Soit le système {2x+3y=75x−y=4. Quel tableau rectangulaire résume uniquement les coefficients placés devant les inconnues ?
En extrayant chaque coefficient à sa place respective, on forme la matrice des coefficients (253−1). Les constantes 7 et 4 forment quant à elles le vecteur du second membre.
Définition · 2
Écriture matricielle d'un système linéaire
Tout système linéaire de 3 équations à 3 inconnues se résume en une seule égalité matricielle.
A×X=B
A est la matrice carrée des coefficients, X le vecteur-colonne des inconnues et B le vecteur-colonne des termes constants.
Vocabulaire
Matrice du système — A
Vecteur des inconnues — X
Vecteur des constantes — B
Exemple travaillé · 3
Écris sous la forme matricielle A×X=B le système linéaire suivant : ⎩⎨⎧x+y+z=13x+5y+2z=03x+2y+5z=6
1
On isole les trois inconnues dans le vecteur-colonne X :
2
X=xyz
3
On place les constantes du second membre dans le vecteur-colonne B :
4
B=106
5
On extrait les coefficients de chaque équation pour former les lignes de la matrice A :
6
A=133152125
7
Le système s'écrit alors A×X=B avec ces trois matrices.
Exemple travaillé · 4
Donne l'écriture matricielle A×X=B du système aux inconnues x1,x2,x3 : ⎩⎨⎧2x1+x2=3x1+2x2+x3=2x1+3x2+x3=4
1
Dans la première équation, l'inconnue x3 est absente : son coefficient est donc 0.
2
2x1+1x2+0x3=3
3
On construit la matrice carrée A en plaçant 0 à la première ligne et troisième colonne :
4
A=211123011
5
On complète avec le vecteur des inconnues et le vecteur des constantes :
6
X=x1x2x3etB=324
Piège classique · 5
On considère l'équation 3x−4z=5 comme première ligne d'un système à trois inconnues (x,y,z). Quelle est la première ligne de la matrice A ?
Attention
Écrire (3−40) ou omettre la colonne de y en décalant le coefficient de z.
À la place : Chaque colonne est réservée à une variable fixe : colonne 1 pour x, colonne 2 pour y, colonne 3 pour z. L'absence de y impose le coefficient 0 au milieu : (30−4).
Vérification · 6
Quelle est la matrice A associée au système linéaire suivant ? ⎩⎨⎧x+2z=5−x+4y=03y−z=7
Remarque
Ligne 1 : 1x+0y+2z. Ligne 2 : −1x+4y+0z. Ligne 3 : 0x+3y−1z. Les zéros maintiennent l'alignement strict des colonnes pour (x,y,z).
Point de départ · 7
On considère la matrice carrée A=(3624). Que vaut la quantité 3×4−2×6 ?
Ce calcul donne 12−12=0. Les deux lignes sont proportionnelles, ce qui rend impossible l'inversion de la matrice. Ce nombre déterminant s'appelle le déterminant de la matrice.
Définition · 8
Déterminant d'ordre 2 et condition d'inversibilité
Le déterminant d'une matrice carrée d'ordre 2 se calcule par produit en croix :
det(acbd)=ad−bc
Une matrice carrée est inversible si et seulement si son déterminant est non nul.
det(A)=0
Définition · 9
Déterminant d'ordre 3 par développement
Pour une matrice carrée d'ordre 3, on développe suivant une ligne ou une colonne en affectant à chaque coefficient le signe (−1)i+j :
De même qu'à l'ordre 2, la matrice d'ordre 3 est inversible si et seulement si son déterminant est non nul.
Exemple travaillé · 10
Calcule le déterminant de la matrice M=6−40511222 et précise si M est inversible.
1
On choisit de développer suivant la première colonne pour exploiter le zéro présent sur la troisième ligne.
2
det(M)=61122−(−4)5122+05122
3
On évalue les déterminants d'ordre 2 :
4
6(1×2−2×1)+4(5×2−2×1)=6(0)+4(8)=32
5
Comme det(M)=32=0, la matrice M est inversible.
Piège classique · 11
Dans le développement suivant la première ligne de 247358169, quel signe précède le produit du coefficient 3 par son mineur ?
