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Systèmes d'équations linéaires — cours

4ème année (Bac) · section Informatique · mathématiques, programme officiel tunisien.

Le cours

Point de départ · 1

Soit le système {2x+3y=75xy=4\begin{cases} 2x + 3y = 7 \\ 5x - y = 4 \end{cases}. 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 (2351)\begin{pmatrix} 2 & 3 \\ 5 & -1 \end{pmatrix}. Les constantes 77 et 44 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=BA \times X = B

AA est la matrice carrée des coefficients, XX le vecteur-colonne des inconnues et BB 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=BA \times X = B le système linéaire suivant :
{x+y+z=13x+5y+2z=03x+2y+5z=6\begin{cases} x + y + z = 1 \\ 3x + 5y + 2z = 0 \\ 3x + 2y + 5z = 6 \end{cases}

1

On isole les trois inconnues dans le vecteur-colonne XX :

2
X=(xyz)X = \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix}
3

On place les constantes du second membre dans le vecteur-colonne BB :

4
B=(106)B = \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 6 \end{pmatrix}
5

On extrait les coefficients de chaque équation pour former les lignes de la matrice AA :

6
A=(111352325)A = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 \\ 3 & 5 & 2 \\ 3 & 2 & 5 \end{pmatrix}
7

Le système s'écrit alors A×X=BA \times X = B avec ces trois matrices.

Exemple travaillé · 4

Donne l'écriture matricielle A×X=BA \times X = B du système aux inconnues x1,x2,x3x_1, x_2, x_3 :
{2x1+x2=3x1+2x2+x3=2x1+3x2+x3=4\begin{cases} 2x_1 + x_2 = 3 \\ x_1 + 2x_2 + x_3 = 2 \\ x_1 + 3x_2 + x_3 = 4 \end{cases}

1

Dans la première équation, l'inconnue x3x_3 est absente : son coefficient est donc 00.

2
2x1+1x2+0x3=32x_1 + 1x_2 + 0x_3 = 3
3

On construit la matrice carrée AA en plaçant 00 à la première ligne et troisième colonne :

4
A=(210121131)A = \begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 1 & 2 & 1 \\ 1 & 3 & 1 \end{pmatrix}
5

On complète avec le vecteur des inconnues et le vecteur des constantes :

6
X=(x1x2x3)etB=(324)X = \begin{pmatrix} x_1 \\ x_2 \\ x_3 \end{pmatrix} \quad \text{et} \quad B = \begin{pmatrix} 3 \\ 2 \\ 4 \end{pmatrix}

Piège classique · 5

On considère l'équation 3x4z=53x - 4z = 5 comme première ligne d'un système à trois inconnues (x,y,z)(x, y, z). Quelle est la première ligne de la matrice AA ?

Attention

Écrire (340)\begin{pmatrix} 3 & -4 & 0 \end{pmatrix} ou omettre la colonne de yy en décalant le coefficient de zz.

À la place : Chaque colonne est réservée à une variable fixe : colonne 1 pour xx, colonne 2 pour yy, colonne 3 pour zz. L'absence de yy impose le coefficient 00 au milieu : (304)\begin{pmatrix} 3 & 0 & -4 \end{pmatrix}.

Vérification · 6

Quelle est la matrice AA associée au système linéaire suivant ?
{x+2z=5x+4y=03yz=7\begin{cases} x + 2z = 5 \\ -x + 4y = 0 \\ 3y - z = 7 \end{cases}

Remarque

Ligne 1 : 1x+0y+2z1x + 0y + 2z. Ligne 2 : 1x+4y+0z-1x + 4y + 0z. Ligne 3 : 0x+3y1z0x + 3y - 1z. Les zéros maintiennent l'alignement strict des colonnes pour (x,y,z)(x, y, z).

Point de départ · 7

On considère la matrice carrée A=(3264)A = \begin{pmatrix} 3 & 2 \\ 6 & 4 \end{pmatrix}. Que vaut la quantité 3×42×63 \times 4 - 2 \times 6 ?

