Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires 
CHAPITRE 5 : SYSTEME LINEAIRE 
I-...
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· On appelle système linéaire de ...
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Définition : (Matrice d’un systèm...
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II- Résolution d’un système linéa...
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¨ La solution du système triangul...
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¨ La solution du système triangul...
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III- Résolution d’un système liné...
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( S 
) 
¨ L’écriture matricielle ...
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III-3 Résolution par la méthode d...
Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires 
det A = = : det A ¹ 0 A est alors...
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IV- Résolution d’un système linéa...
Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires 
¨ On suppose que la matrice r A f...
Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires 
 
  
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¨ On cherche le déterminant princ...
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¨ Le système étant homogène, les ...
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V- Complément : résolution d’un s...
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¨ Ce qui revient à effectuer pour...
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k k a peut toujours être vérifiée...
Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires 
¨ On construit à cette étape, le ...
Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires 
⇒ 
¨ On note A(1) = A et b(1) = b...
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2,2 a = : on effectue alors un ch...
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¨ On effectue pour la matrice A e...
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Chap 5 système linéaire

  1. 1. Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires CHAPITRE 5 : SYSTEME LINEAIRE I- Généralités.................................................................................................................................................2 I-1 Définition d’un système linéaire......................................................................................................................2 I-2 Ecriture matricielle d’un système linéaire .....................................................................................................2 I-3 Rang d’un système linéaire..............................................................................................................................3 II- Résolution d’un système linéaire triangulaire .......................................................................................4 II-1 Résolution d’un système triangulaire supérieur par montée......................................................................4 II-2 Résolution d’un système triangulaire inférieur par descente .....................................................................5 III- Résolution d’un système linéaire de Cramer ........................................................................................7 III-1 Définition d’un système de Cramer.............................................................................................................7 III-2 Résolution par l’inversion de la matrice du système..................................................................................7 III-3 Résolution par la méthode de Cramer ........................................................................................................9 IV- Résolution d’un système linéaire non de Cramer ...............................................................................11 IV-1 Résolution d’un système avec second membre .........................................................................................11 IV-2 Cas particulier d’un système homogène....................................................................................................14 V- Complément : résolution d’un système linéaire par la méthode d’élimination de Gauss ..................17 V-1 Etapes de la résolution :................................................................................................................................17 V-2 Exemple : .......................................................................................................................................................21 1 Professeure Salma DASSER Session Automne-hiver 2007
