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Chapitre 128 minIntermédiaire

Aide-mémoire du calcul matriciel

Par Josselyn C., prof de BTS SIO. Mis à jour le .

À la fin de ce chapitre, tu sauras

  • retrouver en un coup d'œil une règle, une formule ou une touche ;
  • éviter les erreurs qui coûtent le plus de points.

Cet aide-mémoire rassemble sur une page les définitions, les règles de calcul, les méthodes et les touches de calculatrice du calcul matriciel au programme de l'E3 du BTS SIO, puis les erreurs qui coûtent le plus de points. Chaque ligne renvoie au chapitre qui l'explique.

Vocabulaire

NotionÀ retenir
Dimensions m × nm lignes, n colonnes ; lignes d'abord
Coefficient aᵢⱼligne i, colonne j ; A[i-1][j-1] en Python
Matrice carrée d'ordre nn × n
Matrice nulle Oque des 0 ; neutre pour l'addition
Matrice identité Iₙcarrée, 1 sur la diagonale, 0 ailleurs ; neutre pour le produit
Égalitémêmes dimensions et mêmes coefficients, place par place

Détails : chapitre 1.

Les opérations

OpérationConditionRègleDimensions du résultat
A + B, A − Bmêmes dimensionscase par casecelles de A
kAaucunechaque coefficient × kcelles de A
A × Bcolonnes de A = lignes de Bcᵢⱼ = aᵢ₁b₁ⱼ + … + aᵢₚbₚⱼ(m × p)(p × n) → m × n
AⁿA carréeA × A × … × A, A⁰ = Icelles de A
A ⊕ Bmêmes dimensionscase par case, 1 ⊕ 1 = 1celles de A
A ⊗ Bcolonnes de A = lignes de B1 dès qu'un k vérifie aᵢₖ = bₖⱼ = 1m × n

Détails : chapitres 2, 3, 4 et 9.

Les propriétés du produit

  • AB ≠ BA en général ; BA peut ne pas exister.
  • (AB)C = A(BC) ; A(B + C) = AB + AC ; (kA)B = k(AB).
  • Iₘ × A = A × Iₙ = A.
  • AB = O n'entraîne pas A = O ou B = O ; AB = AC n'entraîne pas B = C.
  • (A + B)² = A² + AB + BA + B².
  • Matrice diagonale : Dⁿ = diagonale des puissances n-ièmes.
  • Si Xₙ₊₁ = AXₙ, alors Xₙ = AⁿX₀.

L'inverse et les systèmes

QuestionMéthode
Montrer que B = A⁻¹calculer A × B et trouver I (chapitre 5)
A × C = kI (k ≠ 0)alors A⁻¹ = (1/k) C
Relation A² + αA + βI = O, avec β ≠ 0A × (A + αI) = −βI, donc A⁻¹ = −(1/β)(A + αI)
Inverse d'ordre 2[ a b ; c d ]⁻¹ = 1/(ad − bc) × [ d -b ; -c a ] si ad − bc ≠ 0, puis vérifier
Inverse d'ordre 3 ou pluscalculatrice (chapitre 7)
Système AX = BX = A⁻¹B, A⁻¹ à gauche (chapitre 6)

Hors programme : déterminant (la notion n'est pas au programme), déterminant 3 × 3, comatrice, pivot de Gauss, formules de Cramer, théorie des chaînes de Markov (un processus aléatoire peut servir d'exemple, avec la méthode donnée).