Ce calcul donne 1212=012 - 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(abcd)=adbc\det \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} = ad - bc

Une matrice carrée est inversible si et seulement si son déterminant est non nul.

det(A)0\det(A) \neq 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(-1)^{i+j} :

det(a1b1c1a2b2c2a3b3c3)=a1b2c2b3c3b1a2c2a3c3+c1a2b2a3b3\det \begin{pmatrix} a_1 & b_1 & c_1 \\ a_2 & b_2 & c_2 \\ a_3 & b_3 & c_3 \end{pmatrix} = a_1 \begin{vmatrix} b_2 & c_2 \\ b_3 & c_3 \end{vmatrix} - b_1 \begin{vmatrix} a_2 & c_2 \\ a_3 & c_3 \end{vmatrix} + c_1 \begin{vmatrix} a_2 & b_2 \\ a_3 & b_3 \end{vmatrix}

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=(652412012)M = \begin{pmatrix} 6 & 5 & 2 \\ -4 & 1 & 2 \\ 0 & 1 & 2 \end{pmatrix} et précise si MM est inversible.

1

On choisit de développer suivant la première colonne pour exploiter le zéro présent sur la troisième ligne.

2
det(M)=61212(4)5212+05212\det(M) = 6 \begin{vmatrix} 1 & 2 \\ 1 & 2 \end{vmatrix} - (-4) \begin{vmatrix} 5 & 2 \\ 1 & 2 \end{vmatrix} + 0 \begin{vmatrix} 5 & 2 \\ 1 & 2 \end{vmatrix}
3

On évalue les déterminants d'ordre 2 :

4
6(1×22×1)+4(5×22×1)=6(0)+4(8)=326(1 \times 2 - 2 \times 1) + 4(5 \times 2 - 2 \times 1) = 6(0) + 4(8) = 32
5

Comme det(M)=320\det(M) = 32 \neq 0, la matrice MM est inversible.

Piège classique · 11

Dans le développement suivant la première ligne de 231456789\begin{vmatrix} 2 & 3 & 1 \\ 4 & 5 & 6 \\ 7 & 8 & 9 \end{vmatrix}, quel signe précède le produit du coefficient 33 par son mineur ?

Attention

Écrire +34679+3 \begin{vmatrix} 4 & 6 \\ 7 & 9 \end{vmatrix} en conservant un signe positif pour chaque terme.

À la place : Les signes suivent la règle du damier (1)i+j(-1)^{i+j}. En ligne 1 colonne 2, l'exposant 1+2=31+2=3 est impair, imposant un signe négatif : 34679-3 \begin{vmatrix} 4 & 6 \\ 7 & 9 \end{vmatrix}.

Vérification · 12

Soit la matrice triangulaire supérieure A=(123045002)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 0 & 4 & 5 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix}. Quelle est la valeur de det(A)\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=81 \times 4 \times 2 = 8. Comme det(A)0\det(A) \neq 0, AA est inversible.

Point de départ · 13

Soit la matrice M=(2132)M = \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 3 & 2 \end{pmatrix} de déterminant det(M)=1\det(M) = 1. Quelle est la matrice MM' vérifiant M×M=I2M \times M' = I_2 ?

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=(2132)M' = \begin{pmatrix} 2 & -1 \\ -3 & 2 \end{pmatrix}.

Définition · 14

Inverse d'une matrice d'ordre 3 et comatrice

Pour toute matrice carrée AA d'ordre 3 telle que det(A)0\det(A) \neq 0, la matrice inverse A1A^{-1} s'exprime à l'aide de la transposée de sa comatrice :

A1=1det(A)t(Com(A))A^{-1} = \frac{1}{\det(A)} {}^t(\text{Com}(A))

Chaque coefficient CijC_{ij} de la comatrice est le cofacteur associé à aija_{ij}, formé du mineur d'ordre 2 affecté du signe (1)i+j(-1)^{i+j} :

Cij=(1)i+jdet(Aij)C_{ij} = (-1)^{i+j} \det(A_{ij})

Exemple travaillé · 15

Détermine la matrice inverse de A=(356122111)A = \begin{pmatrix} 3 & -5 & 6 \\ -1 & 2 & -2 \\ 1 & -1 & 1 \end{pmatrix}, sachant que det(A)=1\det(A) = -1.