  2. 2. Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires · On appelle système linéaire de n équations à m inconnues tout système de la forme : + + = a x a x b 11 1 1 m m 1 L + + = M a x L a x b 1 1 n nm m n · Les coefficients a ,b (1 £ i £ n et 1 £ j £ m) sont des réels donnés. ij i · Le n -uplet ( b , L , b ) est dit second membre du système (S) . 1 n · x , L , x sont les inconnues du système. 1 m · Tout m -uplet ( , , ) 1 m x L x de réels qui vérifie les équations du système (S) est dit · Le système (S) est dit homogène si 0 1 = = = n b L b . S est un système linéaire de 3 équations à 4 inconnues I-2 Ecriture matricielle d’un système linéaire + + = a x a x b 11 1 1 m m 1 L ( ) peut s’écrire sous la forme + + = M a x L a x b 1 1 n nm m n 11 1 m a L a M M M a L a 1 n nm 11 1 m b L L 1 1 11 1 1 1 ( ) . S M M b x x a a M M M a L a 1 n nm m n 2 I- Généralités I-1 Définition d’un système linéaire Définition :    ( S ) solution du système. Exemple : ¨    + - + = 2 3 1 x x x x 1 2 3 4 + - = 2 x x x 0 1 2 3 - + - - = - 2 2 3 1 ( ) x x x x 1 2 3 4 ¨ Tout système linéaire    S matricielle A.X = b , avec :       =     A ,       =    1 X M  x m x et       =    1 b M  b n b ¨       =                         Û    + + = a x a x b m m + + = M a x L a x b 1 1 n nm m n Professeure Salma DASSER Session Automne-hiver 2007
  3. 3. Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires Définition : (Matrice d’un système linéaire) a x a x b 11 1 1 m m 1 M L a x L a x b 1 1 n nm m n · La matrice ij i n j m A = a £ £ £ £ ( )1 ,1 s’appelle la matrice du système (S) . ¨ La matrice du système (S) est égale à : ¨ L’écriture matricielle du système (S) est alors : · On appelle le rang d’un système linéaire, celui de sa matrice. ¨ La matrice du système (S) est égale à : - 1 2 3         det - ¹ ¨ rg(S) = 3 car rg(A) = 3 : 0 3 Soit le système linéaire :    + + = + + = ( S ) Exemple : ¨ Le système (S) est donné par :    + - + = 2 3 1 x x x x 1 2 3 4 + - = 2 x x x 0 1 2 3 - + - - = - 2 2 3 1 ( ) x x x x 1 2 3 4 S 1 2 3 1     2 1 3 0 1 2 2 3       - - - - - = A           - =              .  1 2 3 1     2 1 3 0 1 2 2 3       - - - - - 1 0 1 x 1 2 3 x x 4 x I-3 Rang d’un système linéaire Définition : Exemple : ¨ Le système (S) est donné par :    + - + = 2 3 1 x x x x 1 2 3 4 + - = 2 x x x 0 1 2 3 - + - - = - 2 2 3 1 ( ) x x x x 1 2 3 4 S 1 2 3 1     2 1 3 0 1 2 2 3       - - - - - = A 2 1 3 - - 1 2 2   Professeure Salma DASSER Session Automne-hiver 2007
  4. 4. Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires II- Résolution d’un système linéaire triangulaire · Un système triangulaire supérieur c’est un système linéaire dont la matrice est · Un système triangulaire inférieur c’est un système linéaire dont la matrice est ¨ Un système triangulaire admet une solution unique ssi sa matrice est inversible ssi ses ⇒ = A est une matrice triangulaire supérieure, (S) est alors un système triangulaire supérieur. ⇒ = A est une matrice triangulaire inférieure, (S) est alors un système triangulaire inférieur. II-1 Résolution d’un système triangulaire supérieur par montée ¨ La matrice du système (S) est égale à : 4 Définition : triangulaire supérieure. triangulaire inférieure. Remarque : éléments diagonaux sont non nuls. Exemples : 1)    + 2 = x x b 1 3 1 + 3 = x x b 2 3 2 = x b 3 3 2 ( S )      1 0 2      0 1 3 0 0 2 A 2) 3    = x b 1 1 + = x x b 1 2 2 + + = 2 3 2 x x x b 1 2 3 3 ( S ) 3 0 0     2 1 0       3 2 1 A ¨ Soit le système triangulaire supérieur          + + = a x LLLL a x b 11 1 1 1 M M n + = Σ n n + = a x a x b ii i ij j j i 1 M M + + = 0. 0. x x a x b - i L 1 , 1 n n nn n n ( S )         =       - L 11 12 1 n nn nn a a a O O M a a A 0 M O O 0 0 1 L Professeure Salma DASSER Session Automne-hiver 2007
