Déterminant et systèmes linéaires

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

15 min
30
Question 1

Discuter et résoudre le système d’inconnue (x,y)R2\left(x,y\right) \in \mathbb{R}^2 et de paramètre mRm\in \mathbb{R} .
S1:{mx+y=04x+2y=1S_{1}:\left\{\begin{array}{ccccc} {mx} & {+} & {y} & {=} & {0} \\ {4x} & {+} & {2y} & {=} & {-1} \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=(m142)A=\left(\begin{array}{cc} {\red{m}} & {\blue{1}} \\ {\pink{4}} & {\green{2}} \end{array}\right) ; X=(xy)X=\left(\begin{array}{c} {x} \\ {y} \end{array}\right) et B=(01)B=\left(\begin{array}{c} {{\color{brown}{0}}} \\ {{\color{orange}{-1}}} \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=(m142)A=\left(\begin{array}{cc} {\red{m}} & {\blue{1}} \\ {\pink{4}} & {\green{2}} \end{array}\right)
    Ainsi :
    det(A)=m×21×4\det \left(A\right)=\red{m}\times \green{2}-\blue{1}\times \pink{4}
    det(A)=2m4\det \left(A\right)=2m-4
    Le système est de Cramer si et seulement si ce déterminant est non nul, donc 2m40m22m-4\ne 0\Longleftrightarrow m \ne2
    Premier cas : si m2m\ne 2 le système est de Cramer et il admet donc un unique couple solution.
    Calcul de x:\orange{x :}
    x=Δxdet(A) x=\frac{{\Delta }_x}{{\mathrm{det} \left(A\right)\ }}Δx=0112{\Delta }_x=\left| \begin{array}{cc}{\color{brown}{0}} & {\blue{1}} \\ \color{orange}{-1} & \green{2} \end{array}\right| .
    Ainsi : Δx=0×2(1)×1{\Delta }_x={\color{brown}{0}} \times \green{2}-{\color{orange}{\left(-1\right)}} \times {\blue{1}} d'où Δx=1{\Delta }_x=1.
    Il en résulte donc que :
    x=12m4x=\frac{1}{2m-4}
    .
    Calcul de y:\orange{y :}
    y=Δydet(A) y=\frac{{\Delta }_y}{{\mathrm{det} \left(A\right)\ }}Δy=m041{\Delta }_y=\left| \begin{array}{cc}{\red{m}} & {\color{brown}{0}} \\ \pink{4} & \color{orange}{-1} \end{array}\right| .
    Ainsi : Δy=m×(1)4×0{\Delta }_y={\red{m}} \times {\color{orange}{\left(-1\right)}}-{\pink{4}} \times {\color{brown}{0}} d'où Δy=m{\Delta }_y=-m.
    Il en résulte donc que :
    y=m2m4y=\frac{-m}{2m-4}
    .

    Deuxième cas : Si m=2m=2, le système linéaire s'écrit alors :
    S1:{2x+y=04x+2y=1S_{1}:\left\{\begin{array}{ccccc} {2x} & {+} & {y} & {=} & {0} \\ {4x} & {+} & {2y} & {=} & {-1} \end{array}\right.
    S1:{2x+y=00=2L1   L2L22L1S_{1}:\left\{ \begin{array}{ccc}2x+y & = & 0 \\ 0 & = & -2 \end{array}\right. \begin{array}{c}L_1 \\ {\ \ \ L}_2\longleftarrow L_2-2L_1 \end{array}
    L'équation 0=20=-2 est une une équation fausse. Le système S1S_1 est alors incompatible. Il n'y a donc pas de solution.