Attention
Écrire +34769 en conservant un signe positif pour chaque terme.
À la place : Les signes suivent la règle du damier (−1)i+j. En ligne 1 colonne 2, l'exposant 1+2=3 est impair, imposant un signe négatif : −34769.
Vérification · 12
Soit la matrice triangulaire supérieure A=100240352. Quelle est la valeur de det(A) et la matrice est-elle inversible ?
Remarque
Pour une matrice triangulaire, le déterminant est le produit des termes de la diagonale principale : 1×4×2=8. Comme det(A)=0, A est inversible.
Point de départ · 13
Soit la matrice M=(2312) de déterminant det(M)=1. Quelle est la matrice M′ vérifiant M×M′=I2 ?
À l'ordre 2, pour inverser une matrice de déterminant 1, on échange les deux termes diagonaux et on prend l'opposé des deux autres termes : M′=(2−3−12).
Définition · 14
Inverse d'une matrice d'ordre 3 et comatrice
Pour toute matrice carrée A d'ordre 3 telle que det(A)=0, la matrice inverse A−1 s'exprime à l'aide de la transposée de sa comatrice :
A−1=det(A)1t(Com(A))
Chaque coefficient Cij de la comatrice est le cofacteur associé à aij, formé du mineur d'ordre 2 affecté du signe (−1)i+j :
Cij=(−1)i+jdet(Aij)
Exemple travaillé · 15
Détermine la matrice inverse de A=3−11−52−16−21, sachant que det(A)=−1.
1
On calcule les 9 cofacteurs Cij=(−1)i+jdet(Aij) pour construire la comatrice Com(A) :
2
Com(A)=0−1−2−1−30−1−21
3
On transpose la comatrice en transformant ses lignes en colonnes :
4
t(Com(A))=0−1−1−1−3−2−201
5
On multiplie par det(A)1=−11=−1 pour obtenir A−1 :
6
A−1=01113220−1
Exemple travaillé · 16
Détermine la matrice inverse de B=110120301 dont le déterminant vaut 1.
1
Les zéros de la troisième ligne simplifient le calcul des cofacteurs. La comatrice s'écrit :
2
Com(B)=2−1−6−113001
3
On échange les lignes et les colonnes pour former la transposée :
4
t(Com(B))=2−10−110−631
5
Puisque det(B)=1, l'inverse est directement égale à cette transposée :
6
B−1=2−10−110−631
Piège classique · 17
Une matrice A vérifie det(A)=2 et sa comatrice est Com(A)=260420002. Quel est le coefficient situé à la 1ère ligne et 2ème colonne de A−1 ?
Attention
Diviser directement le coefficient C12=4 par det(A)=2 pour obtenir 2, en oubliant la transposition.
À la place : La formule impose la transposée t(Com(A)). Le terme en position (1,2) de l'inverse provient du cofacteur C21=6. Le résultat est donc 26=3.
Vérification · 18
Soit une matrice M telle que det(M)=1 et Com(M)=100210341. Quelle est la matrice inverse M−1 ?
Remarque
Puisque det(M)=1, M−1=t(Com(M)). Les lignes de Com(M) deviennent les colonnes de M−1.
Point de départ · 19
On donne deux matrices carrées A et B d'ordre 3 vérifiant A×B=3I3. Quelle égalité permet d'isoler la matrice unité I3 au second membre ?
En divisant par 3, on obtient A×(31B)=I3. On reconnaît directement la relation A×A−1=I3 sans calcul de déterminant.
Définition · 20
Inversion par relation algébrique ou polynomiale
Si le produit de deux matrices carrées fait apparaître la matrice unité In, l'inversion est immédiate :
A×M=In⟺A−1=M
Plus généralement, si A×B=kIn avec k=0 :
A−1=k1B
De même, lorsqu'une relation polynomiale s'annule, on factorise par la matrice A en associant la matrice unité In à tout terme constant.
Exemple travaillé · 21
On donne les matrices A=133152125 et B=21−9−9−321−312. Sachant que A×B=3I3, déduis-en A−1 puis résous le système A×X=0−75.