  5. 5. Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires ¨ La solution du système triangulaire supérieur (S) est donnée par : n - £ £ - = = Σ+ = ¨ On dit qu’on résolu le système par une méthode de montée. ⇒ = ¨ 1 11 a = , 1 22 a = et 2 33 a = : a ¹ 0, "1 £ i £ 3 ii ⇒ det A ¹ 0 ¨ La matrice A est alors inversible et le système admet une unique solution, donnée par : 1 = = 33 a 1 1 b 3 = - = - = - 22 a 1 ( b a x ) 3 x 3 2 23 3 3 = - - = + - = - ( b a x a x ) 1 x 2 x 4 1 12 2 13 3 2 3 X est alors l’unique solution du système (S) . II-2 Résolution d’un système triangulaire inférieur par descente ¨ La matrice du système (S) est égale à : 5 ( ), 1 1 1 , 1 b a x i n i ij j 1 a b x a x j i ii n i nn n Exemple :     1 1 2 0 1 3   -        - + = 2 1 x x x 1 2 3 + = 3 0 x x 2 3 = 0 0 2 2 2 ( ) 3 A x S          a 11 3 2 x x x 1 ¨     4 3 1  - =  -     ¨ Soit le système triangulaire inférieur          + + + = 11 1 12 1 0. 0. a x x x b n L M M + = Σ - 1 = a x a x b ii i i i j ij j M M 1 + + = a x LLLL a x b 1 1 n nn n n ( S )         =       a 11 a 21 0 L 0 O O M 0 M O O n nn- nn a a a A L 1 1 Professeure Salma DASSER Session Automne-hiver 2007
  6. 6. Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires ¨ La solution du système triangulaire inférieur (S) est donnée par : = 1 1 = ( - Σ ), 2 £ £ i - ¨ On dit qu’on résolu le système par une méthode de descente. ⇒ = ¨ 3 11 a = , 1 22 a = et 2 33 a = - : a ¹ 0, "1 £ i £ 3 ii ⇒ det A ¹ 0 ¨ La matrice A est alors inversible et le système admet une unique solution, donnée par : 1 = = a 11 1 1 b 1 = - = - = ( ) 4 2 2 1 b a x x 2 21 1 1 b a x a x x x 3 31 1 32 2 1 2 - 22 a 1 = - - = X est alors l’unique solution du système (S) . 6 i b a x i n 1 a , b x a x i ij j j ii = 1 1 11 1 Exemple :           3 0 0 2 1 0 -    = 3 3 + = x 1 2 x x 4 1 2 + - = 3 2 2 3 2 2 1 ( ) x x x 1 2 3 A S          - - = (1 3 2 ) 3 2 ( ) 33 x 1 2 x x 3 a ¨       =     1 2 3 Professeure Salma DASSER Session Automne-hiver 2007
  7. 7. Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires III- Résolution d’un système linéaire de Cramer III-1 Définition d’un système de Cramer Un système linéaire est dit de Cramer si le nombre de ses inconnues m est égal au nombre de ces équations n et est égal à son rang r (n = m = r) . Un système linéaire est de Cramer ssi sa matrice associée est carrée (n = m) et Un système linéaire de Cramer admet une unique solution. L’unique solution d’un système linéaire homogène de Cramer est le vecteur nul. + 3 + 2 = x x x b 1 2 3 1 + + = 2 3 x x x b 1 2 3 2 + + = x x x b 1 2 3 3 ¨ n = m = 3⇒ A est une matrice carrée d’ordre 3. det A = = : det A ¹ 0 et A est alors une matrice inversible (r = 3) . ¨ Le système (S) est alors un système linéaire de Cramer. III-2 Résolution par l’inversion de la matrice du système On propose de résoudre un système linéaire (S) de n équations à n inconnues, écrit sous sa ¨ On vérifie si le système (S) est de Cramer : · Si det A = 0 alors le système (S) n’est pas de Cramer. · Si det A ¹ 0 alors le système (S) est de Cramer, et on passe à sa résolution. ¨ Un vecteur X est solution du système (S) ssi A.X = b ssi X = A-1b car A est inversible. 1 1 C A A- = t · On calcule A-1 : ( ( )) · X = A-1.b est alors l’unique solution du système (S) . 7 Définition : Théorème : inversible (r = n) . Exemple :      1 3 2      ⇒ =    2 1 3 3 2 1 3 2 ( ) A S 1 3 2 ¨ 2 1 3 18 3 2 1 forme matricielle A.X = b . Etapes de la résolution : det A Professeure Salma DASSER Session Automne-hiver 2007
  8. 8. Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires ( S ) ¨ L’écriture matricielle du système (S) est : det A = = : det A ¹ 0 A est alors une matrice inversible ¨ Le vecteur X est solution du système (S) ssi A.X = b ssi X = A-1b . 1 1 C A A- = t · Calcul de A-1 : ( ( )) 2 3 1 3 + - + 3 1 1 2 2 1 3 2 - + - 3 1 1 2 2 1 3 2 + - + 2 1 3 2 1 3 3 2 1 3 2 1 - = 5/18 1/18 7 /18 7 /18 5/18 1/18 1/18 7 /18 5/18      - X est alors l’unique solution su système (S) 8 Exemple : ¨ Le système (S) est donné par :    + + = 3 2 6 x x x 1 2 3 + + = 2 x x 3 x 6 1 2 3 + + = - 3 x 2 x x 12 1 2 3           - =                1 3 2      6 6 12 2 1 3 3 2 1 x 1 2 3 x x     A et  1 3 2  =     2 1 3 3 2 1           - = 6 6 12 b ¨ le système (S) est de Cramer : 18 1 3 2 2 1 3 3 2 1 det A 5 7 1     1 5 7 7 1 5   - =     - -                   = 2 3 1 3 C(A)     5 1 7 7 5 1 1 7 5   - =     - - t (C(A))           - -     5 1 7 7 5 1 1 7 5       - - - 1 1 A - = 18 · X = A-1.b      - =                  .   - 5 1 7 7 5 1 - - =           ⇒ = 6 0 6 6 6 12 1 7 5 1 18 x 1 2 3 x x X ¨      - =     6 0 6 Professeure Salma DASSER Session Automne-hiver 2007