    Conclusion :
  • Si m2m\ne2 le système admet un unique couple solution
    (x;y)={(12m4;m2m4)}\left(x;y\right)=\left\{\left(\frac{1}{2m-4};\frac{-m}{2m-4}\right)\right\}
  • Si m=2m=2 le système n'admet pas de solution.
  • Question 2

    Discuter et résoudre le système d’inconnue (x,y)R2\left(x,y\right) \in \mathbb{R}^2 et de paramètre mRm\in \mathbb{R} .
    S2:{mx+3y=22mx+my=5S_{2}:\left\{\begin{array}{ccccc} {mx} & {+} & {3y} & {=} & {2} \\ {2mx} & {+} & {my} & {=} & {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=(m32mm)A=\left(\begin{array}{cc} {\red{m}} & {\blue{3}} \\ {\pink{2m}} & {\green{m}} \end{array}\right) ; X=(xy)X=\left(\begin{array}{c} {x} \\ {y} \end{array}\right) et B=(25)B=\left(\begin{array}{c} {{\color{brown}{2}}} \\ {{\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=(m32mm)A=\left(\begin{array}{cc} {\red{m}} & {\blue{3}} \\ {\pink{2m}} & {\green{m}} \end{array}\right)
    Ainsi :
    det(A)=m×m3×2m\det \left(A\right)=\red{m}\times \green{m}-\blue{3}\times \pink{2m}
    det(A)=m26m\det \left(A\right)=m^2-6m
    Le système est de Cramer si et seulement si ce déterminant est non nul, donc m26m0m(m6)0m0 et m6m^2-6m\ne 0\Longleftrightarrow m\left(m-6\right)\ne 0\Longleftrightarrow m \ne0 \text{ et } m \ne6
    Premier cas : si mR\{0;6}m\in \mathbb{R}\backslash \left\{0;6\right\} le système est de Cramer et il admet donc un unique couple solution.
    Calcul de x:\orange{x :}
    x=Δxdet(A) x=\frac{{\Delta }_x}{{\mathrm{det} \left(A\right)\ }}Δx=235m{\Delta }_x=\left| \begin{array}{cc}{\color{brown}{2}} & {\blue{3}} \\ \color{orange}{5} & \green{m} \end{array}\right| .
    Ainsi : Δx=2×m5×3{\Delta }_x={\color{brown}{2}} \times \green{m}-{\color{orange}{5}} \times {\blue{3}} d'où Δx=2m15{\Delta }_x=2m-15.
    Il en résulte donc que :
    x=2m15m26mx=\frac{2m-15}{m^2-6m}
    .
    Calcul de y:\orange{y :}
    y=Δydet(A) y=\frac{{\Delta }_y}{{\mathrm{det} \left(A\right)\ }}Δy=m22m5{\Delta }_y=\left| \begin{array}{cc}{\red{m}} & {\color{brown}{2}} \\ \pink{2m} & \color{orange}{5} \end{array}\right| .
    Ainsi : Δy=m×52m×2{\Delta }_y={\red{m}} \times {\color{orange}{5}}-{\pink{2m}} \times {\color{brown}{2}} d'où Δy=5m4m=m{\Delta }_y=5m-4m=m.
    Il en résulte donc que :
    y=mm26my=\frac{m}{m^2-6m}
    .

    Deuxième cas : Si m=0m=0, le système linéaire s'écrit alors :
    S2:{0×x+3y=22×0×x+0×y=5S_{2}:\left\{\begin{array}{ccccc} {0\times x} & {+} & {3y} & {=} & {2} \\ {2\times 0\times x} & {+} & {0 \times y} & {=} & {5} \end{array}\right.
    S2:{3y=20=5S_{2}:\left\{ \begin{array}{ccc} 3y & = & 2 \\ 0 & = & 5 \end{array}\right.
    L'équation 0=50=5 est une une équation fausse. Le système S2S_2 est alors incompatible. Il n'y a donc pas de solution lorsque m=0m=0 .

    Troisième cas : Si m=6m=6, le système linéaire s'écrit alors :
    S2:{6×x+3y=22×6×x+6×y=5S_{2}:\left\{\begin{array}{ccccc} {6\times x} & {+} & {3y} & {=} & {2} \\ {2\times 6\times x} & {+} & {6 \times y} & {=} & {5} \end{array}\right.
    S2:{6x+3y=212x+6y=5S_{2}:\left\{ \begin{array}{ccc} 6x+3y & = & 2 \\ 12x+6y & = & 5 \end{array}\right.
  • 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=62125{\Delta }_y=\left| \begin{array}{cc}{\red{6}} & {\color{brown}{2}} \\ \pink{12} & \color{orange}{5} \end{array}\right|
    Δy=6×512×2{\Delta }_y={\red{6}} \times {\color{orange}{5}}-{\pink{12}} \times {\color{brown}{2}}
    Δy=3024{\Delta }_y=30-24
    Δy=6{\Delta }_y=6
    Comme Δy0{\Delta }_y\ne0 . Le système S2S_2 est alors incompatible. Il n'y a donc pas de solution lorsque m=6m=6 .
    Conclusion :
  • Si mR\{0;6}m\in \mathbb{R}\backslash \left\{0;6\right\} le système admet un unique couple solution
    (x;y)={(2m15m26m;mm26m)}\left(x;y\right)=\left\{\left(\frac{2m-15}{m^2-6m};\frac{m}{m^2-6m}\right)\right\}
  • Si m=0m=0 le système n'admet pas de solution.
  • Si m=6m=6 le système n'admet pas de solution.
  • Question 3

