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Chapitre 713 minIntermédiaire

Systèmes d'équations linéaires

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

7.1 Ecriture matricielle AX = B

Tout systeme d'equations lineaires peut s'ecrire sous forme matricielle.

Exemple avec un systeme de 2 equations a 2 inconnues :

{ 2x + y  = 5
{ 5x + 3y = 13

Ecriture matricielle :

A = [ 2  1 ]    X = [ x ]    B = [ 5  ]
    [ 5  3 ]        [ y ]        [ 13 ]

AX = B

Exemple avec un systeme de 3 equations a 3 inconnues :

{ x + 2y      = 1
{      y + 3z = 9
{ x      + 2z = 5

Ecriture matricielle :

A = [ 1  2  0 ]    X = [ x ]    B = [ 1 ]
    [ 0  1  3 ]        [ y ]        [ 9 ]
    [ 1  0  2 ]        [ z ]        [ 5 ]

7.2 Resolution par inversion : X = A⁻¹B

Si det(A) est different de 0, le systeme admet une unique solution :

X = A⁻¹ x B

Exemple pas a pas (systeme 2 x 2) :

Systeme :

{ 2x + y  = 5
{ 5x + 3y = 13

Etape 1 : determinant.

det(A) = 2 x 3 - 1 x 5 = 6 - 5 = 1

Etape 2 : inverse de A.

A⁻¹ = [  3  -1 ]
      [ -5   2 ]

Etape 3 : calcul de X = A⁻¹ x B.

x = 3 x 5 + (-1) x 13 = 15 - 13 = 2
y = (-5) x 5 + 2 x 13 = -25 + 26 = 1

Solution : x = 2 et y = 1.

Verification dans le systeme original :

2(2) + 1 = 4 + 1 = 5      (verifie)
5(2) + 3(1) = 10 + 3 = 13  (verifie)

Exemple pas a pas (systeme 3 x 3) :

Systeme :

{ x + 2y      = 1
{      y + 3z = 9
{ x      + 2z = 5

On a calcule precedemment :

A⁻¹ = [ 1/4   -1/2   3/4 ]
      [ 3/8    1/4  -3/8 ]
      [-1/8    1/4   1/8 ]

Calcul de X = A⁻¹ x B :

x = (1/4) x 1 + (-1/2) x 9 + (3/4) x 5
  = 1/4 - 9/2 + 15/4
  = 1/4 - 18/4 + 15/4
  = (1 - 18 + 15) / 4
  = -2/4
  = -1/2
y = (3/8) x 1 + (1/4) x 9 + (-3/8) x 5
  = 3/8 + 9/4 - 15/8
  = 3/8 + 18/8 - 15/8
  = (3 + 18 - 15) / 8
  = 6/8
  = 3/4
z = (-1/8) x 1 + (1/4) x 9 + (1/8) x 5
  = -1/8 + 9/4 + 5/8
  = -1/8 + 18/8 + 5/8
  = (-1 + 18 + 5) / 8
  = 22/8
  = 11/4

Solution : x = -1/2, y = 3/4, z = 11/4.

Verification dans la premiere equation : x + 2y = -1/2 + 2 x (3/4) = -1/2 + 3/2 = 2/2 = 1. Correct.

7.3 Methode de Cramer

Pour un systeme AX = B de n equations a n inconnues, si det(A) est different de 0, la solution est :

xᵢ = det(Aᵢ) / det(A)

ou Aᵢ est la matrice A dans laquelle on a remplace la colonne i par le vecteur B.

Exemple pas a pas (systeme 2 x 2) :

{ 3x + 2y = 7
{  x - y  = 1

Etape 1 : det(A).

A = [ 3   2 ]
    [ 1  -1 ]

det(A) = 3 x (-1) - 2 x 1 = -3 - 2 = -5

Etape 2 : det(A₁) — on remplace la colonne 1 de A par B.

A₁ = [ 7   2 ]
     [ 1  -1 ]

det(A₁) = 7 x (-1) - 2 x 1 = -7 - 2 = -9

Etape 3 : det(A₂) — on remplace la colonne 2 de A par B.

A₂ = [ 3  7 ]
     [ 1  1 ]

det(A₂) = 3 x 1 - 7 x 1 = 3 - 7 = -4

Etape 4 : solutions.

x = det(A₁) / det(A) = -9 / (-5) = 9/5
y = det(A₂) / det(A) = -4 / (-5) = 4/5

Verification : 3 x (9/5) + 2 x (4/5) = 27/5 + 8/5 = 35/5 = 7. Correct.

Exemple pas a pas (systeme 3 x 3 avec Cramer) :

{ 2x + y - z  = 3
{  x - y + 2z = 1
{ 3x + 2y + z = 10

Matrice A et vecteur B :

A = [ 2   1  -1 ]      B = [ 3  ]
    [ 1  -1   2 ]          [ 1  ]
    [ 3   2   1 ]          [ 10 ]

Etape 1 : det(A) par Sarrus.

D₁ = 2 x (-1) x 1 = -2
D₂ = 1 x 2 x 3 = 6
D₃ = (-1) x 1 x 2 = -2

D₄ = (-1) x (-1) x 3 = 3
D₅ = 2 x 2 x 2 = 8
D₆ = 1 x 1 x 1 = 1

det(A) = (-2) + 6 + (-2) - 3 - 8 - 1 = 2 - 12 = -10

Etape 2 : det(A₁) — colonne 1 remplacee par B.