  9. 9. Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires III-3 Résolution par la méthode de Cramer On propose de résoudre un système linéaire (S) de n équations à n inconnues, écrit sous sa ¨ On calcule le déterminant de la matrice A : det A · Si det A = 0 alors le système (S) n’est pas de Cramer. · Si det A ¹ 0 alors le système (S) est de Cramer, et on passe à sa résolution. ¨ On calcule les déterminants, dits de Cramer D i n la matrice A où l’on a remplacé la colonne i par le vecteur b : a L a b a L a - + 11 1 1 1 1 1 1 i i n det M M M M M M M , 1 £ i £ n a L a b a L a - + 1 1 1 n ni n ni nn x 1 X M n x M est alors l’unique solution du système (S) . ( S ) ¨ L’écriture matricielle du système (S) est :      - 9 forme matricielle A.X = b . Etapes de la résolution : xi , 1 £ £ , où xi D est le déterminant de           = x D i ¨ On calcule le vecteur solution       =     D x xi i = , 1 £ £ : i n A det ¨                   = 1 A x det xn A D D X det Exemple : ¨ Le système (S) est donné par :    + + = 3 2 6 x x x 1 2 3 + + = 2 x x 3 x 6 1 2 3 + + = - 3 x 2 x x 12 1 2 3           - =                1 3 2      6 6 12 2 1 3 3 2 1 x 1 2 3 x x     A et  1 3 2  =     2 1 3 3 2 1      = 6 6 12 b Professeure Salma DASSER Session Automne-hiver 2007
  10. 10. Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires det A = = : det A ¹ 0 A est alors une matrice inversible x1 D , x2 D et x3 D : 2 1 ( , 2 ) 6 3 2 6 3 2 ® - ® + L L L L L L 2 2 1 3 3 1 - = = - = ´ = - 1 · 108 - - 6 1 ( 2 , 3 ) 1 6 2 1 6 2 ® - ® - L L L L L L 2 2 1 3 3 1 = = - - = ´ = 2 · 0 - - 5 6 ( 2 , 3 ) 1 3 6 1 3 6 ® - ® - L L L L L L 2 2 1 3 3 1 = = - - = ´ = 3 · 108 X : ( x = D /det A, 1 £ i £ 3 X est alors l’unique solution su système (S) 10 ¨ le système (S) est de Cramer : 18 1 3 2 2 1 3 3 2 1 ¨ Calcul des déterminants de Cramer 8 5 6 0 2 1 0 8 5 6 1 3 12 2 1 - Dx - - 30 5 1 0 6 1 - - 0 30 5 2 6 3 - 3 12 1 Dx - - 7 30 1 0 5 6 - - 0 7 30 2 1 6 - 3 2 12 Dx ¨ Calcul du vecteur solution       =     x 1 2 3 x x i xi ) 108 D x x · 6 1 = = - = - 18 det 1 A D x x · 0 2 = = det 2 A 108 D x x · 6 3 = = = 18 det 3 A ¨      - =     6 0 6 Professeure Salma DASSER Session Automne-hiver 2007
  11. 11. Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires IV- Résolution d’un système linéaire non de Cramer Un système linéaire non cramien ou non de Cramer c’est un système dont le nombre des inconnues m n’est pas égal au nombre des équations n ou dont le nombre des inconnues m est égal au nombre des équations n mais dont le rang r ne leur est pas égal (n ¹ m) ou (n = m et r ¹ n) .    + + + = 2 3 4 2 x x x x 1 2 3 4 + + = 2 2 2 x x x 2 3 4 1) ⇒ (S) est un système linéaire non de Cramer : AÎM(4) et rg(A) = 2 ¹ 4 , (n = m = 4 et r ¹ n) = A et Le système (S) est un système linéaire non de Cramer : AÎM(4,3) , (n ¹ m) IV-1 Résolution d’un système avec second membre On propose de résoudre un système linéaire non de Cramer (S) de n équations à m inconnues, 1 X M ¨ On cherche le rang r de la matrice A : rg(A) = r · Si (n = m = r) alors le système est un système linéaire de Cramer et sa résolution se fait par l’une des méthodes développées au paragraphe précédent. · Sinon, le système est alors un système linéaire non de Cramer. Pour le résoudre, on suit 11 Définition : Exemples :     - - - = 2 x x 2 x 2 1 2 4 - + = 2 2 2 ( ) x x 1 3 S      A et        1 2 3 4 0 1 2 2 - - - - = 2 1 0 2 2 0 2 0         =       2 2 2 2 b    + - = 2 x 3 x x 2 1 2 3 - + = 2 x x x 1 2 3 2) ⇒  5 3 2   x x 2 3 3 2 2  - = + = ( ) x x 1 2 S 2 3 1      1 1 1 0 5 3        - - - 3 2 0         =       2 2 2 2 b écrit sous sa forme matricielle A.X = b .       =    L 11 1 M M M  m a a a L a 1 n nm A ,       =     x m x et       =    1 b M  b n b Etapes de la résolution : les étapes suivantes . Professeure Salma DASSER Session Automne-hiver 2007