1

On calcule les 9 cofacteurs Cij=(1)i+jdet(Aij)C_{ij} = (-1)^{i+j} \det(A_{ij}) pour construire la comatrice Com(A)\text{Com}(A) :

2
Com(A)=(011132201)\text{Com}(A) = \begin{pmatrix} 0 & -1 & -1 \\ -1 & -3 & -2 \\ -2 & 0 & 1 \end{pmatrix}
3

On transpose la comatrice en transformant ses lignes en colonnes :

4
t(Com(A))=(012130121){}^t(\text{Com}(A)) = \begin{pmatrix} 0 & -1 & -2 \\ -1 & -3 & 0 \\ -1 & -2 & 1 \end{pmatrix}
5

On multiplie par 1det(A)=11=1\frac{1}{\det(A)} = \frac{1}{-1} = -1 pour obtenir A1A^{-1} :

6
A1=(012130121)A^{-1} = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 2 \\ 1 & 3 & 0 \\ 1 & 2 & -1 \end{pmatrix}

Exemple travaillé · 16

Détermine la matrice inverse de B=(113120001)B = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 3 \\ 1 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} dont le déterminant vaut 11.

1

Les zéros de la troisième ligne simplifient le calcul des cofacteurs. La comatrice s'écrit :

2
Com(B)=(210110631)\text{Com}(B) = \begin{pmatrix} 2 & -1 & 0 \\ -1 & 1 & 0 \\ -6 & 3 & 1 \end{pmatrix}
3

On échange les lignes et les colonnes pour former la transposée :

4
t(Com(B))=(216113001){}^t(\text{Com}(B)) = \begin{pmatrix} 2 & -1 & -6 \\ -1 & 1 & 3 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}
5

Puisque det(B)=1\det(B) = 1, l'inverse est directement égale à cette transposée :

6
B1=(216113001)B^{-1} = \begin{pmatrix} 2 & -1 & -6 \\ -1 & 1 & 3 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}

Piège classique · 17

Une matrice AA vérifie det(A)=2\det(A) = 2 et sa comatrice est Com(A)=(240620002)\text{Com}(A) = \begin{pmatrix} 2 & 4 & 0 \\ 6 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix}. Quel est le coefficient situé à la 1ère ligne et 2ème colonne de A1A^{-1} ?

Attention

Diviser directement le coefficient C12=4C_{12} = 4 par det(A)=2\det(A) = 2 pour obtenir 22, en oubliant la transposition.

À la place : La formule impose la transposée t(Com(A)){}^t(\text{Com}(A)). Le terme en position (1,2)(1,2) de l'inverse provient du cofacteur C21=6C_{21} = 6. Le résultat est donc 62=3\frac{6}{2} = 3.

Vérification · 18

Soit une matrice MM telle que det(M)=1\det(M) = 1 et Com(M)=(123014001)\text{Com}(M) = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 0 & 1 & 4 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}. Quelle est la matrice inverse M1M^{-1} ?

Remarque

Puisque det(M)=1\det(M) = 1, M1=t(Com(M))M^{-1} = {}^t(\text{Com}(M)). Les lignes de Com(M)\text{Com}(M) deviennent les colonnes de M1M^{-1}.

Point de départ · 19

On donne deux matrices carrées AA et BB d'ordre 3 vérifiant A×B=3I3A \times B = 3 I_3. Quelle égalité permet d'isoler la matrice unité I3I_3 au second membre ?

En divisant par 33, on obtient A×(13B)=I3A \times \left(\frac{1}{3} B\right) = I_3. On reconnaît directement la relation A×A1=I3A \times A^{-1} = I_3 sans calcul de déterminant.

Définition · 20

Inversion par relation algébrique ou polynomiale

Si le produit de deux matrices carrées fait apparaître la matrice unité InI_n, l'inversion est immédiate :

A×M=In    A1=MA \times M = I_n \iff A^{-1} = M

Plus généralement, si A×B=kInA \times B = k I_n avec k0k \neq 0 :

A1=1kBA^{-1} = \frac{1}{k} B

De même, lorsqu'une relation polynomiale s'annule, on factorise par la matrice AA en associant la matrice unité InI_n à tout terme constant.

Exemple travaillé · 21

On donne les matrices A=(111352325)A = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 \\ 3 & 5 & 2 \\ 3 & 2 & 5 \end{pmatrix} et B=(2133921912)B = \begin{pmatrix} 21 & -3 & -3 \\ -9 & 2 & 1 \\ -9 & 1 & 2 \end{pmatrix}.
Sachant que A×B=3I3A \times B = 3 I_3, déduis-en A1A^{-1} puis résous le système A×X=(075)A \times X = \begin{pmatrix} 0 \\ -7 \\ 5 \end{pmatrix}.