A₁ = [ 3   1  -1 ]
     [ 1  -1   2 ]
     [ 10  2   1 ]

D₁ = 3 x (-1) x 1 = -3
D₂ = 1 x 2 x 10 = 20
D₃ = (-1) x 1 x 2 = -2

D₄ = (-1) x (-1) x 10 = 10
D₅ = 3 x 2 x 2 = 12
D₆ = 1 x 1 x 1 = 1

det(A₁) = (-3) + 20 + (-2) - 10 - 12 - 1 = 15 - 23 = -8

Correction, recalculons proprement :

det(A₁) = -3 + 20 + (-2) - 10 - 12 - 1
         = -3 + 20 - 2 - 10 - 12 - 1
         = 20 - 28
         = -8

Etape 3 : det(A₂) — colonne 2 remplacee par B.

A₂ = [ 2   3  -1 ]
     [ 1   1   2 ]
     [ 3  10   1 ]

D₁ = 2 x 1 x 1 = 2
D₂ = 3 x 2 x 3 = 18
D₃ = (-1) x 1 x 10 = -10

D₄ = (-1) x 1 x 3 = -3
D₅ = 2 x 2 x 10 = 40
D₆ = 3 x 1 x 1 = 3

det(A₂) = 2 + 18 + (-10) - (-3) - 40 - 3
         = 2 + 18 - 10 + 3 - 40 - 3
         = 23 - 53
         = -30

Etape 4 : det(A₃) — colonne 3 remplacee par B.

A₃ = [ 2   1   3 ]
     [ 1  -1   1 ]
     [ 3   2  10 ]

D₁ = 2 x (-1) x 10 = -20
D₂ = 1 x 1 x 3 = 3
D₃ = 3 x 1 x 2 = 6

D₄ = 3 x (-1) x 3 = -9
D₅ = 2 x 1 x 2 = 4
D₆ = 1 x 1 x 10 = 10

det(A₃) = (-20) + 3 + 6 - (-9) - 4 - 10
         = -20 + 3 + 6 + 9 - 4 - 10
         = -16

Etape 5 : solutions.

x = det(A₁) / det(A) = -8 / (-10) = 4/5
y = det(A₂) / det(A) = -30 / (-10) = 3
z = det(A₃) / det(A) = -16 / (-10) = 8/5

Verification dans l'equation 1 :

2 x (4/5) + 3 - (8/5) = 8/5 + 3 - 8/5 = 3. Correct.

Verification dans l'equation 3 :

3 x (4/5) + 2 x 3 + (8/5) = 12/5 + 6 + 8/5 = 20/5 + 6 = 4 + 6 = 10. Correct.

7.4 Pivot de Gauss (elimination de Gauss-Jordan)

Methode systematique qui transforme le systeme en un systeme triangulaire, puis on remonte pour trouver les inconnues.

On travaille sur la matrice augmentee [A | B].

Exemple pas a pas :

Systeme :

{  x + 2y + z  = 9
{ 2x - y  + 3z = 8
{ 3x + y  + 2z = 15

Etape 1 : ecrire la matrice augmentee.

[ 1   2   1 |  9 ]   L₁
[ 2  -1   3 |  8 ]   L₂
[ 3   1   2 | 15 ]   L₃

Etape 2 : eliminer x de L₂ et L₃.

Operation : L₂ ← L₂ - 2 x L₁

Nouveau L₂ :
colonne 1 : 2 - 2 x 1 = 2 - 2 = 0
colonne 2 : -1 - 2 x 2 = -1 - 4 = -5
colonne 3 : 3 - 2 x 1 = 3 - 2 = 1
second membre : 8 - 2 x 9 = 8 - 18 = -10

Operation : L₃ ← L₃ - 3 x L₁

Nouveau L₃ :
colonne 1 : 3 - 3 x 1 = 3 - 3 = 0
colonne 2 : 1 - 3 x 2 = 1 - 6 = -5
colonne 3 : 2 - 3 x 1 = 2 - 3 = -1
second membre : 15 - 3 x 9 = 15 - 27 = -12

Matrice apres etape 2 :

[ 1   2   1 |   9 ]   L₁
[ 0  -5   1 | -10 ]   L₂
[ 0  -5  -1 | -12 ]   L₃

Etape 3 : eliminer y de L₃.

Operation : L₃ ← L₃ - L₂

Nouveau L₃ :
colonne 1 : 0 - 0 = 0
colonne 2 : -5 - (-5) = -5 + 5 = 0
colonne 3 : -1 - 1 = -2
second membre : -12 - (-10) = -12 + 10 = -2

Matrice apres etape 3 :

[ 1   2   1 |   9 ]   L₁
[ 0  -5   1 | -10 ]   L₂
[ 0   0  -2 |  -2 ]   L₃

Etape 4 : remonter (substitution arriere).

De L₃ : -2z = -2, donc z = (-2) / (-2) = 1.

De L₂ : -5y + z = -10, donc -5y + 1 = -10, donc -5y = -10 - 1 = -11, donc y = -11 / (-5) = 11/5.

De L₁ : x + 2y + z = 9, donc x + 2 x (11/5) + 1 = 9, donc x + 22/5 + 1 = 9, donc x = 9 - 1 - 22/5 = 8 - 22/5 = 40/5 - 22/5 = 18/5.

Solution : x = 18/5, y = 11/5, z = 1.

Verification dans l'equation 1 :

18/5 + 2 x (11/5) + 1 = 18/5 + 22/5 + 5/5 = 45/5 = 9. Correct.

Verification dans l'equation 2 :

2 x (18/5) - (11/5) + 3 x 1 = 36/5 - 11/5 + 15/5 = 40/5 = 8. Correct.

Verification dans l'equation 3 :

3 x (18/5) + (11/5) + 2 x 1 = 54/5 + 11/5 + 10/5 = 75/5 = 15. Correct.

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