  12. 12. Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires ¨ On suppose que la matrice r A formée par les r premières lignes et les r premières colonnes de la matrice A a un déterminant non nul r D : a L a a L a + 1,1 1, 1, 1 1, r r m         M M M M M M a L a a L a + ,1 , , 1 , r r r r r r m a L a a L a + + + + + 1,1 1, 1, 1 1, r r r r r r m M M M M M M a L a a L a + ,1 , , 1 , n n r n r n m · Cette hypothèse peut toujours être vérifiée, à un changement près de l’ordre des équations et/ou de l’ordre des inconnues. Elle ne restreint donc pas l’étude qui suit mais en simplifie seulement l’exposé. · r D s’appelle le déterminant principal. On en déduit : Les inconnues principales r x , , x 1 L , dont les coefficients sont les colonnes de r A les autres inconnues r m x , , x 1 + sont dites non principales ou arbitraires. Les équations principales, qui sont les lignes du déterminant principal : ce sont les r premières équations du système. Les autres équations sont dites équations non principales. ¨ On écrit les matrices (M , 1 h n r) h £ £ - de type (r +1, r +1) définies par : a L a b 1,1 1, r 1       =     M M M M h £ £ - a L a b ,1 , r r r r a L a b + ,1 + , + r h r h r r h · Les déterminants des matrices (M , 1 h n r) h £ £ - s’appellent les déterminants caractéristiques du système A.X = b . On note M h n r h h D = det( ), 1 £ £ - ¨ On vérifie les conditions, dites conditions de compatibilité du système A.X = b : h n r h D = 0, 1 £ £ - · 1er cas : $1 £ h £ n - r avec D ¹ 0 h Les équations sont dites incompatibles et le système A.X = b est impossible ou insoluble. · 2ème cas : 1 £ h £ n - r , D = 0 h Le système est possible. Pour le résoudre, on résout le système formé des r équations principales dont les inconnues sont les inconnues principales et où les inconnues arbitraires sont considérées comme des paramètres et sont ajoutées au second membre du système. 12 r a L a 1,1 1, M M M a L a ,1 , r r r ⇒ D = r A           = L h n r M   , 1 Professeure Salma DASSER Session Automne-hiver 2007
  13. 13. Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires    + + + = 2 3 4 1 x x x x 1 2 3 4 + + = 2 2 0 x x x 2 3 4 1) ⇒ ¨ AÎM(4) et rg(A) = 2⇒ rg(S) = 2⇒ r = 2 2 D = . On en déduit : · Les inconnues principales : 1 x et 2 x · Les inconnues arbitraires : 3 x et 4 x · Les équations principales :    x x x x 1 2 3 4 x x x ¨ Les conditions de compatibilité sont : D = 0, 1 £ h £ 2 h 1 2 1 D = et 0 · Les conditions de compatibilité sont alors vérifiées et le système est possible. Sa résolution revient à résoudre le système de Cramer suivant : + = - + 2 1 (3 4 ) x x x x 1 2 3 4 S 1 x x x = - + (2 2 ) 2 4 3 La solution du système ( ) 1 S est donnée par : ¨ La solution du système (S) est alors égale à l’ensemble : { ( ) 2} E(S) = (x , x , x , x )Î IR / x = 1+ x , x = -2x - 2x , x , x Î IR 1 2 3 1 3 2 3 4 3 4 + + - - + + = (1 x ) 2.( 2 x 2 x ) 3 x 4 x 1 3 3 4 3 4 - - + + = ( 2 x 2 x ) 2 x 2 x 0 3 4 3 4 - + - - - - = - 2.(1 x ) ( 2 x 2 x ) 2 x 2 3 3 4 4 - + + = - 2.(1 x ) 2 x 2 3 3 13 Exemples :     - - - = - 2 x x 2 x 2 1 2 4 - + = - 2 2 2 ( ) x x 1 3 S      A et        1 2 3 4 0 1 2 2 - - - - = 2 1 0 2 2 0 2 0               - - = 1 0 2 2 b ¨ Un déterminant principal est : 1 2 0 1 + 2 + 3 + 4 = 1 2 2 0 + + = 2 3 4 1 2 1 1 = · 0 1 0 0 - - - 2 1 2 D = 0 1 0 = 2 - - 2 0 2    ( )    = - + - 1 (3 4 ) 2 x x x x 1 3 4 2 x x x = - + (2 2 ) 2 4 3 4 ¨ Vérification :        Professeure Salma DASSER Session Automne-hiver 2007
  14. 14. Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires    + + + = 2 3 4 1 x x x x 1 2 3 4 + + = 2 2 0 x x x 2 3 4 2) ⇒ 2 D = . On en déduit : x x x x 1 2 3 4 x x x 1 2 1 D = et 4 0 2 2 = ⇒ D ¹ 14     - - - = - 2 x x 2 x 2 1 2 4 - + = 2 2 2 ( ) x x 1 3 S      A et        1 2 3 4 0 1 2 2 - - - - = 2 1 0 2 2 0 2 0  1 2 + 2 + 3 + 4 = 1 2 2 0 1 2 1 0 1 0 = 1 - - - 0 1 0 Professeure Salma DASSER Session Automne-hiver 2007              - = 1 0 2 2 b ¨ AÎM(4,4) et rg(A) = 2⇒ rg(S) = 2⇒ r = 2 ¨ Un déterminant principal est : 0 1 · Les inconnues principales : 1 x et 2 x · Les inconnues arbitraires : 3 x et 4 x · Les équations principales :    + + = 2 3 4 ¨ Les conditions de compatibilité sont : D = 0, 1 £ h £ 2 h · 0 2 1 2 2 0 2 - D = · Les conditions de compatibilité ne sont alors pas vérifiées et le système est impossible. IV-2 Cas particulier d’un système homogène On propose de résoudre un système linéaire homogène non de Cramer (S) de n équations à m inconnues, écrit sous sa forme matricielle A.X = 0 . Etapes de la résolution : ¨ On cherche le rang r de la matrice A : rg(A) = r · Si (n = m = r) alors le système est un système linéaire de Cramer et son unique solution est le vecteur nul. · Sinon, le système est alors un système linéaire non de Cramer. Pour le résoudre, on suit les mêmes étapes que pour un système linéaire non de Cramer avec second membre (Les conditions de compatibilité étant toujours vérifiées).
