Déterminant et systèmes linéaires

Méthode de Cramer : systèmes linéaires 2×22\times 2 - Exercice 1

15 min
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Question 1

A l'aide de la méthode de Cramer, résoudre, dans R2\mathbb{R}^2, le système linéaire suivant : S1:{3x+2y=12x+5y=8S_{1}:\left\{\begin{array}{ccccc} {3x} & {+} & {2y} & {=} & {1} \\ {2x} & {+} & {5y} & {=} & {8} \end{array}\right.

Correction
Première étape : Ecrivons le système sous forme matricielle.
Le système S1S_{1} s'écrit sous forme matricielle AX=BAX=B avec A=(3225)A=\left(\begin{array}{cc} {\red{3}} & {\blue{2}} \\ {\pink{2}} & {\green{5}} \end{array}\right) ; X=(xy)X=\left(\begin{array}{c} {x} \\ {y} \end{array}\right) et B=(18)B=\left(\begin{array}{c} {{\color{brown}{1}}} \\ {{\color{orange}{8}}} \end{array}\right) .
Deuxième étape : Calculons le déterminant de AA .
  • Soit A=(abcd)A=\left(\begin{array}{cc} {\red{a}} & {\blue{b}} \\ {\pink{c}} & {\green{d}} \end{array}\right) une matrice carrée d'ordre 22. On appelle deˊterminant\red{\text{déterminant}} de AA le nombre det(A)=a×db×c\det \left(A\right)=\red{a}\times \green{d}-\blue{b}\times \pink{c}
  • Nous avons A=(3225)A=\left(\begin{array}{cc} {\red{3}} & {\blue{2}} \\ {\pink{2}} & {\green{5}} \end{array}\right)
    Ainsi :
    det(A)=3×52×2\det \left(A\right)=\red{3}\times \green{5}-\blue{2}\times \pink{2}
    det(A)=154\det \left(A\right)=15-4
    Finalement :
    det(A)=11\det \left(A\right)=11

    Comme det(A)0\det \left(A\right)\ne 0 , le système est de Cramer. Il admet donc un unique couple solution.
    Troisième étape : Calculons la valeur de xx
    x=Δxdet(A) x=\frac{{\Delta }_x}{{\mathrm{det} \left(A\right)\ }}Δx=1285{\Delta }_x=\left| \begin{array}{cc}{\color{brown}{1}} & {\blue{2}} \\ \color{orange}{8} & \green{5} \end{array}\right| .
    Ainsi : Δx=1×58×2{\Delta }_x={\color{brown}{1}} \times \green{5}-{\color{orange}{8}} \times {\blue{2}} d'où Δx=11{\Delta }_x=-11.
    Il en résulte donc que : x=1111x=\frac{-11}{11} c'est à dire
    x=1x=-1
    .
    Quatrième étape : Calculons la valeur de yy
    y=Δydet(A) y=\frac{{\Delta }_y}{{\mathrm{det} \left(A\right)\ }}Δy=3128{\Delta }_y=\left| \begin{array}{cc}{\red{3}} & {\color{brown}{1}} \\ \pink{2} & \color{orange}{8} \end{array}\right| .
    Ainsi : Δy=3×82×1{\Delta }_y={\red{3}} \times {\color{orange}{8}}-{\pink{2}} \times {\color{brown}{1}} d'où Δy=22{\Delta }_y=22.
    Il en résulte donc que : y=2211y=\frac{22}{11} c'est à dire
    y=2y=2
    .
    L’unique solution du système est le couple
    (x;y)={(1;2)}\left(x;y\right)=\left\{\left(-1;2\right)\right\}

    Question 2

    Soit aa un réel.
    A l'aide de la méthode de Cramer, résoudre, dans R2\mathbb{R}^2, le système linéaire suivant : S2:{x+y=a4x+2y=5S_{2}:\left\{\begin{array}{ccccc} {x} & {+} & {y} & {=} & {a} \\ {-4x} & {+} & {2y} & {=} & {5} \end{array}\right.