1

On isole la matrice identité I3I_3 dans l'égalité donnée :

2
A×(13B)=I3    A1=13BA \times \left(\frac{1}{3} B\right) = I_3 \implies A^{-1} = \frac{1}{3} B
3

On résout le système directement par produit matriciel sans poser de pivot de Gauss :

4
X=A1(075)=13B(075)X = A^{-1} \begin{pmatrix} 0 \\ -7 \\ 5 \end{pmatrix} = \frac{1}{3} B \begin{pmatrix} 0 \\ -7 \\ 5 \end{pmatrix}
5

On effectue le produit matriciel de BB par la colonne des constantes :

6
B(075)=(21(0)3(7)3(5)9(0)+2(7)+1(5)9(0)+1(7)+2(5))=(693)B \begin{pmatrix} 0 \\ -7 \\ 5 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 21(0) - 3(-7) - 3(5) \\ -9(0) + 2(-7) + 1(5) \\ -9(0) + 1(-7) + 2(5) \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 6 \\ -9 \\ 3 \end{pmatrix}
7

On multiplie par le scalaire 13\frac{1}{3} pour conclure :

8
X=13(693)=(231)X = \frac{1}{3} \begin{pmatrix} 6 \\ -9 \\ 3 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 2 \\ -3 \\ 1 \end{pmatrix}

Exemple travaillé · 22

Soit la matrice M=(111221212)M = \begin{pmatrix} 1 & -1 & 1 \\ 2 & -2 & 1 \\ -2 & 1 & -2 \end{pmatrix} vérifiant M2+2M=I3M^2 + 2M = -I_3. Démontre que MM est inversible et détermine M1M^{-1}.

1

On factorise par MM au premier membre en associant I3I_3 au coefficient 22 :

2
M(M+2I3)=I3M(M + 2I_3) = -I_3
3

On absorbe le signe négatif pour faire apparaître I3I_3 seul au second membre :

4
M(M2I3)=I3M(-M - 2I_3) = I_3
5

La matrice MM est donc inversible et son inverse est donnée par :

6
M1=M2I3M^{-1} = -M - 2I_3
7

On explicite les coefficients de la matrice inverse :

8
M1=(111221212)(200020002)=(311201210)M^{-1} = -\begin{pmatrix} 1 & -1 & 1 \\ 2 & -2 & 1 \\ -2 & 1 & -2 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 2 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -3 & 1 & -1 \\ -2 & 0 & -1 \\ 2 & -1 & 0 \end{pmatrix}

Piège classique · 23

Une matrice carrée AA vérifie A24A+2I3=O3A^2 - 4A + 2I_3 = O_3. Quelle est l'expression correcte de son inverse A1A^{-1} ?

Attention

Écrire un scalaire seul comme 212A2 - \frac{1}{2}A ou 4A4 - 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(4I3A)=2I3A(4I_3 - A) = 2I_3, d'où A1=12(4I3A)=2I312AA^{-1} = \frac{1}{2}(4I_3 - A) = 2I_3 - \frac{1}{2}A.

Vérification · 24

Une matrice carrée BB vérifie la relation B25B+4I3=O3B^2 - 5B + 4I_3 = O_3. Quelle est l'expression de B1B^{-1} ?

Remarque

On isole 4I34I_3 : B(5I3B)=4I3B(5I_3 - B) = 4I_3, d'où B×[14(5I3B)]=I3B \times \left[\frac{1}{4}(5I_3 - B)\right] = I_3. L'inverse est donc B1=14(5I3B)B^{-1} = \frac{1}{4}(5I_3 - B).