  15. 15. Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires ¨ On cherche le déterminant principal r D : Les r inconnues principales r x , , x 1 Les m - r inconnues arbitraires r m x , , x 1 Les r équations principales correspondantes à r D . ¨ Les conditions de compatibilité sont toujours vérifiées ( h n r h D = 0, 1 £ £ - ) : a L a b 1,1 1, r 1           D = = 0 L 1,1 1, M M M M M M M M h h = = £ £ - a L a b ,1 , r r r r a a b L ,1 , L L + ,1 + , + + + r h r h r r h ¨ On résout le système de Cramer formé par les r équations principales, dont les inconnues sont les r inconnues principales et où l’on fait passer les m - r inconnues arbitraires au second membre du système A.X = b . ¨ La solution de tout système linéaire non de Cramer homogène est un sous espace vectoriel de dimension égale au nombre de ses inconnues arbitraires égale au rang de sa matice = A et ¨ AÎM(4) et rg(A) = 2 ⇒ rg(S) = 2 ⇒ r = 2 1 2 2 D = . On en déduit : 0 1 Les inconnues principales : 1 x et 2 x Les inconnues arbitraires : 3 x et 4 x    x x x x 1 2 3 4 x x x 15 r a L a 1,1 1, M M M a L a ,1 , r r r D = r ¨ On en déduit : L . L . + h n r a a a a r r r r a a det( M ) det ,1 , r h r h r   0, 1 0 0 Remarque : Exemple : ⇒        + + + = 2 3 4 0 x x x x 1 2 3 4 + + = 2 2 0 x x x 2 3 4 - - - = 2 x x 2 x 0 1 2 4 - + = 2 2 0 ( ) x x 1 3 S             1 2 3 4 0 1 2 2 - - - - 2 1 0 2 2 0 2 0         =       0 0 0 0 b ¨ Un déterminant principal : Les équations principales : + 2 + 3 + 4 = 0 2 2 0 + + = 2 3 4 Professeure Salma DASSER Session Automne-hiver 2007
  16. 16. Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires ¨ Le système étant homogène, les conditions de compatibilité sont vérifiées. La résolution du système (S) revient alors à résoudre le système de Cramer + = - + 2 (3 4 ) x x x x 1 2 3 4 S 1 x x x = - + 2 4 3 La solution du système ( ) 1 S est donnée par : ¨ La solution du système A.X = 0 est alors égale au sous espace vectoriel : ( ) = {( , , , )Î / = , = -2 - 2 ,( , )Î 2}= (1,-2,1,0), (0,-2,0,1) E S x x x x IR x x x x x x x IR 1 2 3 4 1 3 2 3 4 3 4 + - - + + = ( x ) 2.( 2 x 2 x ) 3 x 4 x 0 3 3 4 3 4 - - + + = ( 2 x 2 x ) 2 x 2 x 0 3 4 3 4 - - - - - = 2.( x ) ( 2 x 2 x ) 2 x 0 3 3 4 4 - + = 2.( ) 2 0 16 suivant :    (2 2 ) ( )    = - + - (3 4 ) 2 x x x x 1 3 4 2 x x x = - + (2 2 ) 2 4 3 4 ¨ Vérification :        x x 3 3 Professeure Salma DASSER Session Automne-hiver 2007
  17. 17. Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires V- Complément : résolution d’un système linéaire par la méthode d’élimination de Gauss ¨ On considère un système linéaire (S) de n équations à n inconnues : ¨ On l’écrit sous sa forme matricielle A.X = b : 1 X M La méthode d’élimination de Gauss consiste à construire un système linéaire triangulaire (supérieur si on effectue les changements sur les lignes de la matrice du système ou inférieur si on effectue les changements sur les colonnes de la matrice du système) équivalent au système linéaire (S) et le résoudre par montée (système triangulaire supérieur) ou descente (système triangulaire inférieur). ¨ On note A(1) = A et b(1) = b , le système s’écrit alors : A(1) .X = b(1) 11 a ¹ peut toujours être vérifiée, à un changement près de l’ordre des équations et/ou de l’ordre des inconnues. ¨ On définit des nouveaux coefficients a i j n ij , 1 £ , £ (2) et b i n i , 1 £ £ (2) par : = 1 £ £ (1) 1 (2) 1 a a j n j j a (1) = - × (1) + (1) 2 £ £ , 1 £ £ a a i n j n j ij = (1) 1 a (2) 1 b b (1) = - × + £ £ i (1) (1) 2 b b i n 17    + + = a x a x b 11 1 1 n n 1 L + + = M a x L a x b 1 1 n nn n n ( S )       =    L 11 1 M M M  n a a a L a 1 n nn A ,       =     x n x et       =    1 b M  b n b V-1 Etapes de la résolution : V-1-1 Etape 1 V-1-2 Etape 2 : 0 (1) 11 a ¹ ¨ L’hypothèse 0 (1)    (2) 1 (1) 1 11 a a i ij et :    (2) 1 (1) 1 11 a b i i Professeure Salma DASSER Session Automne-hiver 2007