    Correction
    Première étape : Ecrivons le système sous forme matricielle.
    Le système S2S_{2} s'écrit sous forme matricielle AX=BAX=B avec A=(1142)A=\left(\begin{array}{cc} {\red{1}} & {\blue{1}} \\ {\pink{-4}} & {\green{2}} \end{array}\right) ; X=(xy)X=\left(\begin{array}{c} {x} \\ {y} \end{array}\right) et B=(a5)B=\left(\begin{array}{c} {{\color{brown}{a}}} \\ {{\color{orange}{5}}} \end{array}\right) .
    Deuxième étape : Calculons le déterminant de AA .
  • Soit A=(abcd)A=\left(\begin{array}{cc} {\red{a}} & {\blue{b}} \\ {\pink{c}} & {\green{d}} \end{array}\right) une matrice carrée d'ordre 22. On appelle deˊterminant\red{\text{déterminant}} de AA le nombre det(A)=a×db×c\det \left(A\right)=\red{a}\times \green{d}-\blue{b}\times \pink{c}
  • Nous avons A=(1142)A=\left(\begin{array}{cc} {\red{1}} & {\blue{1}} \\ {\pink{-4}} & {\green{2}} \end{array}\right)
    Ainsi :
    det(A)=1×21×(4)\det \left(A\right)=\red{1}\times \green{2}-\blue{1}\times \left(\pink{-4}\right)
    det(A)=2+4\det \left(A\right)=2+4
    Finalement :
    det(A)=6\det \left(A\right)=6

    Comme det(A)0\det \left(A\right)\ne 0 , le système est de Cramer. Il admet donc un unique couple solution.
    Troisième étape : Calculons la valeur de xx
    x=Δxdet(A) x=\frac{{\Delta }_x}{{\mathrm{det} \left(A\right)\ }}Δx=a152{\Delta }_x=\left| \begin{array}{cc}{\color{brown}{a}} & {\blue{1}} \\ \color{orange}{5} & \green{2} \end{array}\right| .
    Ainsi : Δx=a×25×1{\Delta }_x={\color{brown}{a}} \times \green{2}-{\color{orange}{5}} \times {\blue{1}} d'où Δx=2a5{\Delta }_x=2a-5.
    Il en résulte donc que :
    x=2a56x=\frac{2a-5}{6}
    .
    Quatrième étape : Calculons la valeur de yy
    y=Δydet(A) y=\frac{{\Delta }_y}{{\mathrm{det} \left(A\right)\ }}Δy=1a45{\Delta }_y=\left| \begin{array}{cc}{\red{1}} & {\color{brown}{a}} \\ \pink{-4} & \color{orange}{5} \end{array}\right| .
    Ainsi : Δy=1×5(4)×a{\Delta }_y={\red{1}} \times {\color{orange}{5}}-\left({\pink{-4}} \right)\times {\color{brown}{a}} d'où Δy=5+4a{\Delta }_y=5+4a.
    Il en résulte donc que :
    y=4a+56y=\frac{4a+5}{6}
    .
    L’unique solution du système est le couple
    (x;y)={(2a56;4a+56)}\left(x;y\right)=\left\{\left(\frac{2a-5}{6};\frac{4a+5}{6}\right)\right\}

    Question 3

    A l'aide de la méthode de Cramer, résoudre, dans R2\mathbb{R}^2, le système linéaire suivant : S3:{2x+4y=33x6y=7S_{3}:\left\{\begin{array}{ccccc} {-2x} & {+} & {4y} & {=} & {-3} \\ {3x} & {-} & {6y} & {=} & {7} \end{array}\right.