Une question, une méthode

La question dit…Ce que tu écris
« Calculer A × B »Les dimensions (m × p)(p × n), puis chaque coefficient « ligne i × colonne j = … », puis la matrice complète
« Interpréter le coefficient de la ligne i, colonne j »Une phrase qui reprend l'intitulé de la ligne i, celui de la colonne j et l'unité : « le coût, en euros, de la commande de la Comptabilité chez le fournisseur 2 »
« Déterminer t pour que… »Le coefficient concerné en fonction de t, l'équation, sa résolution, la conclusion dans le contexte
« Calculer A², A³, conjecturer Aⁿ »A² et A³ posés, la régularité repérée (puissances, suite arithmétique), la formule, une vérification sur un rang de plus à la calculatrice
« Exprimer Xₙ en fonction de X₀ »Xₙ₊₁ = AXₙ, donc Xₙ = AⁿX₀ ; puis le calcul de Aⁿ à la calculatrice
« Montrer que B est l'inverse de A »Le produit A × B (posé en ordre 2, à la calculatrice au-delà), le résultat I, la phrase « donc B = A⁻¹ »
« En déduire que A est inversible » (après une relation)La relation réécrite sous la forme A × (…) = kI, puis A⁻¹ = (1/k)(…)
« Résoudre le système »A, X, B écrits ; X = A⁻¹B, à la main en ordre 2 ou « à l'aide de la calculatrice » ; vérification dans une équation ; conclusion
« Combien de chemins de longueur p ? »Le coefficient (i, j) de Mᵖ, avec la ligne et la colonne nommées ; les chemins écrits si on te les demande
« Calculer le produit booléen »Les dimensions, chaque case « 1 dès qu'un k convient », l'interprétation « il existe »
« Chiffrer par Hill »Les paires, les rangs, K × X, la réduction modulo 26 écrite sous la forme 59 = 2 × 26 + 7, les lettres

Hill et modulo 26

  • Lettres numérotées de A = 0 à Z = 25 ; paires complétées par X si besoin.
  • Chiffrer : Y ≡ K × X [26] ; déchiffrer : X ≡ K' × Y [26] avec K' × K ≡ I₂ [26].
  • Clé valable si ad − bc est premier avec 26 (impair et non multiple de 13).

Détails : chapitre 10.

Les touches de calculatrice

ActionTI-83 Premium CE Edition PythonCasio Graph 90+E
Éditer une matrice[2nde] [x⁻¹] (matrice), onglet EDITmenu Exe-Mat, [F3] (MAT/VCT), [F3] (DIM)
Insérer son nom[2nde] [x⁻¹], onglet NOMS[OPTN] [F2] [F1] (Mat), [ALPHA] lettre
Inverse[A] [x⁻¹]Mat A [SHIFT] [)] (x⁻¹)
Puissance[A] ^ nMat A ^ n
Système AX = B[A] [x⁻¹] × [B]Mat A x⁻¹ × Mat B
Fractions[math], ►Fracconversion à la main
Mode examenéteinte : [annul] + [entrer] + [on]éteinte : [COS] + [7] + [AC/ON]

Sur la Graph Math+ : application Calculs, onglet des matrices, et le catalogue (catégorie Matrice) pour l'inverse et l'identité ; mode examen par le menu Mode examen.

Sur la NumWorks : application Calculs, matrice tapée entre crochets [[2,1][1,3]] ou insérée par [toolbox], Matrices et vecteurs ; rangement par → A ; inverse A^(-1) ; système A^(-1) × B ; mode examen par Paramètres, Mode examen.

Python

BesoinCode
Matrice 2 × 3Q = [[2, 3, 1], [4, 2, 5]]
Dimensionslen(A), len(A[0])
Coefficient aᵢⱼA[i - 1][j - 1]
Identité[[1 if i == j else 0 for j in range(n)] for i in range(n)]
Produittrois boucles : C[i][j] = C[i][j] + A[i][k] * B[k][j]
Fractions exactesfrom fractions import Fraction
Produit booléen1 if any(A[i][k] and B[k][j] for k in range(p)) else 0

Détails : chapitre 8.

Les erreurs qui coûtent le plus de points

ErreurCe qu'il faut faire
Inverser lignes et colonnes (3 × 2 au lieu de 2 × 3)Toujours les lignes d'abord
Multiplier case par caseLe produit se fait ligne par colonne
A² = carrés des coefficientsA² = A × A, ligne par colonne (sauf matrice diagonale)
Écrire BA⁻¹ pour résoudre AX = BX = A⁻¹B
« A − 5 » au lieu de A − 5IOn ne soustrait pas un nombre à une matrice
Diviser par une matriceMultiplier par son inverse, du bon côté
Répondre à « montrer que B = A⁻¹ » en inversant A à la machineCalculer A × B (à la main en ordre 2, à la calculatrice au-delà) et trouver I
Recopier 0,333 au lieu de 1/3Valeurs exactes, en fractions
Signe moins saisi avec la touche de soustractionTouche [(−)] pour un nombre négatif
Oublier un coefficient nul dans un systèmeUne inconnue absente a le coefficient 0
Conclure par un coefficient seulUne phrase avec les mots de l'énoncé
Prendre l'inverse ordinaire pour HillLa matrice de déchiffrement est entière, modulo 26

Chapitre terminé !

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