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Systèmes d'équations linéaires

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Un système de $n$ équations linéaires à $p$ inconnues s'écrit sous la forme $AX = B$, où $A \in \mathcal{M}{n,p}(\mathbb{R})$, $X \in \mathcal{M}{p,1}(\mathbb{R})$ et $B \in \mathcal{M}_{n,1}(\mathbb{R})$.

  • Théorème de Rouché-Fontené : Un système est compatible si et seulement si le rang de la matrice $A$ est égal au rang de la matrice augmentée $(A|B)$.
  • Système de Cramer : Si $n=p$ et $\det(A) \neq 0$, le système admet une solution unique donnée par $X = A^{-1}B$.

Méthodes à maîtriser

  1. Méthode du pivot de Gauss : Transformer le système en un système triangulaire équivalent.
  2. Calcul du rang : Utiliser les opérations élémentaires sur les lignes pour échelonner la matrice.
  3. Discussion de systèmes : Utiliser les paramètres (ex: $m$) pour déterminer si le système est compatible ou non selon les valeurs de $m$.

Exemples corrigés

Résoudre par Gauss : $\begin{cases} x+y+z=6 \ x+2y+3z=14 \ x+4y+9z=36 \end{cases}$

  1. $L_2 \leftarrow L_2-L_1$ et $L_3 \leftarrow L_3-L_1$ donne : $\begin{cases} x+y+z=6 \ y+2z=8 \ 3y+8z=30 \end{cases}$
  2. $L_3 \leftarrow L_3-3L_2$ donne : $2z=6 \implies z=3$.
  3. On remplace : $y+6=8 \implies y=2$, puis $x+2+3=6 \implies x=1$. Solution : $(1, 2, 3)$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier de vérifier la compatibilité avant de conclure sur l'existence de solutions.
  • Erreurs de signe lors des opérations élémentaires sur les lignes.
  • Croire qu'un système avec autant d'équations que d'inconnues a toujours une solution unique (oublier le cas $\det(A)=0$).

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Systèmes d'équations linéaires

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Le système $\begin{cases} x+y=1 \ 2x+2y=2 \end{cases}$ admet :

❓ Questions fréquentes

Comment savoir si un système est de Cramer ?
  1. Vérifie d'abord que le nombre d'équations est égal au nombre d'inconnues ($n=p$).
  2. Calcule le déterminant de la matrice des coefficients $A$.
  3. Si $\det(A) \neq 0$, alors le système est de Cramer et possède une solution unique.

💡 À retenir : Cramer = Carré + Déterminant non nul.

Kifach n7seb l'rang dial matrice b'Gauss ?
  1. St3mel l'operations 3la l'lignes (tabdil, darb, aw jam3) bach tredd l'matrice triangulaire.
  2. L'rang howa 3adad l'lignes li ma mchawch sifr (li fihom 3la l'a9al wa7ed l'element non nul).

💡 À retenir : Rang = nombre de pivots non nuls après échelonnement.

Est-ce que le rang de la matrice augmentée peut être inférieur au rang de la matrice A ?

Non, c'est impossible. Puisque $A$ est incluse dans $(A|B)$, le rang de la matrice augmentée est toujours supérieur ou égal au rang de $A$.

💡 À retenir : $rg(A) \leq rg(A|B)$.

Chno hiya l'condition bach ykoun l'nizam 3endo 7al wa7ed ?
  1. Khass l'nizam ykoun carré (3adad l'majahil = 3adad l'mo3adalat).
  2. Khass l'determinant ykoun mkhaleff 3la sifr.

💡 À retenir : $\det(A) \neq 0 \iff$ Solution unique.

Si le rang est inférieur au nombre d'inconnues, que se passe-t-il ?

Le système possède soit une infinité de solutions (si le système est compatible), soit aucune solution (s'il est incompatible).

💡 À retenir : Rang < Inconnues $\implies$ Paramètres libres.

Kifach n3ref wach l'nizam incompatible ?
  1. Dir l'pivot de Gauss.
  2. Ila l9iti chi ligne f l'matrice augmentée dial chkel $(0, 0, ..., 0 | k)$ m3a $k \neq 0$, rah l'nizam incompatible.

💡 À retenir : Une ligne nulle à gauche et non nulle à droite = pas de solution.

Peut-on utiliser l'inverse de la matrice pour tout système ?

Non, seulement si la matrice est carrée et inversible ($\det(A) \neq 0$). Si elle n'est pas carrée, l'inverse n'existe pas.

💡 À retenir : $X = A^{-1}B$ est réservé aux systèmes carrés inversibles.

Est-ce que l'ordre des équations change la solution ?

Non, l'ordre des équations ne change pas l'ensemble des solutions, car le système représente une intersection de plans (ou hyperplans).

💡 À retenir : L'ordre des lignes est arbitraire.

Que faire si le déterminant est nul ?

Le système n'est pas de Cramer. Il faut utiliser la méthode de Gauss pour voir s'il est compatible (infinité de solutions) ou incompatible (aucune solution).

💡 À retenir : $\det(A)=0 \implies$ Gauss obligatoire.

Est-ce que le rang dépend de la méthode de calcul ?

Non, le rang est une propriété intrinsèque de la matrice. Peu importe la méthode (Gauss, mineurs), le résultat doit être le même.

💡 À retenir : Le rang est unique.

Si j'ai plus d'inconnues que d'équations, est-ce que j'ai toujours une infinité de solutions ?

Pas forcément. Tu peux avoir une infinité de solutions si le système est compatible, ou aucune solution si le système est incompatible.

💡 À retenir : Sous-déterminé $\neq$ forcément compatible.

Est-ce que je peux multiplier une ligne par zéro ?

Non, c'est une erreur grave. Les opérations élémentaires autorisées sont : échange de lignes, multiplication par un scalaire non nul, et ajout d'un multiple d'une ligne à une autre.

💡 À retenir : Multiplication par $0$ détruit l'information.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Résoudre le système suivant dans $\mathbb{R}^3$ : $\begin{cases} x + y + z = 1 \ x + 2y + 3z = 2 \ x + 3y + 5z = 3 \end{cases}$

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Exercice 2

Discuter selon le paramètre $m \in \mathbb{R}$ le système : $\begin{cases} x + y + z = 1 \ x + 2y + 4z = m \ x + 3y + 10z = m^2 \end{cases}$

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Exercice 3

Soit $A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \ 3 & 4 \end{pmatrix}$. Résoudre $AX = \begin{pmatrix} 5 \ 11 \end{pmatrix}$ par inversion.

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