    Correction
    Première étape : Ecrivons le système sous forme matricielle.
    Le système S3S_{3} s'écrit sous forme matricielle AX=BAX=B avec A=(2436)A=\left(\begin{array}{cc} {\red{-2}} & {\blue{4}} \\ {\pink{3}} & {\green{-6}} \end{array}\right) ; X=(xy)X=\left(\begin{array}{c} {x} \\ {y} \end{array}\right) et B=(37)B=\left(\begin{array}{c} {{\color{brown}{-3}}} \\ {{\color{orange}{7}}} \end{array}\right) .
    Deuxième étape : Calculons le déterminant de AA .
  • Soit A=(abcd)A=\left(\begin{array}{cc} {\red{a}} & {\blue{b}} \\ {\pink{c}} & {\green{d}} \end{array}\right) une matrice carrée d'ordre 22. On appelle deˊterminant\red{\text{déterminant}} de AA le nombre det(A)=a×db×c\det \left(A\right)=\red{a}\times \green{d}-\blue{b}\times \pink{c}
  • Nous avons A=(2436)A=\left(\begin{array}{cc} {\red{-2}} & {\blue{4}} \\ {\pink{3}} & {\green{-6}} \end{array}\right)
    Ainsi : det(A)=(2)×(6)4×3\det \left(A\right)=\left(\red{-2}\right)\times \left(\green{-6}\right)-\blue{4}\times \pink{3}
    det(A)=1212\det \left(A\right)=12-12
    Finalement :
    det(A)=0\det \left(A\right)=0

    Comme det(A)=0\det \left(A\right)= 0 , le système n'est pas de Cramer. Cela signifie que soit le système est incompatible soit le système est indéterminé.
  • Soit le système linéaire S:{ax+by=ecx+dy=fS:\left\{\begin{array}{ccccc} {\red{a}x} & {+} & {\blue{b}y} & {=} & {{\color{brown}{e}}} \\ {\pink{c}x} & {+} & {\green{d}y} & {=} & {\color{orange}{f}} \end{array}\right.
  • Soit A=(abcd)A=\left(\begin{array}{cc} {\red{a}} & {\blue{b}} \\ {\pink{c}} & {\green{d}} \end{array}\right) une matrice carrée d'ordre 22. Si det(A)=0\det \left(A\right)=0 alors le système SS n'est pas de Cramer.
  • Le système est indéterminé si Δy=0{\Delta }_y =0Δy=aecf{\Delta }_y=\left| \begin{array}{cc}{\red{a}} & {\color{brown}{e}} \\ \pink{c} & \color{orange}{f} \end{array}\right|
  • Le système est incompatible si Δy0{\Delta }_y \ne0Δy=aecf{\Delta }_y=\left| \begin{array}{cc}{\red{a}} & {\color{brown}{e}} \\ \pink{c} & \color{orange}{f} \end{array}\right|
  • Calculons Δy{\Delta }_y .
    Δy=2337{\Delta }_y=\left| \begin{array}{cc}{\red{-2}} & {\color{brown}{-3}} \\ \pink{3} & \color{orange}{7} \end{array}\right|
    Δy=(2)×73×(3){\Delta }_y=\left({\red{-2}}\right) \times {\color{orange}{7}}-{\pink{3}} \times \left({\color{brown}{-3}}\right)
    Δy=14+9{\Delta }_y=-14+9
    Δy=5{\Delta }_y=-5
    Comme Δy0{\Delta }_y\ne0 le système est alors incompatible. Autrement dit le système n'admet pas de solutions.
    Question 4

    A l'aide de la méthode de Cramer, résoudre, dans R2\mathbb{R}^2, le système linéaire suivant : S4:{2x+6y=733x9y=72S_{4}:\left\{\begin{array}{ccccc} {-2x} & {+} & {6y} & {=} & {\frac{7}{3}} \\ {3x} & {-} & {9y} & {=} & {-\frac{7}{2}} \end{array}\right.