  18. 18. Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires ¨ Ce qui revient à effectuer pour la matrice A et le vecteur b les changements en lignes = a (1) 1 (2) 1 L L (1) = - × £ £ i i (1) , 2 L i n ¨ Le système A(2) .X = b(2) ainsi obtenu est alors équivalent au système A(1) .X = b(1) : est solution du système A(2) .X = b(2) n = (2) . = (2) , 1 £ £ ij j Σo ssi a x b i n i = a . (1) 1 (1) 1 a x b a j j (1) (1) - × (1) = (1) - 1 × (1) £ £ (1) 1 ( a ) x b , 2 j j = n Σ = . (1) 1 (1) 1 a x b a n j n j j (1) 1 1 Σ Σ a (1) - × a (1) x = b - × £ £ j j (1) n (1) 1 1 b a a i i × = ×Σ= o ssi (1) (1) 1 11 est solution du système A(1) .X = b(1) ¨ On continue la même démarche jusqu’à construire le système A(k ) .X = b(k ) à l’étape k . 18 suivantes :    (2) (1) 1 (1) 1 11 a L L i        =      (2) 1 n (2) 2 (2) 12 a a a (2) 22 n L a L a M M M M (2) (2) 2 (2) 11 (2) 0 0 a a n nn A et         =       (2) 1 b (2) 2 M (2) (2) b n b b En effet : o       =    1 X M  x n x j 1 o ssi        n Σ = j n 1 Σ = b i n (1) 1 11 a (1) 1 11 a a i i j i ij 1 o ssi        (1) 1 11 a (1) a x i ij j = = , 2 (1) b i n (1) 1 (1) 1 11 a i i j j 1 1 a x (1) 1 11 1 (1) a a j j j n = (1) . = (1) , 1 £ £ ij j Σssi a x b i n i j 1 o ssi       =    1 X M  x n x Professeure Salma DASSER Session Automne-hiver 2007
  19. 19. Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires k k a peut toujours être vérifiée, à un changement près de l’ordre des équations et/ou de l’ordre des inconnues. ij , 1 £ , £ ( ) et b i n k i , 1 £ £ ( ) par : ¨ On définit des nouveaux coefficients a i j n k - = £ £ - £ £ ( ) ( 1) k ij k ij 1 1, 1 a a i k j n - - - - a ( k 1) = - × ( 1) + ( 1) £ £ £ £ k ij k , 1 a a k i n j n - = £ £ - ( ) ( 1) 1 1 k i k i b b i k - - - - a ( k 1) = - × ( 1) + ( 1) £ £ k i k b b k i n ¨ Ce qui revient à effectuer pour la matrice A et le vecteur b les changements en lignes - = £ £ - ( ) ( 1) k i k i 1 1 L L i k - - a ( k 1) - - = - × ( k 1) , £ £ L k i n ( ) ( 1) , 1 k i k i - - - - ( 1) 1 1, 1 k k k k ¨ On montre de même que le système A(k ) .X = b(k ) ainsi obtenu est équivalent au système A(k -1) .X = b(k -1) , donc au système A.X = b : ( k ) 1, n L L O M M M ( ) , k k n M L M M M M M ( ) , k n n a a a a a a a ¨ On continue encore jusqu’à la dernière étape : 19 1, 1 - ¹ - - V-1-3 Etape k : ( k 1) 0 k k a 1, 1 - ¹ - - ¨ L’hypothèse ( k 1) 0    ( ) , 1 k i k ij - - - - a a ( 1) 1, 1, 1 k k j k k et :    ( ) , 1 k i k i - - - - a b ( 1) 1 1, 1 k k k k suivantes :    a k i L L                 = ( k ) 1, k ( ) , k k k ( ) , ( ) 1,1 ( ) 0 k 0 0 0 k n k k A L et         =       ( k ) 1 b ( k ) 2 M ( ) ( ) b k n k b b Professeure Salma DASSER Session Automne-hiver 2007
  20. 20. Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires ¨ On construit à cette étape, le système : A(n) .X = b(n) , où : a L L L a O L L M M O L M 0 0 n 0 M M O M 0 0 0 0 - = £ £ - ( ) ( 1) n ij n ij 1 , 1 a a i j n - - - - a ( n 1) = - × ( 1) + ( 1) = - £ £ n ij n , 1 a a i n n j n ( ) , 1 n i n ij ( 1) 1, 1, 1 n n j n n - = £ £ - ( ) ( 1) 1 1 n i n i b b i n - - - - a ( n 1) = - × ( 1) + ( 1) = n i n b b i n ¨ Ce qui revient à effectuer pour la matrice A et le vecteur b les changements en lignes - = £ £ - ( ) ( 1) n i n i 1 1 L L i n - - a ( n 1) - - = - × ( n 1) , = L i n ( ) ( 1) , 1 n i n i - - - - ( 1) 1 1, 1 n n n n ¨ Le système A(n) .X = b(n) ainsi obtenu est un système triangulaire supérieur dont la résolution se fait simplement par une méthode de montée. ¨ On montre de même que le système ainsi obtenu A(n) .X = b(n) est équivalent au système A(n-1) .X = b(n-1) , donc au système A.X = b . ¨ On a ainsi déterminer un système triangulaire supérieur équivalent au système A.X = b . 