Méthode de Cramer : systèmes linéaires 3×3 - Exercice 3
35 min
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Soient a et b deux nombres réels donnés. On considère le système linéaire (S), d'inconnues x, y et z, suivant : ⎩⎨⎧ax+by+2zax+(2b−1)y+3zax+by+(b+3)z===112b−1 On note également ce système linéaire (S) sous la forme matricielle suivant AX=B.
Question 1
Déterminer l'expression de la matrice A qui est associée au système linéaire (S).
Correction
On a :
A=⎝⎛aaab2b−1b23b+3⎠⎞
Question 2
Déterminer l'expression de detA.
Correction
On a : detA=det⎝⎛aaab2b−1b23b+3⎠⎞ Effectuons les transformations suivantes : L2⟵L2−L1 et L3⟵L3−L1. On obtient alors : detA=det⎝⎛a00bb−1021b+1⎠⎞ On va maintenant développer ce déterminant suivant la troisième ligne qui ne présente qu'un seul élément non nul b−1 qui se situe à la croisée de la troisième ligne et de la troisième colonne. On a alors : detA=(−1)3+3(b+1)∣∣a0bb−1∣∣=1(b+1)∣∣a0bb−1∣∣=(b+1)∣∣a0bb−1∣∣ Ce qui nous donne : detA=(b+1)(a×(b−1)−0×b)=(b+1)(a(b−1)−0) Finalement, on trouve que :
detA=a(b+1)(b−1)
Question 3
Dans le cas ou le système linéaire (S) est de Cramer, déterminer les solutions de (S).
Correction
Le système linéaire (S) est de Cramer si detA=0. Donc : detA=0⟺a(b+1)(b−1)=0⟺a(b−(−1))(b−1)=0 En conclusion, le système linéaire (S) est toujours de Cramer à l'exception des trois situations correspondantes à a=0, ou b=−1 ou enfin b=1. Donc supposons exclure les trois situations correspondantes à a=0, ou b=−1 ou enfin b=1. Dans ce cas on peut écrire que : x=detAdet⎝⎛112b−1b2b−1b23b+3⎠⎞=a(b+1)(b−1)−b2+6b−5=a(b+1)(b−1)−(b−5)(b−1) Comme b=1 on a b−1=0 et de fait on peut simplifier par b−1 pour obtenir : x=a(b+1)−(b−5) Finalement : x=a(b+1)5−b Puis, on a : y=detAdet⎝⎛aaa112b−123b+3⎠⎞=a(b+1)(b−1)2a−2ab=a(b+1)(b−1)−2a(b−1) Comme b=1 on a b−1=0 et de fait on peut simplifier par b−1 pour obtenir : y=a(b+1)−2a Comme a=0 on peut simplifier par a pour finalement obtenir : y=−b+12 Enfin on a : z=detAdet⎝⎛aaab2b−1b112b−1⎠⎞=2a(b2−2b+1)2ab2−4ab+2a=a(b+1)(b−1)2a(b−1)2=a(b+1)(b−1)2a(b−1)(b−1) Comme b=1 on a b−1=0 et de fait on peut simplifier par b−1 pour obtenir : z=a(b+1)2a(b−1) Comme a=0 on peut simplifier par a pour finalement obtenir : z=b+12(b−1) En conclusion, si le système linéaire (S) est de Cramer alors la solution recherchée est :
⎩⎨⎧xyz===a(b+1)5−b−b+12b+12(b−1)
Question 4
Dans le cas ou le système linéaire (S) n'est pas de Cramer, déterminer les solutions de (S).
Correction
∙Sia=0alors: on a le système linéaire (S), d'inconnues x, y et z, qui devient : ⎩⎨⎧by+2z(2b−1)y+3zby+(b+3)z===112b−1 Ainsi la matrice associée à ce système devient : A=⎝⎛000b2b−1b23b+3⎠⎞ On remarque alors que la matrice A′ définie par A′=(b2b−123) à un déterminant non nul car detA′=2−b. Cette matrice A′ est associée au système linéaire (S′) suivant : {by+2z(2b−1)y+3z==11 Ce système système linéaire (S′) est de Cramer à la condition supplémentaire que detA′=0 soit b=2. Donc on a : y=detA′det(1123)=2−b1 Puis : z=detA′det(b2b−111)=2−b1−b Ces valeurs de y et z trouvées doivent également permettre de satisfaire à la troisième égalité du système linéaire (S), à savoir : by+(b+3)z=2b−1⟺b2−b1+(b+3)2−b1−b=2b−1⟺b+(b+3)(1−b)=(2b−1)(2−b) En développant : b+b−b2+3−3b=4b−2b2−2+b⟺−b2−b+3=−2b2+5b−2⟺b2−6b+5=0 En faisant usage de la technique du discriminant, on solutionne sans difficulté les deux solutions réelles distinctes de b. On trouve que b=1 ou b=5. En conclusion : ■Sia=0etb=1alorslessolutionsdusysteˋmelineˊaire(S)sontx∈R;y=1;z=0 ■■Sia=0etb=5alorslessolutionsdusysteˋmelineˊaire(S)sontx∈R;y=−31;z=34 ■■■Sia=0etb=1oub=5alorslesysteˋmelineˊaire(S)n′apasdesolution. ∙∙Sia=0etb=−1alors: on a le système linéaire (S), d'inconnues x, y et z, qui devient : ⎩⎨⎧ax−y+2zax−3y+3zax−y+2z===11−3 On constate de suite que la première ligne et la troisième ligne, du système précédent, sont incompatibles entre elles car conduisant à l'absurdité 1=−3. En conclusion, on peut dire que : ■Sia=0etb=−1alorslesysteˋmelineˊaire(S)n′apasdesolution. ∙∙∙Sia=0etb=1alors: on a le système linéaire (S), d'inconnues x, y et z, qui devient : ⎩⎨⎧ax+y+2zax+y+3zax+y+4z===111 En effectuant l'opération L2−L1 on trouve immédiatement que z=0. Ceci nous permet d'ontenir l'égalité suivante : ax+y=1⟺y=1−ax Finalement, dans cette situation, on peut donc conclure que : ■Sia=0etb=1alorslessolutionsdusysteˋmelineˊaire(S)sontx∈R;y=1−ax;z=0.
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