    Correction
    Première étape : Ecrivons le système sous forme matricielle.
    Le système S4S_{4} s'écrit sous forme matricielle AX=BAX=B avec A=(2639)A=\left(\begin{array}{cc} {\red{-2}} & {\blue{6}} \\ {\pink{3}} & {\green{-9}} \end{array}\right) ; X=(xy)X=\left(\begin{array}{c} {x} \\ {y} \end{array}\right) et B=(7372)B=\left(\begin{array}{c} {{\color{brown}{\frac{7}{3}}}} \\ {{\color{orange}{-\frac{7}{2}}}} \end{array}\right) .
    Deuxième étape : Calculons le déterminant de AA .
  • Soit A=(abcd)A=\left(\begin{array}{cc} {\red{a}} & {\blue{b}} \\ {\pink{c}} & {\green{d}} \end{array}\right) une matrice carrée d'ordre 22. On appelle deˊterminant\red{\text{déterminant}} de AA le nombre det(A)=a×db×c\det \left(A\right)=\red{a}\times \green{d}-\blue{b}\times \pink{c}
  • Nous avons A=(2639)A=\left(\begin{array}{cc} {\red{-2}} & {\blue{6}} \\ {\pink{3}} & {\green{-9}} \end{array}\right)
    Ainsi : det(A)=(2)×(9)6×3\det \left(A\right)=\left(\red{-2}\right)\times \left(\green{-9}\right)-\blue{6}\times \pink{3}
    det(A)=1818\det \left(A\right)=18-18
    Finalement :
    det(A)=0\det \left(A\right)=0

    Comme det(A)=0\det \left(A\right)= 0 , le système n'est pas de Cramer. Cela signifie que soit le système est incompatible soit le système est indéterminé.
  • Soit le système linéaire S:{ax+by=ecx+dy=fS:\left\{\begin{array}{ccccc} {\red{a}x} & {+} & {\blue{b}y} & {=} & {{\color{brown}{e}}} \\ {\pink{c}x} & {+} & {\green{d}y} & {=} & {\color{orange}{f}} \end{array}\right.
  • Soit A=(abcd)A=\left(\begin{array}{cc} {\red{a}} & {\blue{b}} \\ {\pink{c}} & {\green{d}} \end{array}\right) une matrice carrée d'ordre 22. Si det(A)=0\det \left(A\right)=0 alors le système SS n'est pas de Cramer.
  • Le système est indéterminé si Δy=0{\Delta }_y =0Δy=aecf{\Delta }_y=\left| \begin{array}{cc}{\red{a}} & {\color{brown}{e}} \\ \pink{c} & \color{orange}{f} \end{array}\right|
  • Le système est incompatible si Δy0{\Delta }_y \ne0Δy=aecf{\Delta }_y=\left| \begin{array}{cc}{\red{a}} & {\color{brown}{e}} \\ \pink{c} & \color{orange}{f} \end{array}\right|
  • Calculons Δy{\Delta }_y .
    Δy=273372{\Delta }_y=\left| \begin{array}{cc}{\red{-2}} & {\color{brown}{\frac{7}{3}}} \\ \pink{3} & \color{orange}{-\frac{7}{2}} \end{array}\right|
    Δy=(2)×(72)3×73{\Delta }_y=\left({\red{-2}}\right) \times \left({\color{orange}{-\frac{7}{2}}}\right)-{\pink{3}} \times {\color{brown}{\frac{7}{3}}}
    Δy=77{\Delta }_y=7-7
    Δy=0{\Delta }_y=0
    Comme Δy=0{\Delta }_y=0 le système est alors indéterminée.
    Cela signifie que dans le système S4:{2x+6y=733x9y=72S_{4}:\left\{\begin{array}{ccccc} {-2x} & {+} & {6y} & {=} & {\frac{7}{3}} \\ {3x} & {-} & {9y} & {=} & {-\frac{7}{2}} \end{array}\right. nous pouvons garder une seule des deux lignes car elles sont proportionnelles.
    Ainsi S4:{2x+6y=73S_{4}:\left\{\begin{array}{ccccc} {-2x} & {+} & {6y} & {=} & {\frac{7}{3}} \end{array}\right.
    L'ensemble des solutions du système S4S_4 est alors la droite (d)\left(d\right) passant par le point A(76;0)A\left(-\frac{7}{6};0\right) et de vecteur directeur u(6;2)\overrightarrow {u}\left(-6;-2\right) .