Licence 1Algèbre

Systèmes d'équations linéaires et méthode de Gauss

55 min15 exercicesSéquence 2.2 — Licence 1
▶

Vidéo disponible dans la version Premium

Durée : 55 min

Systèmes d'équations linéaires

1. Définition

Un système linéaire de mm équations à nn inconnues est de la forme :

{a11x1+a12x2+⋯+a1nxn=b1a21x1+⋯+a2nxn=b2⋮am1x1+⋯+amnxn=bm\begin{cases} a_{11}x_1 + a_{12}x_2 + \cdots + a_{1n}x_n = b_1 \\ a_{21}x_1 + \cdots + a_{2n}x_n = b_2 \\ \vdots \\ a_{m1}x_1 + \cdots + a_{mn}x_n = b_m \end{cases}

On note ce système AX=BAX = B où A=(aij)A = (a_{ij}) est la matrice des coefficients, X=(x1,…,xn)TX = (x_1,\ldots,x_n)^T le vecteur des inconnues et B=(b1,…,bm)TB = (b_1,\ldots,b_m)^T le second membre.

2. Types de systèmes

- Système homogène : B=0B = 0. Il admet toujours la solution nulle (solution triviale).
- Système compatible : il admet au moins une solution.
- Système incompatible : il n'admet aucune solution.

Un système est compatible si et seulement si rang(A)=rang(A∣B)\text{rang}(A) = \text{rang}(A|B) (matrice augmentée).

3. Méthode de Gauss (élimination)

L'idée est de transformer le système en un système triangulaire équivalent par des opérations élémentaires sur les lignes :
- Li←λLiL_i \leftarrow \lambda L_i (λ≠0\lambda \neq 0) : multiplication d'une ligne par un scalaire
- Li←Li+λLjL_i \leftarrow L_i + \lambda L_j : ajout d'un multiple d'une ligne à une autre
- Li↔LjL_i \leftrightarrow L_j : échange de deux lignes

Algorithme :
1. Choisir un pivot (premier coefficient non nul)
2. Éliminer cette variable dans toutes les autres équations
3. Répéter sur la sous-matrice réduite
4. Remonter (substitution arrière)

4. Exemple complet

Résoudre :

{x+2y+z=42x+y−z=1x−y+2z=3\begin{cases} x + 2y + z = 4 \\ 2x + y - z = 1 \\ x - y + 2z = 3 \end{cases}

Matrice augmentée :

(121∣421−1∣11−12∣3)\begin{pmatrix} 1 & 2 & 1 & | & 4 \\ 2 & 1 & -1 & | & 1 \\ 1 & -1 & 2 & | & 3 \end{pmatrix}

L2←L2−2L1L_2 \leftarrow L_2 - 2L_1, L3←L3−L1L_3 \leftarrow L_3 - L_1 :

(121∣40−3−3∣−70−31∣−1)\begin{pmatrix} 1 & 2 & 1 & | & 4 \\ 0 & -3 & -3 & | & -7 \\ 0 & -3 & 1 & | & -1 \end{pmatrix}

L3←L3−L2L_3 \leftarrow L_3 - L_2 :

(121∣40−3−3∣−7004∣6)\begin{pmatrix} 1 & 2 & 1 & | & 4 \\ 0 & -3 & -3 & | & -7 \\ 0 & 0 & 4 & | & 6 \end{pmatrix}

Remontée : z=3/2z = 3/2, puis y=(7−3z)/(−3)y = (7-3z)/(-3)... On obtient la solution unique.

5. Discussion selon le rang

Notons r=rang(A)r = \text{rang}(A) et nn le nombre d'inconnues :
- r<rang(A∣B)r < \text{rang}(A|B) : système incompatible (aucune solution)
- r=rang(A∣B)=nr = \text{rang}(A|B) = n : solution unique
- r=rang(A∣B)<nr = \text{rang}(A|B) < n : infinité de solutions (∞n−r\infty^{n-r} solutions, paramétrées par n−rn-r variables libres)

Exercices

Le système {x+y=32x−y=0\begin{cases}x+y=3\\2x-y=0\end{cases} admet :

Vrai ou faux : Un système homogène admet toujours au moins une solution.

Combien de solutions admet {x+y=1x+y=2\begin{cases}x+y=1\\x+y=2\end{cases} ?

Quelle opération de Gauss transforme L2←L2−3L1L_2 \leftarrow L_2 - 3L_1 si L1=(1,2,3)L_1=(1,2,3) et L2=(3,7,10)L_2=(3,7,10) ?

Le rang de la matrice (100010000)\begin{pmatrix}1&0&0\\0&1&0\\0&0&0\end{pmatrix} est :

Suivez votre progression

Connectez-vous pour sauvegarder votre avancement et gagner des XP.

Se connecter