 élèves passent de B à A, l'effectif de A est le double de celui de B.
Déterminer xx et yy.

1

Mise en équations des deux échanges :

2
{x3=y+3x+3=2(y3)    {xy=6(1)x2y=9(2)\begin{cases} x - 3 = y + 3 \\ x + 3 = 2(y - 3) \end{cases} \iff \begin{cases} x - y = 6 \quad (1) \\ x - 2y = -9 \quad (2) \end{cases}
3

Soustraire (2) de (1) :

4
(xy)(x2y)=6(9)    y=15(x - y) - (x - 2y) = 6 - (-9) \iff y = 15
5

Calculer xx :

6
x=15+6=21x = 15 + 6 = 21
7

Le groupe A compte 21 élèves et le groupe B compte 15 élèves.

Vérification · 28

Un terrain rectangulaire a un périmètre de 750 m. La longueur yy mesure 15 m de plus que la largeur xx. Quel système modélise cette situation ?

Remarque

Le périmètre s'écrit 2x+2y=7502x + 2y = 750. La relation de longueur s'écrit y=x+15y = x + 15.

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