1
On isole la matrice identité I3 dans l'égalité donnée :
2
A×(31B)=I3⟹A−1=31B
3
On résout le système directement par produit matriciel sans poser de pivot de Gauss :
4
X=A−10−75=31B0−75
5
On effectue le produit matriciel de B par la colonne des constantes :
Une matrice carrée A vérifie A2−4A+2I3=O3. Quelle est l'expression correcte de son inverse A−1 ?
Attention
Écrire un scalaire seul comme 2−21A ou 4−A en omettant la matrice unité.
À la place : On ne peut pas soustraire un nombre réel à une matrice. La factorisation s'écrit A(4I3−A)=2I3, d'où A−1=21(4I3−A)=2I3−21A.
Vérification · 24
Une matrice carrée B vérifie la relation B2−5B+4I3=O3. Quelle est l'expression de B−1 ?
Remarque
On isole 4I3 : B(5I3−B)=4I3, d'où B×[41(5I3−B)]=I3. L'inverse est donc B−1=41(5I3−B).
Point de départ · 25
Dans un système linéaire A×X=B de 3 équations à 3 inconnues, si l'on souhaite déterminer uniquement la valeur de x, est-il indispensable de calculer tous les coefficients de la matrice inverse A−1 ?
Non, la méthode de Cramer permet de calculer directement la valeur d'une inconnue ciblée grâce à un quotient de deux déterminants, sans avoir à déterminer la matrice inverse complète.
Définition · 26
Système de Cramer et formules de Cramer
Un système linéaire de 3 équations à 3 inconnues d'écriture matricielle A×X=B est appelé un système de Cramer si sa matrice A est inversible :
det(A)=0
Dans ce cas, le système admet une solution unique (x,y,z) donnée par les formules de Cramer :
La matrice Ai est obtenue en remplaçant la i-ième colonne de A par le vecteur-colonne des constantes B.
Exemple travaillé · 27
Résous dans R3 par la méthode de Cramer le système suivant : ⎩⎨⎧x+3y+2z=12x+y+3z=93x+2y+4z=1
1
On évalue le déterminant principal de la matrice des coefficients A :
2
det(A)=123312234=1(4−6)−3(8−9)+2(4−3)=3
3
Comme det(A)=3=0, le système admet une solution unique. On remplace la première colonne par les termes constants pour calculer x :
4
det(A1)=191312234=−67⟹x=3−67=−367
5
On substitue successivement la deuxième colonne puis la troisième colonne pour obtenir y et z :
6
det(A2)=123191234=−16⟹y=−316
7
det(A3)=123312191=59⟹z=359
8
Le système admet pour unique solution le triplet (−367,−316,359).
Piège classique · 28
Un système linéaire de 3 équations à 3 inconnues vérifie det(A)=0. Que peut-on affirmer avec certitude sur ses solutions ?
Attention
Conclure que le système n'admet aucune solution (S=∅) dès que le déterminant s'annule.
À la place : La nullité du déterminant signifie uniquement que le système n'est pas de Cramer : il n'y a pas de solution unique. Si les équations sont compatibles, il admet une infinité de solutions. Il n'est impossible (S=∅) que si les équations sont contradictoires.
Exemple travaillé · 29
On considère le système suivant dont la matrice A vérifie det(A)=0 : ⎩⎨⎧x−y+z=2(L1)2x−y+z=5(L2)−x+y−z=−2(L3) Détermine le nombre de solutions de ce système.
1
La ligne L3 est opposée à la ligne L1 (−1×L1) : elle est redondante et n'apporte aucune nouvelle contrainte.
2
On soustrait L1 à L2 pour éliminer les inconnues y et z :
3
(2x−y+z)−(x−y+z)=5−2⟺x=3
4
On remplace x=3 dans la première équation pour exprimer y en fonction de z :
5
3−y+z=2⟺y=z+1
6
Pour tout réel z, le triplet (3,z+1,z) est solution. Bien que det(A)=0, le système admet une infinité de solutions.
Vérification · 30
À quelle condition nécessaire et suffisante un système carré A×X=B admet-il une solution unique dans R3 ?
Remarque
D'après le théorème de Cramer, le système admet une solution unique si et seulement si la matrice A est inversible, c'est-à-dire si et seulement si det(A)=0.