20 1, 1 - ¹ - - V-1-4 Etape n : ( n 1) 0 n n a                 = ( n ) 1, n ( ) , ( ) 1,1 ( ) n n n n a A et         =       ( n ) 1 b ( n ) 2 M ( ) ( ) b n n n b b avec :    - - - - a a et :    ( ) , 1 n i n i - - - - a b ( 1) 1 1, 1 n n n n suivantes :    a n i L L Professeure Salma DASSER Session Automne-hiver 2007
  21. 21. Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires ⇒ ¨ On note A(1) = A et b(1) = b , le système s’écrit alors : A(1) .X = b(1) ¨ On effectue pour la matrice A et le vecteur b les changements en lignes suivantes : = (1) (1) 1 a L L = - × £ £ (1) , 2 4 L i 2 1 0 4 0 0 3 1 A(2) et - - 0 1 2 0 - - - 0 3 12 1 21 V-2 Exemple :        + + = 2 x x 4 x 2 1 2 4 - - + - = - 4 x 2 x 3 x 7 x 9 1 2 3 4 + - + = 4 x x 2 x 8 x 2 1 2 3 4 - - - = 3 12 2 ( ) x x x 2 3 4 S      2 1 0 4 4 2 3 7 A et 4 1 2 8 0 3 12 1       - - - =  - - - -         - =       2 9 2 2 b V-2-1 Etape 1 : V-2-2 Etape 2 : 2 0 (1) 11 a = ¹    (2) 1 (2) (1) i 1 (1) 1 11 a L L i i ou encore :            ® L L 1 1 ® - - 4 × L L L 2 2 1 2 4 ® - × L L L 3 3 1 2 0 ® - × L L L 4 4 1 2 ie :        ® L L 1 1 ® + 2 L L L 2 2 1 ® - 2 L L L 3 3 1 ® L L 4 4 ¨ On obtient alors :             =               - - = 2 5 2 2 b(2) Professeure Salma DASSER Session Automne-hiver 2007
  22. 22. Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires 2,2 a = : on effectue alors un changement de l’ordre des équations 2,2 a ¹ , ce qui revient à échanger la ligne 2 et la ligne 3 : 2 1 0 4 - - 0 1 2 0 A(2) et 0 0 3 1 - - - 0 3 12 1 ¨ On effectue pour la matrice A et le vecteur b les changements en lignes suivantes : = £ £ L L i (2) (3) (2) a i i = - × £ £ 1 2 , 3 4 L i      2 1 0 4 0 1 2 0 A(3) et 0 0 3 1 0 0 6 1  - - - - 22 V-2-3 Etape 3 : (2) 0 2,2 a = ¨ On est dans le cas où 0 (2) pour obtenir ( 0) (2)             =               - - = 2 2 5 2 b(2)    (2) (3) (2) i 2 (2) 2 22 a L L i i ou encore :          0 × - L L 1 1 L L 2 2 L L L 3 3 2 × ® ® ® - ® - - 1 3 L L L 4 4 2 - 1 ie :        ® L L 1 1 ® L L 2 2 ® L L 3 3 ® - L L 3L 4 4 2 ¨ On obtient alors :       =              - =  - 2 2 5 8 b(3) Professeure Salma DASSER Session Automne-hiver 2007
  23. 23. Semestre : S3, Module : M10, Matière : Mathématiques II Chapitre 5 : Systèmes linéaires ¨ On effectue pour la matrice A et le vecteur b les changements en lignes suivantes : = £ £ 1 3 L L i (3) (4) (3) a i i = - × = , 4 L i      2 1 0 4 0 1 2 0 A(4) et 0 0 3 1 0 0 0 1  ¨ Pour résoudre le système A.X = b , il suffit alors de résoudre le système triangulaire o Le système A(4) .X = b(4) s’écrit :          x x x x x x x x        - =                            2 1 0 4 - - - = 2 9 3 4 4 2 3 7 A X = b - 4 1 2 8 - - - 0 3 12 1 23 V-2-4 Etape 4 : 3 0 (3) 3,3 a = ¹    (3) (4) (3) i 3 (3) 3 33 a L L i i ou encore :          ® L L 1 1 ® L L 2 2 ® L L 3 3 ® - - 6 × L L L 4 4 3 3 ie :        ® L L 1 1 ® L L 2 2 ® L L 3 3 ® + L L 2L 4 4 3 ¨ On obtient alors :       - - =               - = - - 2 2 5 2 b(4) supérieur A(4) .X = b(4) par montée : ⇒        + + = 2 x x 4 x 2 1 2 4 - - = - 2 2 x x 2 3 + = - 3 5 = - 2 x x 3 4 4 x ⇒ 1 = - - = (2 4 ) 3 2 1 2 4 = - = 2 2 4 2 3 1 = - - = - ( 5 ) 1 3 3 4 = - 2 4               - - = 3 4 1 2 X V-2-5 Vérification :    .  - -   2 2 1 2 . Professeure Salma DASSER Session Automne-hiver 2007

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