    Discuter et résoudre le système d’inconnue (x,y)R2\left(x,y\right) \in \mathbb{R}^2 et de paramètre mRm\in \mathbb{R} .
    S3:{mx+(m1)y=2(1+m)x+2my=1S_{3}:\left\{\begin{array}{ccccc} {mx} & {+} & {\left(m-1\right)y} & {=} & {2} \\ {\left(1+m\right)x} & {+} & {2my} & {=} & {1} \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=(mm11+m2m)A=\left(\begin{array}{cc} {\red{m}} & {\blue{m-1}} \\ {\pink{1+m}} & {\green{2m}} \end{array}\right) ; X=(xy)X=\left(\begin{array}{c} {x} \\ {y} \end{array}\right) et B=(21)B=\left(\begin{array}{c} {{\color{brown}{2}}} \\ {{\color{orange}{1}}} \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=(mm11+m2m)A=\left(\begin{array}{cc} {\red{m}} & {\blue{m-1}} \\ {\pink{1+m}} & {\green{2m}} \end{array}\right)
    Ainsi :
    det(A)=m×2m(m1)×(1+m)\det \left(A\right)=\red{m}\times \green{2m}-\left(\blue{m-1}\right)\times \left(\pink{1+m}\right)
    det(A)=2m2(m21)\det \left(A\right)=2m^2-\left(m^2-1\right)
    det(A)=2m2m2+1\det \left(A\right)=2m^2-m^2+1
    det(A)=m2+1\det \left(A\right)=m^2+1
    Pour tout réel mm, det(A)0\det \left(A\right)\ne0 . Le système est de Cramer et il admet donc un unique couple solution.
    Calcul de x:\orange{x :}
    x=Δxdet(A) x=\frac{{\Delta }_x}{{\mathrm{det} \left(A\right)\ }}Δx=2m112m{\Delta }_x=\left| \begin{array}{cc}{\color{brown}{2}} & {\blue{m-1}} \\ \color{orange}{1} & \green{2m} \end{array}\right| .
    Ainsi : Δx=2×2m1×(m1){\Delta }_x={\color{brown}{2}} \times \green{2m}-{\color{orange}{1}} \times \left({\blue{m-1}}\right) d'où Δx=4mm+1=3m+1{\Delta }_x=4m-m+1=3m+1.
    Il en résulte donc que :
    x=3m+1m2+1x=\frac{3m+1}{m^2+1}
    .
    Calcul de y:\orange{y :}
    y=Δydet(A) y=\frac{{\Delta }_y}{{\mathrm{det} \left(A\right)\ }}Δy=m21+m1{\Delta }_y=\left| \begin{array}{cc}{\red{m}} & {\color{brown}{2}} \\ \pink{1+m} & \color{orange}{1} \end{array}\right| .
    Ainsi : Δy=m×1(1+m)×2{\Delta }_y={\red{m}} \times {\color{orange}{1}}-\left({\pink{1+m}}\right) \times {\color{brown}{2}} d'où Δy=m22m=m2{\Delta }_y=m-2-2m=-m-2.
    Il en résulte donc que :
    y=m2m2+1y=\frac{-m-2}{m^2+1}
    .
  • Si mRm\in \mathbb{R}, le système admet un unique couple solution
    (x;y)={(3m+1m2+1;m2m2+1)}\left(x;y\right)=\left\{\left(\frac{3m+1}{m^2+1};\frac{-m-2}{m^2+1}\right)\right\}