Point de départ · 25

Dans un système linéaire A×X=BA \times X = B de 3 équations à 3 inconnues, si l'on souhaite déterminer uniquement la valeur de xx, est-il indispensable de calculer tous les coefficients de la matrice inverse A1A^{-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=BA \times X = B est appelé un système de Cramer si sa matrice AA est inversible :

det(A)0\det(A) \neq 0

Dans ce cas, le système admet une solution unique (x,y,z)(x, y, z) donnée par les formules de Cramer :

x=det(A1)det(A);y=det(A2)det(A);z=det(A3)det(A)x = \frac{\det(A_1)}{\det(A)} \quad ; \quad y = \frac{\det(A_2)}{\det(A)} \quad ; \quad z = \frac{\det(A_3)}{\det(A)}

La matrice AiA_i est obtenue en remplaçant la ii-ième colonne de AA par le vecteur-colonne des constantes BB.

Exemple travaillé · 27

Résous dans R3\mathbb{R}^3 par la méthode de Cramer le système suivant :
{x+3y+2z=12x+y+3z=93x+2y+4z=1\begin{cases} x + 3y + 2z = 1 \\ 2x + y + 3z = 9 \\ 3x + 2y + 4z = 1 \end{cases}

1

On évalue le déterminant principal de la matrice des coefficients AA :

2
det(A)=132213324=1(46)3(89)+2(43)=3\det(A) = \begin{vmatrix} 1 & 3 & 2 \\ 2 & 1 & 3 \\ 3 & 2 & 4 \end{vmatrix} = 1(4 - 6) - 3(8 - 9) + 2(4 - 3) = 3
3

Comme det(A)=30\det(A) = 3 \neq 0, le système admet une solution unique. On remplace la première colonne par les termes constants pour calculer xx :

4
det(A1)=132913124=67    x=673=673\det(A_1) = \begin{vmatrix} 1 & 3 & 2 \\ 9 & 1 & 3 \\ 1 & 2 & 4 \end{vmatrix} = -67 \implies x = \frac{-67}{3} = -\frac{67}{3}
5

On substitue successivement la deuxième colonne puis la troisième colonne pour obtenir yy et zz :

6
det(A2)=112293314=16    y=163\det(A_2) = \begin{vmatrix} 1 & 1 & 2 \\ 2 & 9 & 3 \\ 3 & 1 & 4 \end{vmatrix} = -16 \implies y = -\frac{16}{3}
7
det(A3)=131219321=59    z=593\det(A_3) = \begin{vmatrix} 1 & 3 & 1 \\ 2 & 1 & 9 \\ 3 & 2 & 1 \end{vmatrix} = 59 \implies z = \frac{59}{3}
8

Le système admet pour unique solution le triplet (673,163,593)\left(-\frac{67}{3}, -\frac{16}{3}, \frac{59}{3}\right).

Piège classique · 28

Un système linéaire de 3 équations à 3 inconnues vérifie det(A)=0\det(A) = 0. Que peut-on affirmer avec certitude sur ses solutions ?

Attention

Conclure que le système n'admet aucune solution (S=S = \emptyset) 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=S = \emptyset) que si les équations sont contradictoires.

Exemple travaillé · 29

On considère le système suivant dont la matrice AA vérifie det(A)=0\det(A) = 0 :
{xy+z=2(L1)2xy+z=5(L2)x+yz=2(L3)\begin{cases} x - y + z = 2 \quad (L_1) \\ 2x - y + z = 5 \quad (L_2) \\ -x + y - z = -2 \quad (L_3) \end{cases}
Détermine le nombre de solutions de ce système.

1

La ligne L3L_3 est opposée à la ligne L1L_1 (1×L1-1 \times L_1) : elle est redondante et n'apporte aucune nouvelle contrainte.

2

On soustrait L1L_1 à L2L_2 pour éliminer les inconnues yy et zz :

3
(2xy+z)(xy+z)=52    x=3(2x - y + z) - (x - y + z) = 5 - 2 \iff x = 3
4

On remplace x=3x = 3 dans la première équation pour exprimer yy en fonction de zz :

5
3y+z=2    y=z+13 - y + z = 2 \iff y = z + 1
6

Pour tout réel zz, le triplet (3,z+1,z)(3, z + 1, z) est solution. Bien que det(A)=0\det(A) = 0, le système admet une infinité de solutions.

Vérification · 30

À quelle condition nécessaire et suffisante un système carré A×X=BA \times X = B admet-il une solution unique dans R3\mathbb{R}^3 ?

Remarque

D'après le théorème de Cramer, le système admet une solution unique si et seulement si la matrice AA est inversible, c'est-à-dire si et seulement si det(A)0\det(A) \neq 0.

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